碳纤维上浆剂的作用、分类以及与树脂的匹配

01
引言

PAN基碳纤维目前应用最为广泛，其基本的生产工艺过程主要包括纺丝、预氧化、炭化、表面处理、上浆和深加工等，从原料到最后得到碳纤维产品，纤维要经过多次滚筒缠绕，纤维与滚筒之间相互摩擦使碳纤维表面产生毛丝，这不仅影响碳纤维的集束性，而且使碳纤维的本体强度以及碳纤维与树脂的粘结强度下降 。

02
上浆剂的作用

上浆剂是均匀覆盖在碳纤维表面的一层薄薄的树脂层，其在纤维中的质量分数为0.3%～1.2%，尽管其含量很低，但对碳纤维的性能及其编织布、预浸料的制备、复合材料的性能都有重要的作用 。

根据不同的规格，一束碳纤维中包含成千上万根碳纤维单丝，因此上浆剂的首要功能就是将大量的单丝集束成一束，防止纤维起毛松散，同时也为碳纤维布以及三维编织体提供可能；另外碳纤维在生产和编织的过程中会与多个滚轴摩擦，如果没有上浆剂层的保护，碳纤维单丝很容易断裂，从而使纤维本体的强度降低 。

碳纤维表面是惰性的类石墨结构，虽然这样的结构使其具有良好的耐腐蚀性，但同时也使得纤维与树脂之间的浸润性降低。因此上浆剂的存在能有效地使碳纤维被树脂充分浸润，减少预浸料中的空气含量，降低复合材料的孔隙率。

目前广泛用于表征复合材料界面性能的两个参数分别为界面剪切强度(IFSS)和层间剪切强度(ILSS)。但还没有一个统一的理论用于对复合材料界面性能的分析。有两种理论目前被广泛接受：一是“桥连”理论，即提高两相之间的分子间作用力；二是能量耗散理论，即通过使裂纹偏转的方式防止复合材料直接分层断裂。上浆剂处于碳纤维与树脂之间的过渡层。

因此根据这两种理论，一是通过分子设计提高上浆剂与碳纤维表面、上浆剂与树脂之间的分子间作用( 范德华力、氢键、化学键) 来提高复合材料的界面强度；二是通过上浆剂分子间交联或在上浆剂中添加纳米增强体，使上浆剂层的模量提高，当裂纹由树脂向纤维表面扩展时受到高模量上浆剂层的阻力而使裂纹偏转，起到能量耗散的作用，从而使复合材料的界面性能提高。

03
上浆剂的分类

上浆剂的主要成分为树脂，根据树脂的分散状态，上浆剂可以分为溶液型、乳液型和水溶型。

溶液型上浆剂是通过将环氧树脂、聚丙烯酸酯、聚氨酯等溶于乙醇、丙酮等有机溶剂中配制而成，通过溶剂的挥发在碳纤维表面包覆一层薄薄的树脂，起到保护碳纤维和增加纤维与树脂基体相互粘合的作用。溶液型上浆剂需要使用大量有机溶剂，成本相对较高，而且大量溶剂的挥发对于人体健康和工作环境具有非常严重的危害，因此溶液型上浆剂目前已较少使用 。

乳液型上浆剂的主要成分为各种树脂，在乳化剂的辅助作用下经高速搅拌而成。它不仅环境友好，而且由于乳化剂的存在，乳液的表面张力小，对纤维的浸润性好，因此该类上浆剂得到了广泛的应用。但这种上浆剂也存在缺点， 由于需要使用大量的乳化剂，其本质也是一种表面活性剂， 故使碳纤维表面容易吸附水分；另外，低分子量的表面活性剂也会影响纤维与树脂之间的粘结性。

水溶型上浆剂是乳液型上浆剂的改进，通过向树脂中引入亲水性基团或将官能团离子化使其具有自乳化能力，从而避免乳化剂的使用。然而目前具有水溶性的树脂较少， 而且相对于乳液型上浆剂，其乳液的稳定性较差，这些都是水溶型上浆剂有待解决的问题。

