碳纤维表面处理和上浆剂的研究进展

复合材料的界面特性与其宏观力学性能密切相关:界面层的厚度和模量决定了界面处应力的传递,界面层的化学组成也会间接影响界面粘结强度,因此研究复合材料界面层组成及性能的影响因素是十分必要的。因此,碳纤维自身的表面物理、化学性质和碳纤维表面涂覆的上浆剂成为了重要考虑因素。本文结合日本东丽关于碳纤维表面处理、上浆剂种类及上浆工艺的专利及其它文献,综述了表面处理方法和上浆剂种类对界面粘结性能的影响。     

碳纳米材料在碳纤维上浆剂中的应用

简述了碳纤维上浆剂的分类及作用,重点介绍了碳纳米材料在碳纤维上浆剂中的应用,包括碳纤维上浆剂中碳纳米材料对上浆剂稳定性、碳纤维表面特性及碳纤维复合材料界面性能的作用。碳纤维上浆剂可分为溶剂型、乳液型、水溶性上浆剂,采用上浆法可以通过碳纤维上浆工序直接将碳纳米材料引入碳纤维表面。通过对上浆剂中的碳纳米材料进行改性,引入带同种电荷的官能团,可降低上浆剂乳胶粒子的团聚,提高上浆剂的稳定性,增加碳纤维表面粗糙度和改变碳纤维表面化学组成,增强碳纤维复合材料界面的物理锚定作用与化学键合作用,提高碳纤维复合材料的界面性能。指出通过化学键将改性碳纳米材料接枝到上浆剂主浆料分子上,可以缓解碳纳米材料的团聚,使碳纳米材料更均匀地包裹在碳纤维表面,进一步改善碳纤维表面特性和复合材料界面性能,这是未来碳纳米材料上浆剂研究的重要方向之一。     

国内外碳纤维上浆剂研究现状

本文分析了碳纤维上浆剂的研究现状，概述了上浆剂的种类、性质及上浆量对复合材料层间剪切强度的影响；同时也总结了上浆处理中碳纤维表面性质及树脂基体性能对复合材料层间剪切强度的影响。     

碳纤维上浆工艺及其对碳纤维性能的影响研究

碳纤维作为复合材料增强纤维的理想材料,具有广阔的用途。为了提高其加工工艺性及界面性能,本文利用高耐磨性的聚氨酯树脂作为浆料,对聚丙烯腈基碳纤维上浆,研究了其最佳的上浆工艺和上浆率,同时还研究了不同浆料固含质量分数对其碳纤维浆纱的拉伸强度、耐磨性、表面毛羽及耐水性的影响。     

乳化剂对耐高温热塑性水分散乳液上浆剂性能的影响

在本项工作中,选用不同的表面活性剂,通过乳液/溶剂蒸发法制备杂萘联苯共聚芳醚砜(PPBES)水分散乳液上浆剂,以改善高性能热塑性复合材料中碳纤维与PPBES树脂之间的界面相容性。为获得最佳上浆效果,研究了PPBES浓度、表面活性剂种类及浓度对上浆剂平均粒径的影响;通过扫描电子显微镜(SEM)对上浆剂的成膜能力进行了分析,并研究了上浆处理对碳纤维性能的影响,结果表明:上浆后碳纤维制备的CFs/PPBES复合材料弯曲强度高达1781 MPa,相对于未上浆CFs制备的复合材料弯曲强度提高了15.6%,界面剪切强度提升了5.0%。     

塑料市场

表面改性提升碳纤维界面性能中科院宁波材料技术与工程研究所复合材料研究团队日前在碳纤维表面改性方面取得进展。研究人员将氧化石墨烯引入环氧基上浆乳液中,采用浸渍法对碳纤维进行表面改性,可以有效调控碳纤维复合材料的界面微观结构,进而显著改善碳纤维复合材料的界面性能。这一成果为制备高性能碳纤维复合材料提供了一种新的方法和思路。研究结果表明,氧化石墨烯均匀分散在碳纤维表界面层中,改性碳纤维复合材料的界面剪切强度比未上浆和未改性的材料,分别提高了70.9%和36.3%,     

上浆剂对CF/EP界面粘结的影响

本文通过单纤维碎裂法，分别对未上浆及不同上浆剂处理的碳纤维与基体的界面粘结性进行表征。结果表明，不同上浆剂对界面粘结的影响不同。含活性基团较多的上浆剂可改善界面粘结，而含活性基团较少的上浆剂反而会使其减弱。     

石墨烯改性对环氧树脂/碳纤维复丝拉伸性能的影响

采用直接分散法和上浆剂法分别制备了环氧树脂/碳纤维复丝,通过红外光谱、分光光度法等分析方法对处理的石墨烯的表面官能团及表面形貌进行表征,借助扫描电子显微镜对碳纤维表面进行微观形貌观察,研究了石墨烯改性对环氧树脂/碳纤维复丝界面性能的影响。结果表明:石墨烯表面成功地接枝了硅烷偶联剂KH-560;接枝硅烷偶联剂KH-560的石墨烯的环氧树脂/碳纤维复丝的拉伸性能优于未经改性的石墨烯的复丝;上浆法制得的环氧树脂/碳纤维复丝的拉伸性能优于分散法制得的复丝的拉伸性能;上浆剂法制备的石墨烯改性的环氧树脂/碳纤维复丝的断裂强力比未经过改性的未上浆的复丝的提高了48.6%,拉伸强度提高了30.4%,断裂伸长率提高了90.9%。     

