李　阳1,?2　温月芳1　杨永岗1　刘　朗1

(1.中国科学院山西煤炭化学研究所炭材料重点实验室,山西太原　030001;?2.中国科学院研究生院,北京　100039)

摘要: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{zj0},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1?887,毛丝量为0.?14?mg,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.?26?GPa。

关键词:聚丙烯腈纤维　碳纤维　环氧树脂　性能　界面剪切强度

中图分类号:TQ342.?742　文献识别码:A　文章编号:1001-0041(2009)02-0001-03

碳纤维复合材料具有质量轻、强度高、模量高?等一系列优异性能,在航空、建筑、体育等多个领?域都得到广泛应用[1,?2]。而碳纤维性能对复合材?料的制品质量有决定性的影响。表面处理后的碳?纤维伸长变形能力小(小于2%?)且显脆性,在加?工过程中,会造成碳纤维起毛、单丝断裂等现象,?碳纤维的强度降低[2,?3]。毛丝的存在使基体树脂?不能充分润湿碳纤维,在复合材料中易产生孔隙,?影响复合材料的力学性能。另外,毛丝还会对工?作环境产生影响[4]。表面处理后碳纤维表面能?增加,易吸附空气中杂质和水分,使表面活性基团?失活[5]。因此必须对碳纤维进行上浆处理。上?浆剂是国外各个生产碳纤维公司的技术特色,其?配方极为保密,文献报道极少。国内近几年对制?备国产碳纤维的需求愈来愈高。作者对环氧树脂?上浆剂进行复合、改性,制备新型环氧树脂上浆?剂,通过对国产碳纤维上浆,改善碳纤维的耐水?性、耐磨性、毛丝量等性能。

1　实验

1.1　原料

聚丙烯腈基碳纤维(PANCF):自制,线密度?600?dtex,体密度1.?183?g/cm3,断裂强度3.?82?GPa,模量245?GPa,直径7.?0μm;环氧树脂:国都?化工(昆山)有限公司产;牌号KD-213,固态,?150℃熔融粘度3~7?Pa·s,软化点88~98℃;牌?号YD-128,液态,?150℃熔融粘度11.?5?~13.?5?Pa·s,水解氯88%?~98%,密度1.?17?g/cm3。油?酸酰胺:青岛中塑经济发展有限公司产;助剂:高?级脂肪酸酯型润湿剂、有机硅型流平剂、JFC系渗?透剂等,南京威尔化工有限公司产。

1.2　试样制备

1.?2.?1　复合环氧树脂制备

(1)将KD-213和YD-128环氧树脂按质量比?0.?7：1.?0混合溶解于丙酮溶剂中,配置成一定浓?度的溶液,即为复合环氧树脂。

(2)将油酸酰胺与YD-128环氧树脂在80~?90℃温度下,反应1?h,制备脂肪族环氧酰胺,再?与复合环氧树脂均匀混合,按照配比分别加入助?剂,得到改性复合环氧树脂溶液上浆剂,即为改性?环氧树脂。

1.?2.?2　PANCF上浆

未上浆的PANCF由导向辊进入上浆槽中浸?润上浆,经压浆辊轧浸,再经过导向辊进入干燥炉?内烘干,{zh1}经过导辊卷绕,用防水薄膜密封,完?成上浆过程,上浆率控制在0.?95%?~1.?05%。

1.3　测试

耐磨性:纤维耐磨性实验装置参见文献[6],?每个试样平行测定20次,取其平均值。

毛丝量:按照日本专利[7]提出的方法测试纤?维毛丝量。纤维以0.?5?m/min的速度匀速通过2?枚聚氨酯(PU)软泡(40?mm×10?mm),软泡?200?g,计算在10?min内的软泡前后的质量差,即?为纤维毛丝量。每个试样测定10次,取其平?均值。

耐水性:将上浆纤维在真空烘箱120℃烘干?2?h,密闭冷却后,称量纤维质量,然后置于恒温恒?湿箱中(温度45℃,相对湿度90%?),分别称量纤?维放置不同时间段的质量,计算纤维吸水率。

复合材料界面强度(IFSS):采用日本东荣?公株式会社的复合材料界面评价装置进行拉拔法?测试。将E-51环氧树脂和三乙烯四胺按1.?00：?0.?35(质量比)的比例混合,迅速滴落在单纤维表?面,该树脂小球直径控制在50~80μm。用刀片?夹具将小球从切线方向夹紧,同时向纤维施加横?向拉拔作用力(F)。通过测定纤维从树脂中拔?脱时所承受的载荷,纤维直径(d),小球的直径?(?2r),计算复合材料IFSS,计算公式如下:

