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合材料，需要解決碳纖維與熱塑性樹脂界面結合強度的問題，才能保證后續(xù)的浸潤嚙合效果更到位。上漿劑是其中調和的重要方式，不過不同的熱塑性基體材料具備的物理和化學性質各異，因此需要經(jīng)過實驗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脂基復合材料的匹配性，業(yè)界針對不同熱塑性樹脂開展了大量新型上漿劑的研究，希望促使上漿劑與熱塑性樹脂具有相近的結構和較強的相互作用。經(jīng)過大量的實驗，對比數(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)異的化學穩(wěn)定性、耐磨性和力學性能，常被用于特種纖維、工程塑料、熱塑性樹脂基復合材料基體樹脂等領域。PA作為熱塑性樹脂基復合材料基體樹脂已被廣泛使用，因此選用PA作為上漿劑漿料成分有利于提高熱塑性樹脂基復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，并對去漿的T300級CF進行上漿處理，制備了CF/PA66復合材料，并利用上漿劑與基體樹脂間良好的相容性，使上漿劑與尼龍66基體樹脂形成了化學鍵和物理吸附的協(xié)同作用，成功將復合材料拉伸強度和沖擊強度分別提高了40.87%和43.59%。

    此方法需使用較多有機溶劑，嚴重威脅環(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）因獨特的化學結構而與多種熱塑性樹脂間具有良好的匹配性和結合力，在作為上漿劑時適用性廣泛。利用氨酯結構與碳酸酯結構在多方面的相似性和匹配性，將PU作為上漿劑，利用溶劑法對碳纖維（CF）/熱塑性聚碳酸酯（PC）復合材料中的纖維進行了上漿處理。

    聚氨酯（PU）上漿劑熱穩(wěn)定性良好，直到270℃時才開始失重，以與聚碳酸酯（PC）基體中的碳酸酯結構形成化學鍵合，使復合材料層間剪切強度從38.1MPa提升至62.9MPa，提升了65%。

    但隨著人們對環(huán)境問題重視程度的提高，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存6個月，耐熱溫度高達280~300℃，可使CF/PA66復合材料的層間剪切強度提升至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)異的力學性能和耐熱性能，并使部分體系具有結晶性，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脂大量應用于航空航天、電子工業(yè)、能源醫(yī)藥等領域。

    聚芳醚剛硬穩(wěn)定的結構在賦予其諸多優(yōu)點的同時，也使其難以與其他活性基團反應，與CF的界面結合弱。因此，對聚芳醚體系進行改性并制備上漿劑，強化其與CF和熱塑性基體的結合力成為了優(yōu)先需要解決的難題，強酸處理是向聚芳醚分子中引入活性基團的有效方法。

    采用磺化處理的方法將硫磺酸鈉結構(?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產(chǎn)生氫鍵結合，且上漿劑與PEEK基體相似相容，使基體樹脂容易浸潤滲透CF，復合材料層間剪切強度達到78.2MPa。

    另外使用與聚醚砜（PES）結構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基體之間可以通過化學鍵合、氫鍵、極性吸引、范德華作用、機械嚙合等多種方式實現(xiàn)緊密結合，使CF/PES復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、力學性能優(yōu)異，是耐溫等級最高的聚合物材料之一，已廣泛應用于航空航天、軍事裝備、電子通信等領域。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脂更好的相容性，成為了近年來耐高溫上漿劑領域的研究熱點之一。

    PI上漿劑的耐溫等級較高，滿足高性能熱塑性樹脂基復合材料(如CF/PES、CF/PEEK復合材料等)的成型和使用條件。但與聚芳醚型上漿劑類似，剛硬而穩(wěn)定的分子結構使PI上漿劑與CF的結合能力低，加工性較差，因此需要經(jīng)過化學手段進行改性處理。

    對PI上漿劑進行了納米粒子改性，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T300級CF織物進行了表面處理。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，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基體樹脂間形成芳香環(huán)的π-π密堆作用，MWCNT可有效阻礙裂紋擴展，最終使復合材料的層間剪切強度達到90.7MPa。

    嚴格來說，聚酰胺（PA）、聚氨酯（PU）、聚芳醚類和聚酰亞胺（PI）其實是4個類別的上漿劑，是針對不同熱塑性樹脂而劃定的4種不同體系的上漿劑方向。這些上漿劑體系在使用時，通常會進行各種改性的操作，才能有效提高熱塑性碳纖維復合材料的性能數(shù)據(jù)，同時還要考慮實驗過程中是否會對環(huán)境造成較大的負面影響。為了找到最優(yōu)解，國內(nèi)外很多專家學者都在為之努力，以期找到最合適的方案。