上浆剂种类及含量对碳纤维表观性能的影响

研究了不同含量下一种单组分上浆剂及三种复合型上浆剂对碳纤维表观性能的影响,通过对碳纤维宽度、硬度、摩擦系数、毛丝量、开纤性、复合材料界面结合形貌等的分析比较,得出碳纤维表观性能与上浆剂种类及含量的关联性变化规律,并结合TOARYT700SC-12K测试值给出适合于工业生产的参考值,生产中上浆剂含量一般控制在1.0±0.3%,碳纤维(T300/700-12K)的表观性能一般控制在:宽度为7±1mm,硬度为10±2cm,摩擦系数为0.16±0.05,开纤性为2.0±0.3,毛丝量不高于3mg;结果进一步表明多组分复合型上浆剂在碳纤维获得可控的表观性能上优于单一组分上浆剂,为碳纤维表观性能的可控方法提供借鉴。     

碳纤维增强聚苯硫醚复合材料界面性能的研究进展

碳纤维增强聚苯硫醚树脂复合材料因其良好的机械性能、阻燃性、耐化学腐蚀性,在电子信息、航天航空等领域的应用越发广泛。界面是影响复合材料性能的关键因素,为进一步提高复合材料性能以适应不同的构件和使用环境,碳纤维与聚苯硫醚的界面性能越来越受到重视。本文从成型工艺、碳纤维上浆剂和树脂改性三个方面总结了碳纤维增强聚苯硫醚复合材料界面性能的影响因素和研究进展。     

耐高温PPBES溶液型碳纤维上浆剂的制备及性能

碳纤维增强高性能树脂基复合材料具有质轻、耐腐蚀性、力学强度高等特点,提升树脂与纤维界面强度可以优化复合材料综合性能。利用杂萘联苯聚芳醚树脂所具有的优异溶解性,选择氯仿∶N-甲基吡咯烷酮=2∶8混合溶液作为溶剂,制备耐高温溶液型上浆剂。通过对碳纤维进行上浆操作,在碳纤维表面包覆杂萘联苯聚芳醚砜树脂基团,纤维表面活性增加,当溶液上浆剂质量浓度为1.0%～1.5%时,树脂在碳纤维表面分散性较好,通过对比使用不同上浆剂的碳纤维增强树脂基复合材料的界面性能,使用浓度为1.5%的溶液上浆剂处理后的碳纤维相较于脱浆碳纤维,玻璃化转变温度从未处理的214℃提升至223℃,损耗因子从未处理的0.38下降到0.33,所制备的复合材料弯曲强度提升了12.0%,层间剪切强度提升了11.1%,证明溶液型上浆剂的使用提升了纤维与树脂间的界面性能。综上,溶液型上浆剂的使用能够提升碳纤维的表面活性,进而提升复合材料的弯曲强度、界面剪切强度,且提升效果优于市售常见环氧上浆剂,加工方便,有着广阔的市场应用前景。     

碳纤维上浆剂及其对复合材料界面性能的影响研究进展

首先介绍了碳纤维上浆剂的作用及分类,将上浆剂主要分为溶液型、乳液型、水溶型3类并指出了各自的特点。然后综述了上浆剂的制备及其与环氧树脂、聚丙烯、聚醚酮类树脂、聚醚砜、聚偏氟乙烯、聚酰胺等树脂基体的匹配情况,着重介绍了上浆剂对复合材料界面性能的影响。最后指出高性能化、多功能化、进一步细分化将是碳纤维上浆剂未来发展的重点。     

热塑性碳纤维上浆剂的研究进展

碳纤维增强热塑性树脂基复合材料具有优异的韧性和抗冲击性能,以及预浸料无贮存时间限制、成型周期短、易回收再利用等诸多优势,在军、民用领域具有巨大的应用前景。界面是决定复合材料综合性能的关键因素之一,热塑性上浆剂是目前制约碳纤维热塑性复合材料成型和使役性能的关键瓶颈。总结了碳纤维与热塑性树脂基体的界面作用机理,介绍了热塑性碳纤维上浆剂的作用、类型、制备方法及性能。     

碳纤维上浆改性及其增强聚合物材料研究进展

介绍了针对不同树脂基体制备碳纤维(CF)上浆剂的方法,并探讨CF上浆改性对CF增强聚合物基复合材料(CFRPC)界面性能及力学性能的影响。根据不同树脂基体类型综述了CF表面上浆后增强环氧树脂、聚酰胺、聚碳酸酯、聚醚砜及聚酰亚胺等聚合物材料的力学性能和界面粘结强度的变化情况。最后指出,针对不同树脂基体开发专用上浆剂,在CF生产过程中采用专用上浆剂对CF进行上浆处理,以实现CF生产完成后即可制备界面性能和力学性能优异的CFRPC,是CF上浆改性研究的未来发展方向。     

