上漿劑是碳纖維生產過程中的一種重要的助劑，通過上漿處理，能夠在碳纖維表面形成一層均勻的樹脂薄層。碳纖維表面的上漿劑，一般認為具有以下作用：防止碳纖維被環境中的雜質，如塵埃等污染，保持碳纖維表面清潔；減少絲束在加工過程中與設備摩擦而造成的毛絲和損傷，對絲束起到保護作用；提高絲束的集束性，便于后續的加工處理；改善碳纖維與基體樹脂的浸潤性能，促進樹脂對碳纖維均勻的浸潤，減少復合材料的制備時間；減少碳纖維的表面惰性，提高碳纖維與基體樹脂的結合強度等。

不同的復合材料制備工藝，對上漿劑的要求是不同的。通過預浸料制備復合材料制件，是碳纖維最主要的應用工藝之一。文獻研究大多集中在上漿處理對碳纖維絲束性能以及表面性能的影響，而碳纖維上漿劑對預浸料的制備以及力學性能的影響方面的研究較少。本研究使用了3種不同的上漿劑，考察其對碳纖維絲束性能，并進一步考察其對預浸料制備以及復合材料力學性能的影響。

1 試驗部分

1.1 原料

碳纖維（HF10-12K型），江蘇恒神股份有限公司，其拉伸強度為3850MPa，拉伸模量為230GPa，斷裂伸長率為1.6%。試驗使用了3種不同的上漿劑A、B和C，分別為江蘇恒神自制、國內某單位提供、國外某廠家提供。其具體信息如表1所示。

表 1 三種不同上漿劑的物性

1.2 試驗內容

1.2.1碳纖維上漿

使用、未上漿的HF-12K碳纖維，通過試驗用小型上漿槽對其進行上漿，分別收取3種不同上漿劑處理的碳纖維產品。所有的樣品中上漿量均控制在約1.2%（wt，質量分數，%）。

1.2.2預浸料制備

將上述3種不同上漿劑處理的碳纖維樣品與環氧樹脂EH301/固化劑DETDA樹脂體系，通過江蘇恒神股份公司的預浸料生產小線，制備成面密度為150gsm的預浸料，將預浸料制備成標準樣件進行相關力學測試。

1.3 測試與表征

1.3.1 碳纖維展紗性

使用圖 1 所示的自制裝置對碳纖維絲束的展紗性進行測定。

碳纖維樣品在牽引下通過一組不銹鋼導桿1—5，分別使用卡尺測量纖維束在導桿1和導桿5上的幅寬，分別記為W0和W1，按照式（1）對樣品測量的展紗性進行計算。每個樣品測試3次，取平均值。

1.3.2紅外光譜分析

取3種上漿劑各5g左右，105℃烘干2h至恒重，獲得的不揮發性組分使用傅里葉變換紅外分光光度計（FT-IR，NicoletNexusIs10型）對其官能團進行分析。

1.3.3碳纖維表面張力

取使用不同上漿劑的碳纖維樣品，使用動態接觸角分析儀（DCAT21型，DataPhysics公司）分別測試其在水和乙二醇中的動態接觸角，根據楊氏方程計算各自的表面自由能。

1.3.4層間剪切強度

復合材料的層間剪切強度，根據國標GB/T1450.1—2005《纖維增強塑料層間剪切強度測試方法》，使用萬能材料試驗機（日本島津公司），測定復合材料的層間剪切強度（ILSS）。

1.3.5拉伸強度

根據國標GB/T1447—2005《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》，使用萬能材料試驗機（日本島津公司），測定復合材料的拉伸強度。

2 結果與討論

2.1 FT-IR 分析

 

圖 2 為 A、B 和 C 中不揮發性組分的 FT-IR 譜圖。

如圖所示，3種上漿劑不揮發性組分的FT-IR譜圖比較相似，主要峰的位置相同，主要差別在于各峰的相對強弱。其中831cm-1處為環氧環中C-O-C健的伸縮振動峰，1036cm-1處為醚健C-O的伸縮振動峰，1509cm-1處為苯環骨架中C-C健的伸縮振動峰，1730cm-1處為C=O基的伸縮振動峰，2965~2873cm-1處為C-H健的伸縮振動峰。這與3種上漿劑均為環氧類上漿劑是相符的，其主要成分均為環氧樹脂，差別主要在于所使用的固態樹脂和液態樹脂的種類以及比例。

2.2 表面自由能分析

表2為3種不同上漿劑處理后的碳纖維的表面自由能測試結果。

如表2所示，3種上漿劑處理后，HF-10碳纖維的表面自由能分別為35.5mJ/m2、35.8mJ/m2和38.37mJ/m2。使用C上漿劑的碳纖維總表面自由能與極性分量均最高，但是從絕對值來看，與另外兩種樣品的差距并不大。纖維樣品的表面自由能越大，尤其是其極性分量越大，說明其表面的活性官能團越多，通常與樹脂基體的親和性也就越高。

2.3 展紗性能

上漿劑種類對碳纖維絲束展紗性能的影響見圖3。

由圖可見，經A、B、C這3種上漿劑上漿后的HF10-12K碳纖維，其展紗率分別為69%、54%和57%，使用A上漿劑的碳纖維展紗性相對另外兩種上漿劑更好。展紗性是評價纖維展紗率/%束越攤薄鋪開的能力，A上漿劑處理后的纖維束展紗性最高，說明其最容易分散成均勻的薄片狀，有利于制備表面平整、無縫隙的預浸料。

2.4 層間剪切強度

上漿劑種類對層壓板ILSS的影響見圖4。

由圖可見，使用3種上漿劑的碳纖維層壓板的ILSS均值分別為85.6MPa、84.9MPa和86.2MPa。雖然C上漿劑的均值最高，但是3個數據之間的最大差別不足1.5%，因此可以認為都處于同一區間范圍。這說明3種碳纖維樣品與樹脂制件的結合強度基本相當。

2.5 0°拉伸強度

上漿劑種類對層壓板0°拉伸強度的影響見圖5。

由圖可見，每組樣品全部測試數據的極值、上下四分位數值、中位數以及平均值（圖中數值）。從平均值而言，使用A上漿劑所得板材的0°拉伸強度最高，為2470MPa，B上漿劑最低，為2302MPa，兩者的相對差距為7.3%。此即上漿劑種類對預浸料層壓板拉伸性能的影響程度。

綜合考慮圖5和圖2可以發現，在碳纖維表面張力近似，碳纖維與樹脂之間的親和力也相近的情況下，碳纖維束的展紗性與最終預浸料層壓板拉伸強度之間存在正相關性，如圖6所示。這是由于展紗性越好，碳纖維絲束越容易展開成幅寬均勻的薄帶，與樹脂復合后得到的預浸料厚度均勻，無縫隙，制備成層壓板后缺陷少，因而拉伸強度更高。

3 結論

使用3種不同的上漿劑對碳纖維進行處理后，由于上漿劑種類均為環氧類，因而碳纖維的表面自由能接近，碳纖維復合材料的層間剪切強度相差不大。A上漿劑處理的碳纖維展紗性最好，層壓板的拉伸強度也最高。碳纖維絲束的展紗性與預浸料層壓板的0o拉伸強度之間存在正相關性，上漿劑對層壓板拉伸強度的影響程度約為7.3%。

作者：張淑斌，顧紅星，彭飛，黃玉東

來源：《化工新型材料》