【地坪网资讯】                      上浆剂对炭纤维表面和环氧树脂复合材料的影响
                  谌　磊１，２，温月芳１，崔荣庆１，２，杨永岗１
    （１·中国科学院山西煤炭化学研究所炭材料重点实验室，太原０３０００１；２·中国科学院研究生院，北京１０００３９）
    摘 要：采用两种上浆剂对聚丙烯腈（ＰＡＮ）基炭纤维进行表面上浆，利用扫描电子显微镜（ＳＥＭ）、原子力显微镜（ＡＦＭ）、Ｘ射线元素分析（ＸＰＳ）和反向 气相色谱（ＩＧＣ）研究了未上浆、上浆炭纤维的表面形貌、化学组成及纤维表面能，测试了未上浆和上浆炭纤维所制备复合材料的层间剪切强度（ＩＬＳＳ）并用 ＳＥＭ观察其断面形貌。结果表明，上浆后炭纤维表面变平滑，纤维表面ｎ（Ｏ）／ｎ（Ｃ）明显提高，含氧官能团（羟基、羧基）增加，炭纤维表面能降低。上浆 后，复合材料的ＩＬＬＳ有所提高。
    关键词：炭纤维　上浆剂　表面性能　界面粘结　复合材料
    中图分类号：ＴＢ３３２　　文献标识码：Ａ
    ０·引言
    炭 纤维（ＣＦ）具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀和热膨胀系数小等优异性能，被广泛用作热固性和热塑性复合材料的增强体［１］。复合材料力学性能主要 依赖纤维和树脂的性能，然而研究表明纤维树脂界面在决定复合材料性质中有重要作用，对复合材料物理化学性质和断裂有重要影响［２－４］。很多研究表明界面 粘结是获得复合材料最优性能的重要因素。粘结强度高的界面能增加复合材料的结构整体性并能有效地将载荷从基体传递到纤维，这样可得到力学强度更高的复合材 料［５］。目前已开发出多种炭纤维表面处理方法，炭纤维表面上浆是炭纤维表面处理中最后一步，上浆目的是在炭纤维和树脂基体间插入一界面层，并利用上浆剂 的性质控制纤维和基体的粘结水平。也有报道称上浆可增加纤维的浸润性，因此能保护纤维的表面反应活性［６］。国内外已有某些类型上浆剂对炭纤维表面影响的 研究，包括上浆剂对炭纤维表面形貌、浸润性和化学性质的影响［７－９］。本实验采用Ｘ射线光电子能谱（ＸＰＳ）、扫描电子显微镜（ＳＥＭ）、原子力显微镜 （ＡＦＭ）以及反向气相色谱（ＩＧＣ）对未上浆和上浆炭纤维的表面物理化学性质进行了分析，并测试炭纤维／环氧树脂（ＥＰ）复合材料的层间剪切强度并采用 ＳＥＭ观察其断面形貌，探讨上浆对炭纤维表面性质以及其复合材料界面剪切强度的影响。
    １　实验
    １．１　材料
    所 用炭纤维为Ｔ３００级，常州中简科技发展有限公司制造。上浆剂Ａ由上海有机化学研究所提供，上浆剂Ｂ由研究组自制。４，４′２－二氨基二苯甲烷四缩水甘油 环氧树脂（ＡＧ８０），由上海合成树脂研究所提供。环氧树脂固化剂二胺基二苯砜（ＤＤＳ），国药集团化学试剂有限公司制造。
    １．２　试样制备
    （１）纤维表面处理和上浆所用炭纤维是经过阳极氧化表面处理的炭纤维，首先将炭纤维水洗并干燥，然后通过质量分数为２％的上浆液，并在１１０℃干燥，最后收卷。
    （２）ＣＦ／ＥＰ复合材料的制备
    先 将ＥＰ、ＤＤＳ和丙酮按质量比为３∶１∶５混合成均相溶液，然后将未上浆、上浆炭纤维Ａ和Ｂ分别经过浸胶槽，并制成单向预浸布，然后置于室温下４８ｈ至胶 液中丙酮完全挥发。按５９．５ｍｍ×４０ｍｍ的尺寸裁剪单向预浸布，单向叠制１４～１５层并放入模具，置于热压釜中，分别于１２０℃、 ０．５ｈ，１８０℃、１ｈ及２００℃、０．５ｈ进行处理，压力保持在０．６ＭＰａ。固化后得到单向ＣＦ增强ＥＰ的平板。脱模后在切割机上切割成 １０ｍｍ×６ｍｍ×２ｍｍ的试样。
    １．３　表征
    通过以下表征手段分析未上浆炭纤维和上浆炭纤维的表面性质。采用 ＸＰＳ（ＥＳＣＡ　Ｌａｂ　２２０Ⅰ－ＸＬ型）检测纤维表面元素组成和表面官能团。采用扫描电镜（ＳＥＭ，ＪＳＭ－６３６０ＬＶ）和原子力显微镜 （ＡＦＭ，ＮａｎｏＳｃｏｐｅⅢａ）观察炭纤维表面形貌，并利用ＡＦＭ分析纤维表面区域的粗糙度。
    采用反向气相色谱（ＳＭＳ－ＩＧＣ）分析炭纤维表面能。采用纤维增强塑料层间剪切强度试验方法（ＧＢ／Ｔ　１４５０．１－２００５）测试复合材料层间的剪切强度（ＩＬＬＳ），喷金处理层间破坏剖面断口，采用扫描电子显微镜观察断口形貌。
    ２·结果与讨论
    ２．１　表面形貌
    图１为未上浆炭纤维、上浆炭纤维Ａ和Ｂ表面的ＳＥＭ图。
            
    图１（ａ）显示未上浆处理炭纤维表面有许多宽度深度不同的轴向沟槽，这是原丝成型过程中形成并遗传给炭纤维的［１０］。上浆后沟槽及其深度明显减小，并且分布也较均匀（见图１（ｂ）、（ｃ））。
    通 过未上浆炭纤维、上浆炭纤维Ａ和上浆炭纤维Ｂ表面的ＡＦＭ图（见图２），分析炭纤维上浆前后的粗糙度。由ＡＦＭ测试结果可知，未上浆炭纤维表面粗糙度平均 值Ｒａ为２１．７ｎｍ，从图２中看出，与未上浆炭纤维表面相比，上浆炭纤维Ａ的表面粗糙度明显减小。未上浆炭纤维的表面粗糙度平均值约为上浆炭纤维的２ 倍。用Ａ和Ｂ两种类型上浆剂对炭纤维上浆后，Ｒａ值从２１．７ｎｍ分别减小到９．８ｎｍ和１４．５ｎｍ。因此，对于表面有较多沟槽的炭纤维，上浆可使其表 面变光滑，粗糙度减小，同时纤维与树脂的接触点减少。