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炭纤维是一种碳含量超过90%的纤维状炭材料。它具有高比强度、高比模量、耐高温等一系列的优异性能,广泛应用于航空、航天、工业、建筑、体育等领域。但炭纤维是脆性材料,在生产加工过程中,经机械摩擦容易产生毛丝及单丝断裂现象,使炭纤维强度降低影响后加工性能。因此,必须对炭纤维进行上浆,在保护炭纤维表面的同时,可改善炭纤维增强复合材料的粘结性能。
根据工业上的不同需求,上浆剂的品种也趋于多样化,针对不同基体树脂通常需要有各自专门的上浆剂。因此,与耐热性高温树脂聚酰亚胺(PI)、聚醚醚酮(PEEK)等相适应的上浆剂不应是环氧,而多是改性的聚酰亚胺。然而,上浆剂的成份多属各公司的商业秘密,除专利文献偶有报道外很少有相关内容的文章发表,用于与耐热性高温树脂复合时的炭纤维上浆剂报道则更少。
本课题选取热塑性聚酰亚胺树脂GCPITM-L1与热固性环氧树脂618的混配物作为上浆剂主浆料,并辅以多种助剂,采用乳相转化法制备成乳液型上浆剂。通过对上浆剂乳液性能、上浆炭纤维加工性能和力学性能及其复合材料性能的考察,主要得到以下结论:
1.聚酰亚胺树脂GCPI和环氧树脂618(EP618)的复配浆料不但与炭纤维的浸润性良好,而且有优异成膜性和耐热性能。
2.上浆剂的性能可以通过添加合适的助剂来改善:混合乳化剂可改善稳定性;润湿剂可改善润湿炭纤维的性能;另外消泡剂亦可保持乳液稳定。
3.GCPI上浆的炭纤维较僵硬、毛丝多、耐磨性差、耐水性好。用EP618上浆的炭纤维较柔软、毛丝相对较少、耐磨性好、耐水性差。二者复配后,用其上浆的炭纤维,其直挺度、毛丝量、耐磨性、耐水性等均能得到改善,明显优于未上浆炭纤维。
4.上浆后炭纤维的强度较未上浆的有一定的提高,说明上浆剂对炭纤维有补强作用,但强度的大小与复合上浆剂中浆料的配比无关;上浆后复合材料的界面剪切强度较未上浆有很大提高,表明合适的上浆剂可以改善复合材料的粘结性能。当GCPI∶EP618=65∶35时,复合材料的粘结性能最佳;该复配上浆剂为耐温型上浆剂,用它处理的炭纤维在高温250℃时,有高的强度保持率;而且复合材料在350℃时的界面剪切强度保持率较高。
5.上浆剂使复合材料的界面粘结性能得到改善,从XPS分析可知主要是由于上浆后炭纤维表面氮和氧的含量增加,纤维表面的活性基团增加有利于炭纤维与基体树脂复合。而且从复合材料的断面SEM分析可知,上浆后纤维与树脂结合紧密,几乎没有孔隙,表明上浆剂作为复合材料的界面相,起到了很好的传递载荷的作用,最终表现为复合材料界面粘结强度的提高。