纺丝工艺对T700级碳纤维及其复合材料性能的影响

采用同种上浆剂对不同纺丝工艺国产T700级碳纤维进行上浆，测试分析了不同纺丝工艺碳纤维的表观性能、接触角、展纱性、毛丝量及硬挺度，并对两种纺丝工艺碳纤维制备的复合材料的力学性能进行了测试分析。结果表明：干喷湿纺碳纤维的表面光滑，截面形状基本为圆形，湿纺碳纤维的表面有沟槽，截面形状大部分为近圆形或椭圆形，少量为腰形；干喷湿纺碳纤维在耐磨性、集束性和硬挺度方面均优于湿纺碳纤维，而湿纺碳纤维的展纱性及浸润性优于干喷湿纺碳纤维；干喷湿纺碳纤维制备的复合材料的层间剪切强度比湿纺碳纤维的高12%，干喷湿纺碳纤维制备的NOL环的拉伸强度及强度转化率也高于湿纺碳纤维的。     

环氧型碳纤维上浆剂的制备与表征

本文成功制备了一种环氧型碳纤维上浆剂。以聚乙二醇6000(PEG6000),聚乙二醇400(PEG400)和环氧树脂E51为原料,成功备出两种具有不同亲水亲油平衡(HLB)值的乳化剂PEG6000-E51-PEG6000和PEG400-E51,使用红外光谱分析仪及核磁共振波谱仪对其结构进行了表征。然后将两种不同HLB值的乳化剂按一定比例复配对环氧树脂进行乳化,通过调节乳化剂的含量和乳化机的转速,最终确定出PEG6000-E51-PEG6000和PEG400-E51两种乳化剂质量复配比为7∶1,乳化剂用量为40%,乳化转速为7 000 r/min制备出的上浆剂粒径和稳定性最好;对自制上浆剂和使用自制上浆剂上浆后的碳纤维进行热稳定性、毛丝量、扫描电子显微镜(SEM)和层间剪切强度等一系列测试,证明自制上浆剂的热稳定性良好,成功上浆后的碳纤维比未上浆的碳纤维的集束性明显提高,且单丝的层间剪切强度也提升了25%。     

两种碳纤维上浆剂的比较

测试并比较了某国产上浆剂和进口上浆剂的黏度、表面张力、粒径等性能,研究了两种碳纤维上浆剂对聚丙烯腈基碳纤维表面形貌、耐磨性、水接触角、表面能、拉伸强度等性能的影响。结果表明,国产上浆剂固含量高、黏度高、粒径小,进口上浆剂黏度低、表面张力小、粒径分布窄。采用国产上浆剂上浆后的碳纤维,接触角为56.701°,毛丝量为0.15 mg/m,表面能为41.32 mJ/m²,耐磨次数为447次,拉伸强度为2.86 GPa;采用进口上浆剂上浆后的碳纤维表面光滑,接触角为51.063°,毛丝量为0.08 mg/m,表面能为47.26 mJ/m²,耐磨次数为461次,拉伸强度为2.95 GPa。     

聚丙烯腈基碳纤维用环氧树脂上浆剂的比较

用两种环氧树脂上浆剂对国产聚丙烯腈基碳纤维进行上浆,测试和比较了两种环氧树脂上浆剂对聚丙烯腈(PAN)基碳纤维耐磨性、与水接触角、表面能等性能以及拉伸强度、伸长率、层间剪切强度(ILSS)等力学性能的影响。上浆剂中主体成分环氧树脂相对分子质量不是影响碳纤维层间剪切强度的决定性因素。     

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。     

碳纤维树脂基复合材料的制备及在景观设计中的应用

采用Hummers法制备氧化石墨烯，并通过上浆剂对碳纤维进行了表面修饰，制备不同处理方式的碳纤维增强环氧树脂基复合材料。结果表明：经过上浆处理后试样的后加工性能得到一定程度改善，而氧化石墨烯会在一定程度上增加碳纤维试样的粗糙度和硬挺度。经过不同处理后的碳纤维增强环氧树脂复合材料的层间剪切强度相对除浆碳纤维d-CF增强环氧树脂复合材料要大，且小尺寸氧化石墨烯上浆处理的碳纤维增强环氧树脂复合材料的层间剪切强度最大（47.50 MPa），其耐磨性为2 049次、毛丝量为4.9 mg、硬挺度为66 mm，适宜于在景观设计中应用。     

