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 1、 背景介紹

碳纖維具有耐熱、導熱、耐腐蝕、尺寸穩定、高比強度、高比模量、輕量化、耐疲勞等一系列優異性能，已被廣泛用于纖維增強樹脂基復合材料。在常規碳纖維生產線上，碳纖維收卷前的一道重要工序就是對碳纖維上漿。上漿劑的使用能夠在碳纖維單絲表面形成一層極薄的保護膜，減少在后加工過程中因機械摩擦產生磨損或毛絲等現象；同時使碳纖維集束，改善深加工性能。

上漿劑因此也成為連接碳纖維與基體樹脂的界面層，對將載荷由基體傳遞到纖維上發揮重要作用。上漿劑是高性能碳纖維生產中的重要輔料，其配方是各碳纖維生產廠家的機密。上漿劑的有效配套使用，對提升碳纖維性能具有重要意義。

以山東某化工廠及中科院上海有機所研制的兩種碳纖維用國產環氧樹脂類上漿劑為研究對象，考察了這兩種上漿劑對碳纖維耐磨性、接觸角、表面能等性能和拉伸強度、伸長率、層間剪切強度等力學性能的影響，觀察了碳纖維上漿前后表面形貌的變化，同時考察了碳纖維吸濕率隨上漿干燥溫度的變化情況。

2、上漿劑對PAN基碳纖維表面特性影響

表1為上漿前后碳纖維耐磨次數、與水的接觸角和表面能等物理性能的變化情況。未上漿碳纖維的耐磨次數為1230 次。經上漿劑 B 上漿后，碳纖維的耐磨次數幾乎無變化，而經上漿劑 A 上漿后碳纖維的耐磨次數降低了一半。未上漿碳纖維具有較高耐磨次數，這可能是因為碳纖維自身具有較高伸長率。

未上漿碳纖維與水的接觸角超過 90°，屬于疏水性材料。碳纖維表面致密的共軛體系導致其疏水性非常大，不能被水浸潤。上漿后，碳纖維接觸角大幅度降低，經上漿劑 A 和 B 上漿的碳纖維與水的接觸角分別為 63.4°和 61.6°，可見上漿劑的使用能夠有效改善碳纖維的親水性。

采用 OWRK 法測量了上漿前后碳纖維表面能的變化。上漿前，碳纖維表面能為 26.8 mN/m。上漿后，碳纖維表面能提高，使用上漿劑 A 和 B的碳纖維表面能分別達到 38.3 mN/m 和 40.6 mN/m，此值接近上漿劑本身的表面張力。相比未上漿的碳纖維，上漿碳纖維的表面能色散分量有很大降低，而極性分量則大幅度提高。相比上漿劑 A，上漿劑B 極大地提高了碳纖維的表面能極性分量。色散和極性分量的變化反映出上漿碳纖維表面極性官能團增加，對極性液體的作用力增大。使用上漿劑后，碳纖維表面能增大，接觸角降低，在其后續處理中將更易被浸潤。

3、上漿劑對PAN基碳纖維表面形貌影響

圖 1 是上漿前后碳纖維表面形貌的掃描電鏡照片。未上漿碳纖維表面較光滑，有大量平行條狀溝槽。經上漿劑 A 和 B 上漿的碳纖維表面基本光滑、均勻，具有較淺的溝槽。這說明這兩種上漿劑均能在纖維表面很好地鋪展，形成完整的薄膜。上漿劑的使用，可有效保護纖維表面的活性官能團。

▲圖1 上漿后PAN基碳纖維力學性能

4、上漿劑對PAN基碳纖維吸濕率影響

上漿后碳纖維的吸濕率如表2所示。上漿后干燥溫度為 140 ℃時，經上漿劑 A 上漿的碳纖維吸濕率為 0.15 %；在相同干燥溫度下，經上漿劑 B 上漿的碳纖維吸水率為 0.16 %。這兩種上漿劑上漿的碳纖維吸濕率幾乎無差別。

▲表2 上漿后PAN基碳纖維吸濕率變化

上漿劑 A 與 B 都屬于耐熱型環氧類漿料，分解溫度分別達到 381.5 ℃和 390.3 ℃。在其它條件相同的情況下，適當提高上漿干燥溫度，觀察這兩種碳纖維吸濕率的變化。隨干燥溫度的升高，絲條在外觀上沒有明顯差異，但絲條手感變差；干燥溫度在 180 ℃時，絲條粘手，有未充分干燥的感覺。碳纖維吸濕率數據也說明了這一點。隨著干燥溫度由 140 ℃提高到 180 ℃，碳纖維的吸濕率會有不同程度的增加，使用上漿劑A 和 B 后，碳纖維的吸濕率增加幅度分別達到66.7 %和 37.5 %。這表明，過高的上漿干燥溫度反而使碳纖維吸濕率增加。通過多次試驗表明，環氧類上漿劑的干燥溫度不宜超過 180 ℃。

5、上漿劑對PAN基碳纖維力學性能影響

上漿碳纖維力學性能測試數據如表3所示。相比使用上漿劑 B 的碳纖維，使用上漿劑 A后，碳纖維拉伸強度降低了6.2%，伸長率降低了9.3%。伸長率對碳纖維的耐磨性有一定影響，伸長率較大，表明碳纖維具有較高韌性，耐磨性提高。

▲表3 上漿后PAN基碳纖維力學性能

6、上漿劑對碳纖維復合材料界面強度影響

上漿碳纖維復合材料的 ILSS 測試結果如表4所示，上漿碳纖維與未上漿碳纖維相比，ILSS 有不同程度的增大。這說明兩種上漿劑都能提高纖維與基體樹脂間的界面結合力，改善纖維與基體的黏結性能，發揮應力傳遞的作用。經上漿劑B 上漿的碳纖維的 ILSS 可達到63.9 MPa，而經上漿劑 A 上漿的碳纖維的 ILSS 提高到 67.3 MPa。

表4 上漿前后PAN基碳纖維復合材料界面強度

相比未上漿碳纖維，經上漿劑 A 上漿的碳纖維的ILSS 提高了 20.4 %。由于上漿劑 A 的環氧值比上漿劑 B 的小，說明上漿劑 A 中的環氧樹脂相對分子質量大于上漿劑 B。不過，上漿劑中的主體成分環氧樹脂也可能不是影響碳纖維復合材料層間剪切強度的決定性因素，上漿劑中的乳化劑、纖維上漿量、纖維表面情況和復合材料基體樹脂也是影響碳纖維ILSS的重要因素。在本研究中，碳纖維上漿量、纖維表面情況和基體樹脂是相同的，而上漿劑中的乳化劑差異可能是影響 ILSS 的重要原因之一 。

7、結束語

（1）經上漿劑 B 上漿的碳纖維與未上漿的碳纖維的耐磨性相當，但經上漿劑 A 上漿的碳纖維耐磨次數降低一半，這主要可能是因為后者的伸長率較低。

（2）在干燥溫度為 140 ℃時，經上漿劑 A 和 B上漿的碳纖維吸濕率分別為 0.15 %和0.16 %。過高的上漿干燥溫度 （180 ℃） 會使碳纖維吸濕率增加。

（3） 經上漿劑 A 上漿的碳纖維比經上漿劑 B上漿的碳纖維拉伸強度降低了 6.2 %，伸長率降低了 9.3 %；但前者的復合材料層間剪切強度高于后者，比未上漿樣品提高了 20.4 %，達到 67.3 MPa。上漿劑主體成分環氧樹脂的相對分子質量可能不是影響碳纖維層間剪切強度的決定性因素，乳化劑可能是重要原因之一。