【原】上浆剂提高碳纤维复合材料界面性能

碳纤维复合材料因具有轻量化、高强度、高模量和耐腐蚀等特性，被广泛应用于航空航天、风电设备、新能源等前沿领域。界面作为纤维和树脂间产生的新相，是二者性能传递的纽带，可防止应力集中，同时赋予复合材料优异的拉伸强度、耐冲击性和耐热性，研究复合材料界面问题具有重要意义。然而，碳纤维（CF）表面光滑，呈化学惰性、表面能低，使碳纤维复合材料受力时纤维易与基体分离，表现出较差的界面性能。因此，如何提高碳纤维与树脂的粘接性能成为研究热点。

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为解决上述问题，人们围绕界面增强机理、改性手段、生产工艺等对碳纤维及其表面进行了大量研究。目前，常见界面改性方法包括：气相氧化、液相氧化、偶联剂、上浆/涂层、等离子体处理、原位自组装、能量处理、化学接枝等。其中，上浆剂改性可在不损害纤维单丝拉伸强度的情况下，提高界面相容性，提升复合材料界面粘接性能。早在1993年，Harris就已经开始尝试分析上浆剂对碳纤维表面的影响。

根据树脂基的分散状态，上浆剂可分为溶液型、乳液型和水溶性。

在《化工与医药工程》中，王臣辉博士选取多种碳纤维增强树脂体系，就近期国内外碳纤维上浆剂对复合材料界面性能的影响研究进展情况进行总结。

在碳纤维增强树脂基复合材料的发展过程中，环氧树脂、聚酯树脂、双马来酰胺树脂等热固性聚合物，聚酰胺树脂、聚醚醚酮树脂等热塑性聚合物起到了重要作用，碳纤维为主要的承力结构，界面直接进行基体和增强体之间的荷载传递及分散，决定了复合材料的抗拉强度。

碳纤维增强环氧树脂体系

在该体系中，上浆剂的主要成分为与基体相似的环氧树脂。Liu等选取聚乙二醇和马来酸酐对环氧树脂进行改性，制备出磺化水性环氧上浆剂，其中磺酸基团有助于提高上浆剂的极性，环氧基团增强了CF对基体的润湿作用。上浆后，界面剪切强度（IFSS）增至59 MPa，与未上浆相比增加了20%。Wu等先用多巴胺修饰碳纤维表面，再与环氧树脂结合，制备出复合涂层，其IFSS相较于改性前提高了32%。Yuan等研究了上浆剂的粒径分布（PSD）对碳纤维界面粘接的影响。研究表明，随着乳液粒径的减小，O/C比和活性碳原子含量均增大,碳纤维/环氧树脂复合材料的层间剪切强度（ILSS）提升，这主要是因为小粒径有利于润湿和界面粘接力的传递，多峰PSD乳液能够有针对性地填充到纤维表面的缺陷处，提高填充效率。

碳纤维增强乙烯基树脂体系

该体系通常选择含不饱和结构的树脂作为上浆剂。Liu等合成了一种丙烯酸酯类不饱和上浆剂（DMHM），使用该上浆剂的碳纤维/乙烯基树脂复合材料，与未上浆相比，IFSS和ILSS分别提高了97%和66%。分子动力学模拟证实，强极性上浆剂分子与CF表面形成了较好的界面粘接，同时DMHM与乙烯基树脂表现出较好的相容性，因此，DMHM上浆改性碳纤维/乙烯基树脂IFSS高达62 MPa。物理互锁和化学键共同作用，对提高复合材料界面性能效果显著，Wang等将乙烯基聚倍半硅氧烷（乙烯基POSS）作为主成分上浆，在碳纤维表面形成三维笼状结构，树脂进入笼中后与乙烯基POSS形成物理交联。乙烯基POSS含量为1.2%的碳纤维增强乙烯基树脂复合材料IFSS达到了97 MPa，是未改性的两倍。

碳纤维增强聚醚醚酮（PEEK）体系

PEEK体系用上浆剂可以是PEEK基体本身。Yang等制备了一种PEEK可溶性前体，结晶后，在碳纤维表面形成覆盖膜，所得复合材料的IFSS高达83 MPa。与PEEK相容性较好的聚酰亚胺（PI）、聚醚酰亚胺（PEI）、聚醚酮酮（PEKK）等也可作为上浆剂。Hassan等向碳纤维表面引入PEKK界面层，通过PEKK与活性碳纤维形成氢键，以及PEKK和PEEK之间良好的相容性，改善复合材料的界面性能，改性后其ILSS提高了70%。

其他

针对聚酰亚胺基、聚酯基、聚醚砜基等树脂基复合材料，有许多相应的上浆剂被报道。Lu等通过原位聚合法得到超支化聚酯（HBPE）并将其覆盖在碳纤维表面，HBPE上浆后的碳纤维/聚酰胺复合材料ILSS为78 MPa，与未上浆相比提高了46%。Yuan等制备了一种聚酰胺酸纳米有机乳液上浆剂，上浆改性后的碳纤维/聚醚砜复合材料IFSS从34 MPa上升至50 MPa。

界面作为碳纤维和树脂之间形成的新相，是影响复合材料性能的关键因素。在CF表面改性或修饰环节，上浆剂备受重视。本文列举了主要树脂基复合材料中上浆剂的改性效果及增强机理，未来界面机理研究和上浆剂制备工艺优化仍是关注重点。

来源：

王臣辉.碳纤维上浆剂对复合材料界面性能的影响研究进展[J].化工与医药程, 2023, 44(02): 1-7.