碳纤维用水性乳液上浆剂的研究现状

简述了碳纤维用水性乳液上浆剂的制备、应用和性能表征手段的研究现状.介绍了相似相容和界面层理论在上浆剂主剂树脂选择方面的应用,说明了乳化剂、固化剂和纳米材料等原料的添加对上浆剂性能的影响,阐述了上浆剂乳液制备中自乳化法和相转乳化法的选择方法,以及表面处理和上浆处理工艺及工艺参数的优化方法.总结了应用于上浆剂乳液、上浆纤维...     

上浆剂类型对碳纤维/乙烯基酯树脂复合材料性能影响

本文研究了乙烯基酯树脂固化工艺,并根据固化工艺制备出不同上浆剂的碳纤维/乙烯基酯树脂复合材料,并对复合材料进行了力学性能和热稳定性能测试,结果表明水性聚氨酯上浆剂碳纤维较水性环氧上浆剂碳纤维制备的碳纤维/乙烯基酯树脂复合材料拉伸强度提升了16%,弯曲强度提高10%,层间剪切强度提高19%,并采用扫描电镜(SEM)分析了两种上浆剂碳纤维制备的碳纤维/乙烯基酯树脂复合材料的层间剪切断面的表面形态,发现聚氨酯上浆剂的碳纤维能够与乙烯基酯树脂有更好的界面结合性能。     

碳纤维表面处理对碳纤维/聚丙烯复合材料界面结合性能的影响

研究了电化学氧化、环氧上浆处理对碳纤维/聚丙烯(CF/PP)复合材料界面结合性能的影响,首先通过AFM、XPS等测试不同碳纤维的表面形貌和化学性质,然后借助微球脱粘实验考察对比不同CF/PP的界面剪切强度(IFSS)。结果显示高温碳化后的碳纤维表面呈惰性,复合材料IFSS仅有3.76 MPa;经过电化学氧化处理,表面粗糙度增大,羟基和羧基基团增多,IFSS增加到4.85 MPa;上浆处理后,表面引入活性的环氧基团,IFSS进一步增加到5.51 MPa,同时界面均匀性也有所改善。根据结果分析,碳纤维表面性质改变引起的界面区域机械锁合、范德华力以及分子链缠结作用增加是界面性能提升的主要原因。但与相容剂相比,传统碳纤维表面处理对CF/PP界面改善效果相对较弱,开发更加有效的改性方法十分必要。     

碳纤维热塑性树脂上浆剂及其对复合材料界面的影响

研究一种适用于碳纤维增强热塑性树脂的水性乳液上浆剂。考察了上浆剂的粒度、浸润性、贮存稳定性、耐酸碱稳定性、热稳定性以及上浆后碳纤维的毛丝率;并通过实验对上浆处理前后碳纤维表面形貌的观察和单丝界面剪切强度的分析。结果表明,聚氨酯质量分数为1%和乳化剂质量分数为0.8%的上浆剂,粒径小、分散均匀和具有良好的稳定性,经上浆处理后的碳纤维与树脂基体的界面剪切强度从40.2 MPa提高到了51.9 MPa。     

碳纤维研究领域技术制高点-上浆剂

综述并分析了聚丙烯腈基碳纤维用上浆剂种类、制备方法和上浆工艺以及上浆剂对复合材料层间剪切强度、弯曲强度和耐湿热性能影响的重要性。指出碳纤维上浆剂研发的滞后已成为制约我国碳纤维进一步发展的重要因素,尽快开展系列碳纤维专用上浆剂的研制是解决国产碳纤维应用工艺性能问题的有效途径。     

阳极氧化及上浆过程中PAN基碳纤维表面形态结构的演变

采用阳极氧化法对PAN基碳纤维的表面进行改性,然后使用上浆剂对纤维表面进行上浆处理。使用扫描电镜、原子力显微镜、X射线光电子能谱仪等分析了处理过程中碳纤维表面形态结构的变化,研究了阳极氧化及上浆处理对碳纤维的拉伸强度及其与环氧树脂间界面剪切强度(IFSS)的影响。结果表明:阳极氧化处理后,碳纤维表面平均粗糙度从48.0 nm增大到90.5 nm,而上浆后碳纤维平均粗糙度下降到32.3nm;经阳极氧化处理后,碳纤维表面碳(C)元素含量降低,氧(O)、氮(N)元素含量增加,—OH基团含量由14.43%增加到39.32%,而上浆后纤维表面—OH基团含量变化不大;在阳极氧化过程中随着氧化程度的提高,碳纤维的拉伸强度逐渐降低,但其IFSS逐渐升高;上浆对碳纤维拉伸强度影响不大,但上浆剂中较高的活性基团使得其IFSS进一步提高。