制備熱塑性碳纖維，業(yè)界常用這4種上漿劑
制備熱塑性碳纖維復(fù)合材料，需要解決碳纖維與熱塑性樹(shù)脂界面結(jié)合強(qiáng)度的問(wèn)題，才能保證后續(xù)的浸潤(rùn)嚙合效果更到位。上漿劑是其中調(diào)和的重要方式，不過(guò)不同的熱塑性基體材料具備的物理和化學(xué)性質(zhì)各異，因此需要經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)尋找到符合使用需求的不同種類的上漿劑。
而為了提高上漿劑與熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料的匹配性，業(yè)界針對(duì)不同熱塑性樹(shù)脂開(kāi)展了大量新型上漿劑的研究，希望促使上漿劑與熱塑性樹(shù)脂具有相近的結(jié)構(gòu)和較強(qiáng)的相互作用。經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)，對(duì)比數(shù)據(jù)和效果后，發(fā)現(xiàn)以下的4種上漿劑較為適用，分別為聚酰胺（PA）、聚氨酯（PU）、聚芳醚類和聚酰亞胺（PI）。
1、聚酰胺（PA）上漿劑
聚酰胺（PA），又稱為尼龍，具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、耐磨性和力學(xué)性能，常被用于特種纖維、工程塑料、熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料基體樹(shù)脂等領(lǐng)域。PA作為熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料基體樹(shù)脂已被廣泛使用，因此選用PA作為上漿劑漿料成分有利于提高熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料的界面匹配性。
將改性PA溶解在多元醇中制備了溶劑型上漿劑，并對(duì)去漿的T300級(jí)CF進(jìn)行上漿處理，制備了CF/PA66復(fù)合材料，并利用上漿劑與基體樹(shù)脂間良好的相容性，使上漿劑與尼龍66基體樹(shù)脂形成了化學(xué)鍵和物理吸附的協(xié)同作用，成功將復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度分別提高了40.87%和43.59%。
此方法需使用較多有機(jī)溶劑，嚴(yán)重威脅環(huán)境和生產(chǎn)安全，且烘干溶劑的能耗較大。因此PA上漿劑的研發(fā)重點(diǎn)逐漸向更加環(huán)保的水基上漿劑體系傾斜。其中利用表面活性劑獲得穩(wěn)定分散的PA乳液及通過(guò)親水改性制備PA水溶液上漿劑是目前較為成熟的途徑。
2、聚氨酯（PU）上漿劑
聚氨酯（PU）因獨(dú)特的化學(xué)結(jié)構(gòu)而與多種熱塑性樹(shù)脂間具有良好的匹配性和結(jié)合力，在作為上漿劑時(shí)適用性廣泛。利用氨酯結(jié)構(gòu)與碳酸酯結(jié)構(gòu)在多方面的相似性和匹配性，將PU作為上漿劑，利用溶劑法對(duì)碳纖維（CF）/熱塑性聚碳酸酯（PC）復(fù)合材料中的纖維進(jìn)行了上漿處理。
聚氨酯（PU）上漿劑熱穩(wěn)定性良好，直到270℃時(shí)才開(kāi)始失重，以與聚碳酸酯（PC）基體中的碳酸酯結(jié)構(gòu)形成化學(xué)鍵合，使復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度從38.1MPa提升至62.9MPa，提升了65%。
但隨著人們對(duì)環(huán)境問(wèn)題重視程度的提高，溶劑型PU上漿劑正逐步被水性上漿劑體系取代，乳液分散法是PU水性上漿劑的常用制備方法之一。水性乳液PU上漿劑可在常溫干燥條件下可儲(chǔ)存6個(gè)月，耐熱溫度高達(dá)280~300℃，可使CF/PA66復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度提升至78MPa以上，提升效果更明顯。
3、聚芳醚類上漿劑
聚芳醚是包含芳香環(huán)和醚鍵的聚合物，大家熟知的聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚醚砜等都是歸屬這一類。剛性的苯環(huán)和柔性的醚鍵賦予材料優(yōu)異的力學(xué)性能和耐熱性能，并使部分體系具有結(jié)晶性，可在高溫和濕熱條件下連續(xù)使用，被作為高性能工程塑料和熱塑性樹(shù)脂大量應(yīng)用于航空航天、電子工業(yè)、能源醫(yī)藥等領(lǐng)域。