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。     

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。     

环氧树脂上浆剂对PAN基碳纤维性能的影响

分别以KD-213,YD-128环氧树脂、复合环氧树脂及油酸酰胺改性的复合环氧树脂(改性环氧树脂)为主体的上浆剂对聚丙烯腈基碳纤维(PANCF)进行上浆,对上浆纤维的加工性能、表面形貌及其界面剪切强度(IFSS)进行了研究。结果表明:上浆剂改善了PANCF的耐磨性、毛丝量、耐水性及其复合材料的IFSS。其中改性环氧树脂上浆剂为最佳,可在PANCF表面形成一层完整的柔韧性光滑薄膜,上浆后的PANCF的耐磨次数为1887,毛丝量为0.14mg,吸水率小于等于0.005%,复合材料IFSS较未上浆纤维提高38.5%,达87.26GPa。     

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。     

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。     

γ-射线辐照对碳纤维及其复合材料力学陛能的影响

以^60Co γ-射线为辐照源对碳纤维（CF）表面进行处理，利用扫描电子显微镜（SEM）观察经辐照处理后的碳纤维单丝表面及其与环氧树脂制备的复合材料试样的层间剪切断付；通过层间剪切强度比较了吸收剂量对其复合材料层间剪切强度（ILSS）的影响，并根据GB/T 3362—1982标准比较了辐照前后碳纤维复照拉伸强度的变化。结果表明：辐照处理后的碳纤维增强环氧树脂复合材料的界面明显得到改善，在一定的吸收剂量范围内能够有效地提高复合材料的ILSS，但是过大的辐照剂量和接枝率不利于复合材料的界面改性；当辐照剂量小于250kGy时，碳纤维的复丝拉伸强度有所提高。     

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。     

E51环氧树脂基碳纤维复合材料力学性能研究

以2种碳纤维为原料制成E51环氧树脂基碳纤维复合材料,研究了复合材料的力学性能,结果表明,C-1107碳纤维布增强的树脂复合材料拉伸性能明显优异,平均拉伸强度达到599.52 MPa,平均拉伸模量达到66 728.89 MPa。而A100碳纤维布增强的环氧树脂层间剪切强度稍高,平均层间剪切强度达到45.96 MPa。     

γ-射线辐照对碳纤维及其复合材料力学性能的影响

以60Coγ-射线为辐照源对碳纤维(CF)表面进行处理,利用扫描电子显微镜(SEM)观察经辐照处理后的碳纤维单丝表面及其与环氧树脂制备的复合材料试样的层间剪切断口;通过层间剪切强度比较了吸收剂量对其复合材料层间剪切强度(ILSS)的影响,并根据GB/T3362—1982标准比较了辐照前后碳纤维复丝拉伸强度的变化。结果表明:辐照处理后的碳纤维增强环氧树脂复合材料的界面明显得到改善,在一定的吸收剂量范围内能够有效地提高复合材料的ILSS,但是过大的辐照剂量和接枝率不利于复合材料的界面改性;当辐照剂量小于250kGy时,碳纤维的复丝拉伸强度有所提高。     

气候因素对T300／4211碳纤维复合材料性能的影响

本文讨论了温度，降水量和相对湿度三种气候因素对Ｔ３００／４２１１单向碳纤维复合材料层间剪切强度和弯曲性能保持率的影响，指出相对湿度对Ｔ３００／４２１１碳纤维复合材料层间剪切强度有影响，温度和降水量则对复合材料层间剪切强度和弯曲性能保持率的影响不明显。     

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%。     

碳纤维用双酚A型聚酯上浆乳液的制备

以两种双酚A聚氧乙烯醚BPA-02、BPA-06、己二酸、富马酸合成了用聚氧乙烯辛基苯酚醚-10(OP-10)封端改性的不饱和聚酯乳化剂。用此乳化剂对环氧树脂E51进行乳化,得到了性能稳定的碳纤维上浆乳液。研究了聚合物料配比、反应时间、反应温度对改性不饱和聚酯乳化剂合成的影响,同时考察了己二酸含量对上浆后碳纤维复合材料层间剪切强度的影响,发现用此上浆乳液上浆后的碳纤维复合材料的层间剪切强度达到105 MPa。     

乒乓球拍用碳纤维复合材料的改性与性能研究

在乒乓球拍用碳纤维/环氧树脂复合材料表面进行了不同含量纳米微晶纤维素涂覆的改性处理,研究了纳米微晶纤维素含量对复合材料表面形貌、单丝拉伸强度、剪切强度和弯曲性能的影响,并对断口形貌进行了观察。结果表明,硅烷化改性处理并不会对纳米微晶纤维素的形貌和尺寸产生显著改变;去除上浆剂后的碳纤维抗拉强度约为3.44GPa,剪切强度约为48.3MPa,碳纤维的弯曲强度和弯曲模量分别为418.3MPa和20.1GPa,随着AMEO-NCC含量增加,AMEO-NCC涂覆的碳纤维的单丝抗拉强度、剪切强度、弯曲强度和弯曲模量都呈现先增加而后减小的特征,在AMEO-NCC含量为质量分数0.3%时取得单丝抗拉强度最大值,且都高于去除上浆剂后的碳纤维。