上浆剂粒径：如何决定碳纤维的优劣？.docxVIP

摘要

?采用不同粒径的上浆剂，测试其粒径，并观察其稳定性；对不同种类的碳纤维进行上浆处理，测试SEM图像、展纱率、毛丝量、复丝拉伸强度、复合材料拉伸强度和层间剪切强度。结果表明：粒径在100nm以下的上浆剂稳定性最优，放置一年内粒径没有明显变化；粒径在1000nm以下的上浆剂在碳纤维表面的分布较均匀；粒径在1000nm以下上浆剂的碳纤维的展纱率一般，毛丝量较低；使用粒径在1000nm以下上浆剂的碳纤维层间剪切强度较高；使用三种粒径上浆剂的碳纤维拉伸强度相差不明显，说明拉伸强度与上浆剂的关系较小；干喷湿纺碳纤维的层间剪切强度明显低于湿纺碳纤维。

近年来，碳纤维作为先进复合材料的主要增强相发展势头迅猛，不仅在高端复合材料领域普遍应用，也逐步拓展到了一般民用市场，如风电、轻量化交通工具、光伏和氢能等领域。据统计，截止到2021年，中国碳纤维的年需求量已经突破60000吨，相比较2011年的10000吨，10年间增长了5倍。中国在不远的将来有望成为碳纤维第一消费大国。但是，这其中国产碳纤维的比例仅为四成左右，国产碳纤维的产量和质量亟需进一步提升。造成碳纤维质量优劣的影响因素很多，如聚合、纺丝、油剂、预氧化、碳化、表面处理以及上浆剂等。其中的上浆工序为碳纤维生产过程中的最后一道工序，上浆剂使碳纤维具有集束、润湿、润滑和界面连接等特殊性能，堪称碳纤维的“保护伞”，其性能优劣将直接影响碳纤维性能能否充分发挥。

碳纤维生产线应用的上浆剂均为水溶性产品，大多是通过转相乳化法将环氧树脂、?聚酯树脂、聚氨酯树脂以及聚酰胺树脂等中的一种或几种通过乳化剂和特定的乳化工艺形成的水包油液滴均匀分散在水相中的乳液产品。这类乳液产品并非稳定的溶液，而是一种动态平衡型液滴分散液。

国内对上浆剂的相关研究已经开展了多年，并形成了较多的研究成果。综合这些研究成果，上浆剂的自身性能大致可以分为外观、粒径、表面张力、?环氧值、固含量、拉伸强度和层间剪切强度等指标。其中的粒径是上浆剂最为重要的指标，依据液滴粒径的大小可以大致分为巨乳液、微乳液和纳米乳液。一般来说，巨乳液的粒径往往在1000nm以上，微乳液的粒径为100~1000nm之间，纳米乳液的粒径在100nm以下?。?乳液的粒径与上浆剂的稳定性息息相关，要求在常温下要有尽可能长的存储时间，以便于生产现场的长时间应用。?粒径作为上浆剂最为重要的指标与碳纤维性能的关联性国内尚没有专门的研究，本文将重点研究上浆剂的粒径与碳纤维性能的关系。

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实验

1.1实验材料

1.1.1?上浆剂

所使用的上浆剂均为自制，化学组分及各组分应用占比完全一致。通过改变乳化工艺生产出粒径不同的上浆剂样品，具体规格见表１。

1.1.2?碳纤维

所使用的碳纤维为江苏恒神股份有限公司同期生产的碳纤维，具体规格见表2。其中HF10A-12K为湿纺工艺的碳纤维，HF30S-12K为干喷湿纺工艺的碳纤维。

1.2实验内容

1.2.1?上浆剂的稳定性

将三种上浆剂常温放置1年，测试粒径并目测观察是否有沉淀、破乳和分层等现象，第1～30天每隔两天测试一次，第31～180天每隔一个月测试一次，存储一年后再测试一次，存储过程中如出现沉淀、破乳和分层等现象，则不再跟踪观察。

1.2.2?碳纤维的SEM图像、展纱率和毛丝量

将三种上浆剂配制成浓度为5％的水乳液，分别在HF10A-12K和HF30S-12K碳纤维生产线上，采用实验型上浆槽进行平行上浆实验，两两组合，共收取６种碳纤维样品，具体组合方式见表3。上浆量控制在1.2％～1.3％，测试碳纤维的SEM图像、展纱率和毛丝量。

1.2.3?碳纤维的复丝拉伸强度及缠绕单向板的拉伸强度和层间剪切强度

测试６种碳纤维的复丝拉伸强度，并制备成缠绕单向板，测试板材的拉伸强度和层间剪切强度。

1.3?实验方法

1.3.1?上浆剂粒径

采用ZetasizerNanoZS90型激光粒度仪测试上浆剂的粒径。

1.3.2?碳纤维SEM图像测试

采用EVO-MA10型扫描电子显微镜，分别对6种碳纤维样品表面形貌进行观察分析。

1.3.3?碳纤维展纱率测试

按照图1装置测试纤维展纱率，纤维丝束匀速通过5根交错的不锈钢棒，运行稳定后，在A、B两点在线测量纤维丝束展纱前宽度Ａ、展纱后宽度B，展纱率按(1)式计算。

1.3.4?碳纤维毛丝量测试

按照图2装置测试纤维毛丝量。?以1m/min的速度通过5根交错的不锈钢棒后，再通过2枚聚氨酯海绵（40mm×10mm），海绵上方配重200g砝码，收集并称量10min内的海绵表面集聚的毛丝质量，即为纤维毛丝量。?每个试样测