聚芳醚剛硬穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)在賦予其諸多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也使其難以與其他活性基團(tuán)反應(yīng)，與CF的界面結(jié)合弱。因此，對(duì)聚芳醚體系進(jìn)行改性并制備上漿劑，強(qiáng)化其與CF和熱塑性基體的結(jié)合力成為了優(yōu)先需要解決的難題，強(qiáng)酸處理是向聚芳醚分子中引入活性基團(tuán)的有效方法。
采用磺化處理的方法將硫磺酸鈉結(jié)構(gòu)(−SO3Na)引入到了PEEK體系中制備了上漿劑，磺酸基可與纖維表面的基團(tuán)產(chǎn)生氫鍵結(jié)合，且上漿劑與PEEK基體相似相容，使基體樹(shù)脂容易浸潤(rùn)滲透CF，復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度達(dá)到78.2MPa。
另外使用與聚醚砜（PES）結(jié)構(gòu)類似的二元胺改性氧化石墨烯(GO)，并與聚醚砜（PES）溶液制備了溶劑型雜化上漿劑，在引入活性氨基的同時(shí)提高了體系的熱穩(wěn)定性。上漿劑、GO、CF和PES基體之間可以通過(guò)化學(xué)鍵合、氫鍵、極性吸引、范德華作用、機(jī)械嚙合等多種方式實(shí)現(xiàn)緊密結(jié)合，使CF/PES復(fù)合材料間的界面性能提升了74.1%。
4、聚酰亞胺（PI）上漿劑
PI是分子主鏈中含有酰亞胺環(huán)的高分子材料，其鏈段剛性大、力學(xué)性能優(yōu)異，是耐溫等級(jí)最高的聚合物材料之一，已廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事裝備、電子通信等領(lǐng)域。其中含有柔性醚鍵的聚醚酰亞胺(PEI)上漿劑憑借優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、更優(yōu)的柔韌性、更好的溶解性及與熱塑性樹(shù)脂更好的相容性，成為了近年來(lái)耐高溫上漿劑領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。
PI上漿劑的耐溫等級(jí)較高，滿足高性能熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料(如CF/PES、CF/PEEK復(fù)合材料等)的成型和使用條件。但與聚芳醚型上漿劑類似，剛硬而穩(wěn)定的分子結(jié)構(gòu)使PI上漿劑與CF的結(jié)合能力低，加工性較差，因此需要經(jīng)過(guò)化學(xué)手段進(jìn)行改性處理。
對(duì)PI上漿劑進(jìn)行了納米粒子改性，將多壁碳納米管(MWCNT)分散到PEI的二氯甲烷溶液中，用溶劑法對(duì)T300級(jí)CF織物進(jìn)行了表面處理。研究發(fā)現(xiàn)，混合上漿劑中的MWCNT可有效引入大量活性基團(tuán)，并可均勻覆蓋于纖維表面。上漿后PEI中的酰亞胺環(huán)可與MWCNT表面的羥基、羧基形成極性作用和氫鍵，與PEEK基體樹(shù)脂間形成芳香環(huán)的π-π密堆作用，MWCNT可有效阻礙裂紋擴(kuò)展，最終使復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度達(dá)到90.7MPa。
嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，聚酰胺（PA）、聚氨酯（PU）、聚芳醚類和聚酰亞胺（PI）其實(shí)是4個(gè)類別的上漿劑，是針對(duì)不同熱塑性樹(shù)脂而劃定的4種不同體系的上漿劑方向。這些上漿劑體系在使用時(shí)，通常會(huì)進(jìn)行各種改性的操作，才能有效提高熱塑性碳纖維復(fù)合材料的性能數(shù)據(jù)，同時(shí)還要考慮實(shí)驗(yàn)過(guò)程中是否會(huì)對(duì)環(huán)境造成較大的負(fù)面影響。為了找到最優(yōu)解，國(guó)內(nèi)外很多專家學(xué)者都在為之努力，以期找到最合適的方案。
