聚丙烯腈碳纤维用上浆剂(DOC)

聚丙烯腈碳纤维用上浆剂

上浆是碳纤维经表面处理后收绕成卷成为碳纤维成品前的最后一道工艺工序。上浆的主要作用是对碳纤维进行集束，类似黏合剂使碳纤维聚集在一起，改善工艺性能，便于加工，同时起到保护作用，减少碳纤维之间的摩擦，使其在后续收卷、包装、运输过程减少对纤维的损失。通过对碳纤维进行上浆处理，在碳纤维表面形成的聚合物层还可以起到类似偶联剂作用，改善碳纤维和树脂之间化学结合，提高复合材料的界面性能。碳纤维表面的聚合物还能改善炭纤维的浸润性能，便于树脂浸渍，减少复合材料的制备时间，提高复合材料的质量。碳纤维生产过程中不同上浆剂、上浆工艺对碳纤维力学性能、加工工艺性能和复合材料力学有着重要影响。

5.4.1 上浆剂种类

碳纤维上浆剂的品种很多，选择上浆剂需要综合考虑成膜性、对纤维的保护性能、环保性和成本等因素。在上浆剂研制生产时就需要考虑与最终增强基体树脂的相容性，为碳纤维在复合材料中发挥其高强高模特性提供基础准备。对于上浆剂主组分的选取，应根据相似相溶原理，选择与基体树脂材料类似的组分，比如环氧树脂基体选择环氧树脂系上浆剂，不饱和聚酯基体选择不饱和聚酯类上浆剂。表5.19为东丽公司碳纤维上浆剂与不同树脂相容性。

表5.19 东丽公司上浆剂类型与不同树脂的相容性

上浆剂类型相容树脂基体

1 环氧

3 环氧

4 环氧、酚醛、双马

5 通用：环氧、酚醛、聚酯、乙烯基酯

6 环氧

F 乙烯基酯、环氧

9 无上浆剂

目前工业及研究中所采用的上浆剂种类很多，通常为多官能型分子量较低的聚合物，包括含羧基或者醚键的化合物、含酰胺基或酯基的化合物、双酚类化合物、多氧化乙烯（多）苯基醚类化合物、多元醇-脂肪酸酯类、环氧树脂类以及其改性化合物、聚氨酯为主成分的改性物、聚酰亚胺及其改性化合物等。在最近的研究中，为了进一步改进碳纤维在复合材料制备过程的加工工艺性，研究人员尝试了微颗粒改性，如在常规上浆剂中加入硅酸铝、石墨、、云母、氧化铝、陶瓷等微颗粒，或者采用如碳纳米管、石墨烯、纳米二氧化硅等进行改性，获得了一定的改性效果。

在碳纤维生产工艺中，预氧化、碳化及表面处理等工艺过程世界各国的各个生产厂家差异不大, 在某种意义上，上浆剂是各个公司的技术特色。碳纤维生产厂家除了在聚丙烯腈原丝制备生产方面实行严格的技术保密外，上浆剂的配方极也成为各个厂家技术保密的重点。日本东丽公司在碳纤维行业的世界领先地位，与其根据碳纤维性能特点和应用领域特点所研发的系列特色上浆剂密不可分。

5.4.2 上浆剂的制备

碳纤维用上浆剂根据工艺实施角度可以分为溶剂型和乳液型两类。溶液型上浆剂是利用丙酮等易挥发型有机溶剂将聚氨酯、环氧树脂等有机高分子配制成一定浓度的溶液，通过溶剂的挥发干燥达到快速上浆的目的[11]。碳纤维生产中采用溶液型上浆剂具有工艺简单、控制容易、上浆均匀等优点，但由于有机溶剂易挥发性，对环境影响较大，对生产车间的防火防爆要求较高，同时由于溶剂挥发会使得树脂残留在导辊上，容易造成纤维粘附，影响碳纤维生产的同时，也会损伤纤维。溶液型上浆剂在碳纤维的大规模生产中很少使用。

乳液型上浆剂是利用乳化剂将有机高分子树脂形成水基乳液，该上浆剂可以根据需要添加或者不加交联剂。乳液型上浆剂以水作为树脂载体，具有环境影响小，上浆过程中其浓度控制容易，上浆量稳定可控的特点，适合于碳纤维大规模生产使用，但对其后续的烘干工艺要求较高。乳液型上浆剂在使用前需要专业设备进行乳化，在乳化过程中需要控制乳液的固含量、粒径大小和分布，对操作人员专业技术要求较高。乳液型上浆剂由于使用了具有亲水性的乳化剂，而乳化剂无法在上浆过程中分离去除，因此对复合材料的耐湿热性能有一定不利影响。

评价乳液型上浆剂的主要参数有固含量、粒径大小和分布、体系粘度、Zeta电位、表面张力等，其中乳液的粒径大小和分布对乳液稳定性具有决定作用。具有相同配比和平均粒径的上浆乳液, 可能会由于乳液粒径分布的差异而表现出截然不同的性质。乳液的粒径大小及其分布, 在一定程度上决定了上浆乳液的稳定性和化学反应性。配制形成的乳液粒径可以通过所形成的乳液颜色进行判断，一般来说，粒径在2.5μm以下的乳液呈现出泛蓝的透明液体。碳纤维上浆剂乳液的粒径一般在1-10μm之间, 普遍在2.5μm左右, 使得上浆过程稳定，不容易破乳。乳液粒径越小，乳液的稳定性越好，上浆均匀性也越好，但对乳化工艺要求也越高。乳液粒径太大，会影响乳液的稳定性，并且由于粒子不容易渗透到丝束之间，影响上浆的均匀性。表征乳液稳定性可以采用Zeta电位法或者离心沉淀法，其中乳液的Zeta电位可采用电泳仪进行测定，Zeta电位越高，其乳液越稳定。而离心沉淀法是将乳液在一定离心转速下进行离心分离，分离出的沉淀越少，稳定性越好。表5.20—5.23分别为乳化剂、溶剂、搅拌速

度和乳化温度对所制备乳液稳定性的影响。

表5.20 乳化剂用量对上浆乳液稳定性的影响

表5.21 乳化温度对上浆乳液稳定性的影响

表5.22 搅拌速度对上浆乳液稳定性的影响

表5.23 溶剂对上浆乳液稳定性的影响

5.4.3 上浆工艺

碳纤维生产中的上浆一般采用浸渍进行，将上浆溶液或者乳液放置与上浆槽中，通过浸渍长度控制上浆时间，并利用压辊压力调整上浆量；也可以采用旋转辊筒法将上浆剂与丝束进行接触，达到上浆的目的。上浆剂附着在纤维表面后，通常采用热空气进行干燥，去除其中的溶剂或者水份。上浆剂浓度决定了碳纤维中的上浆量，而上浆剂的粒径大小及分布、浸渍时间、纤维张力、纤维本身表面结构也会影响上浆量。表5.24为上浆剂浓度对上浆量的影响。浓度越高，上浆量也越大。有研究表明，对于一定的碳纤维及其上浆装置，上浆量只与上浆剂的浓度有关，上浆量与上浆剂浓度成正比。上浆剂浓度的控制对于碳纤维上浆至关重要。

表5.24上浆剂浓度对上浆量的影响

上浆剂浓度% 上浆量%

0.5 1.53

0.4 1.41

0.3 1.37

0.2 1.29

0.1 1.27

经过上浆后，碳纤维表面沟槽由于上浆树脂的填充而变浅。上浆量越大，对纤维沟槽的填充