IFSS?=F?/2πdr(1)

2　结果与讨论

2.?1　耐磨性

由表1可看出,上浆后纤维的耐磨性得到很?大的提高,其中KD-213树脂效果较差,其原因是?由于其高相对分子质量的固体特性,使其在纤维?表面成膜时呈现脆性状态。纤维摩擦过程中,表?面浆膜容易脱落,导致纤维耐磨性较差。复合环?氧树脂上浆剂与PANCF的表面的特性差异导致?其在纤维表面披覆差,浆膜不完整,表面粗糙,光?滑性差,在摩擦过程中易产生较大的摩擦阻力,所?以其上浆纤维耐磨性差。经改性环氧树脂上浆的?纤维耐磨性提高的原因是:?(1)酰胺基的加入,提?高了环氧树脂的柔韧性,使纤维表面浆膜具有弹?性,从而扩大了纤维的耐磨程度;?(2)助剂的加?入,降低了上浆剂的表面张力,使其能够更好的润?湿纤维,并且浆膜完整光滑,粗糙度降低,可保护?纤维不受损伤。

2.?2　毛丝量

由表2可看出,上浆后能够大幅改善纤维毛丝量多的现象,且随着上浆剂的改进,其对PAN-?CF表面毛丝的抑制作用逐渐增加。改性环氧树?脂上浆碳纤维的表面毛丝量最小,为0.?14?mg。?上浆剂在纤维表面形成具有柔韧性的、光滑的薄?膜,使纤维抱合力增加,减少毛丝形成且使毛丝伏?贴,改善纤维的后加工性能。

2.?3　耐水性

由图1可看出,经改性环氧树脂上浆剂上浆?后,PANCF的耐水性明显优于其他3种上浆剂上?浆纤维和未上浆纤维,该上浆纤维在24?h之后,?吸水率基本保持不变,且吸水率小于等于?0.?005%,说明此时纤维的吸水已经达到饱和。

2.?4　纤维表面形貌

由图2可看出,未上浆PANCF表面较光滑,?有少量平行条状沟槽,这是由于纤维经过表面处?理后,纤维表面刻蚀所形成;KD-213环氧树脂上?浆PANCF的表面有大量的微粒附着,这是由于?KD-213的高相对分子质量特性,致使其在纤维表?面因表面张力作用形成微粒状,纤维表面不光滑,?粗糙度加大;YD-128环氧树脂上浆剂上浆纤维表?面基本光滑,且有较浅的沟槽,这是由于YD-128?是小分子的粘流态物质,在纤维上铺展,形成光滑?表面,但在纤维边缘易形成上浆剂堆积;未加助剂?的改性环氧树脂上浆纤维的表面出现明显的黑?斑。酰胺基的加入有可能改善纤维的加工性能,?但是其与环氧树脂的相容性较差,在纤维表面扩散不均匀。加入降低上浆剂表面张力的润湿剂后?便可以改善该情况,如图2e所示,经其上浆后的?纤维表面光滑平整,纤维原有的沟槽消失,说明上?浆剂在纤维表面形成了完整的薄膜,既保护了纤?维表面活性官能团,又可改善纤维的后加工性能。

2.5　上浆纤维单丝复合材料IFSS

由表3可见,上浆纤维比未上浆纤维的IFSS?均有提高,其中改性环氧树脂上浆后,其单纤维复?合材料的IFSS达到{zd0}值87.?26?GPa,比未上浆?纤维提高38.?5%。表明该上浆剂能够在纤维与?基体之间起到应力传递的作用,改善纤维与基体的粘结性能,在复合材料中可充分发挥各自特性,?从而提高复合材料的力学性能。

3　结论

a.PANCF上浆后的耐磨性、毛丝量等后加?工性能得到改善,其中改性环氧树脂上浆剂的性?能{zj0},上浆后的PANCF的耐磨次数为1?887,毛?丝量为0.?14?mg,吸水率小于等于0.?005%。?b.改性环氧树脂上浆剂可将复合材料的?IFSS提高38.?5%,{zd0}达87.?26?GPa。

参　考　文　献

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5　张凤翻.国产碳纤维规模化生产及应用值得注意的几个问题?[J].高科技纤维与应用,?2005,?30(6):?1~7

6　陈海雅,郭新生.碳纤维上胶工艺及性能测试[J].天津纺织工?学院学报,?1997,?16(2):?42~46

7　Nishimura?I.?Sized?carbon?fiber?strand,?and?prepreg?containing?the?carbon?fiber

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