● 摘要
在工艺操作中为避免损伤碳纤维，通常在纤维表面涂覆一层上浆剂，厚度约几十至几百纳米。在碳纤维与树脂复合固化过程中，上浆剂将与纤维、树脂基体发生相互作用，进而对复合材料的界面性能产生重要影响。本论文即针对这一背景，对碳纤维上浆剂特性及其对碳纤维表面性能的影响、以及对碳纤维/树脂的界面作用机制进行系统研究，深化对碳纤维上浆剂作用原理的认识，以指导国产碳纤维上浆剂的研制，促进国产碳纤维的改进提高与研究应用。对两种T300级碳纤维和T700SC纤维上浆剂特性进行系统研究，对比分析了去剂和高温处理对碳纤维表面性能的影响。研究表明，上浆剂中的主要成分为环氧树脂，含量在1.1%~1.3%之间，厚度为30nm~40nm，能够提高碳纤维表面能的极性分量、降低其色散分量，同时改变纤维表面的O/C比和活性官能团含量。在树脂的固化工艺条件(150℃/2h+180℃/2h+200℃/4h)下，提取得到的上浆剂具有化学活性，其环氧基团均发生开环反应，T300B纤维上浆剂中的环氧基团能够完全反应，而CF3纤维上浆剂的环氧基团只发生部分反应，即T300B纤维上浆剂的高温活性高于CF3纤维上浆剂。同时，高温处理后再去剂T300B的表面能极性分量和活性碳原子含量有所增加，而高温处理后再去剂CF3的表面能极性分量和活性碳原子含量均降低。研究发现，对碳纤维进行热处理的温度越高，其上浆剂的提取量越少，红外分析表明，高温处理后上浆剂中的环氧基团发生反应，不能完全从纤维表面被萃取下来。通过模拟实验方法，分析了碳纤维上浆剂与树脂的界面化学反应。结果表明，上浆剂/5428双马体系中环氧基团的浓度在低于150℃时变化不大，在150℃以上迅速降低直至消失，以E51树脂模拟代替碳纤维上浆剂，证明了上浆剂中环氧基团与5428树脂中DABPA组分的羟基发生反应。从浸润和粘结两个方面研究了上浆剂对碳纤维/树脂的界面作用机制。将相互作用参数用于表征碳纤维/树脂的极性匹配和浸润性能。结果表明，碳纤维/树脂的浸润性能和两者的相互作用参数正相关关系，相互作用参数越接近于1，碳纤维/树脂的浸润性能越好。对于E51树脂，碳纤维的极性/色散比例在0.25-0.3之间时，两者的浸润性较好。统计了多种碳纤维/环氧和碳纤维/双马体系的界面粘结强度和粘附功，结果表明，碳纤维/树脂的界面粘结强度与两者粘附功呈正相关关系，粘附功越高，其界面强度越高。将“溶度参数差”用于表征碳纤维上浆剂与树脂的扩散能力，发现碳纤维与环氧树脂的溶度参数差越小，其界面粘结强度越高。研究发现，碳纤维表面的活性碳原子含量增加，有利于提高碳纤维/环氧的界面粘结强度，与碳纤维/双马界面粘结强度的相关性不明显，总体而言，O/C比在0.24-0.30之间时，有利于获得较高的界面性能。将亲水性的聚乙二醇6000链段引入到环氧E20树脂分子上制备了非离子型高分子乳化剂，并将聚四氢呋喃改性的环氧树脂合成制备成碳纤维上浆剂。该上浆剂能较好的润湿去剂CF3和去剂T300B，与初始带浆CF3和T300B相比，涂覆新上浆剂后两种碳纤维与E51树脂的浸润性均有所提高，与E51/DDS树脂的界面粘结强度分别提高了25.72%和17.8%，这验证了碳纤维/树脂浸润性和相互作用参数的正相关关系。