04
上浆剂与不同树脂基体的匹配

1.环氧树脂基体（EP）

上浆剂主要成分为聚苯醚酮(PPEK)／含有二氮杂萘酮的二胺，其状态为乳液，界面剪切强度(IFSS)可提高15.48%。另一种上浆剂的主要成分为经十二胺改性的EP，其状态为乳液，上浆后碳纤维的耐磨性提高172.8%，复合材料的层间剪切强度(ILSS)提高29.16%。

2. 聚酰胺（PA）66基体

适用于PA66的上浆剂主要成分包括聚氨酯(PUR)、聚酰胺(PA)、聚酰亚胺(PI)、苯氧树脂(PHE)、EP／PHE，上浆后碳纤维的耐磨性提高172.8%，复合材料的 ILSS 提高 29.16%。其中PUR和PA上浆的碳纤维增强PA66复合材料具有最高的冲击强度、储能模量和界面粘结性能。

3.聚酰胺（PA）6基体

适用于PA6的上浆剂主要成分为EP，其溶于环己酮(CYC)／四氢呋喃(THF)的溶液，复合材料的拉伸强度提高提 25%、纵向弯曲强度提高 11%、压缩强度提高 31%。

4.乙烯基酯树脂(VER)基体

适用于VER的上浆剂主要成分为聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，其状态为水溶液，复合材料的拉伸强度提高提25%、纵向弯曲强度提高11%、压缩强度提高31%。

5.聚醚砜(PES)基体

适用于PES的上浆剂主要成分为PES，其状态为乳液，碳纤维表面的含氧官能团含量、表面自由能、润湿性都明显增加，ILSS提高26%。

6.PP／PP-g-MAH基体

适用于PP／PP-g-MAH的上浆剂主要成分为乙烯–丙烯酸甲酯–甲基丙烯酸缩水甘油酯三元无规共聚物(E–MA–GMA)，其状态为E–MA–GMA的甲苯溶液，可使IFSS提高157%、弯曲强度提高139.3%、冲击强度提高233.9%、拉伸强度提高126.1%。

7.聚醚醚酮(PEEK)基体

适用于PEEK的上浆剂主要成分为聚醚酮酮(PEKK)，其状态为乳液，显著提高碳纤维与树脂之间的相互作用以及复合材料的抗煤油性。以PEKK的二氯甲烷(DMC)溶液作为PEEK的上浆剂可使ILSS提高70%，弯曲强度提高37%，弯曲弹性模量提高48%。

8.聚酞酮醚酮(PPhEK)基体

适用于PPhEK的上浆剂为PPhEK的N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶液，IFSS由30.51MPa 提高到51.49MPa。

9.聚氨酯(PUR)基体

适用于PUR的上浆剂主要成分为PUR，可使碳纤维单丝的拉伸强度由2.5GPa提高到3.5GPa，IFSS由47 MPa 提高到61 MPa。

10.聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)基体

适用于PBT的上浆剂主要成分为PUR，可使纤维表面与去离子水的接触角由55°下降到37°，复合材料的拉伸强度由125 MPa 提高到133 MPa。

11.丙烯腈–丁二烯–苯乙烯塑料(ABS)基体

适用于ABS的上浆剂主要成分为N-苯基马来酰亚胺–马来酸酐–苯乙烯三元共聚物(NSM)／ABS，其状态为乳液，可使ILSS提高26.6%。

05
展望

全球碳纤维上浆剂的发展，随着“以塑代钢”浪潮的进一步推进，碳纤维复合材料的应用环境将会变得越来越复杂和多样化。不同的应用环境对上浆剂提出了不同的要求，如耐温性、电磁屏蔽性、透波性、耐腐蚀性等，因此上浆剂必然会朝着高性能化、多功能化、针对具体树脂和具体应用环境的进一步细分化方向发展。

文章来源：于广, 魏化震, 李大勇,等. 碳纤维上浆剂及其对复合材料界面性能的影响研究进展[J]. 工程塑料应用, 2019, 47(02):143-147.