2022年聚丙烯腈碳纤维用上浆剂汇总.docx

精选学习资料 - - - - - - - - - 聚丙烯腈碳纤维用上浆剂上浆是碳纤维经表面处理后收绕成卷成为碳纤维成品前的最终一道工艺工序； 上浆的主要作用是对碳纤维进行集束,类似黏合剂使碳纤维集合在一起,改善工艺性能,便于加工,同时起到爱护作用, 削减碳纤维之间的摩擦, 使其在后续收卷、包装、 运输过程削减对纤维的缺失； 通过对碳纤维进行上浆处理, 在碳纤维表面形成的聚合物层仍可以起到类似偶联剂作用, 改善碳纤维和树脂之间化学结合, 提高复合材料的界面性能； 碳纤维表面的聚合物仍能改善炭纤维的浸润性能, 便于树脂浸渍, 削减复合材料的制备时间, 提高复合材料的质量；碳纤维生产过程中不同上浆剂、 上浆工艺对碳纤维力学性能、 加工工艺性能和复合材料力学有着重要影响；5.4.1 上浆剂种类碳纤维上浆剂的品种许多, 挑选上浆剂需要综合考虑成膜性、 对纤维的爱护性能、 环保性和成本等因素； 在上浆剂研制生产时就需要考虑与最终增强基体树脂的相容性, 为碳纤维在复合材料中发挥其高强高模特性供应基础预备； 对于上浆剂主组分的选取, 应依据相像相溶原理, 挑选与基体树脂材料类似的组分, 比如环氧树脂基体挑选环氧树脂系上浆剂, 不饱和聚酯基体挑选不饱和聚酯类上浆剂；表5.19 为东丽公司碳纤维上浆剂与不同树脂相容性；表5.19 东丽公司上浆剂类型与不同树脂的相容性上浆剂类型 相容树脂基体1 环氧3 环氧4 环氧、酚醛、双马5 通用：环氧、酚醛、聚酯、乙烯基酯6 环氧F 乙烯基酯、环氧9 无上浆剂目前工业及讨论中所采纳的上浆剂种类许多, 通常为多官能型分子量较低的聚合物, 包括含羧基或者醚键的化合物、含酰胺基或酯基的化合物、双酚类化合物、多氧化乙烯（多）苯基醚类化合物、多元醇 - 脂肪酸酯类、环氧树脂类以及其改性化合物、聚氨酯为主成分的改性物、 聚酰亚胺及其改性化合物等； 在最近的讨论中, 为了进一步改进碳纤维在复合材料制备过程的加工工艺性, 讨论人员尝试了微颗粒改性, 如在常规上浆剂中加入硅酸铝、 石墨、、云母、氧化铝、陶瓷等微颗粒,或者采纳如碳纳米管、石墨烯、纳米二氧化硅等进行改性,获得了肯定的改性成效；名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 8 页精选学习资料 - - - - - - - - - 在碳纤维生产工艺中,预氧化、 碳化及表面处理等工艺过程世界各国的各个生产厂家差异不大 , 在某种意义上, 上浆剂是各个公司的技术特色； 碳纤维生产厂家除了在聚丙烯腈原丝制备生产方面实行严格的技术保密外,上浆剂的配方极也成为各个厂家技术保密的重点；日本东丽公司在碳纤维行业的世界领先位置,发的系列特色上浆剂密不行分；5.4.2 上浆剂的制备与其依据碳纤维性能特点和应用领域特点所研碳纤维用上浆剂依据工艺实施角度可以分为溶剂型和乳液型两类； 溶液型上浆剂是利用丙酮等易挥发型有机溶剂将聚氨酯、 环氧树脂等有机高分子配制成肯定浓度的溶液, 通过溶剂的挥发干燥达到快速上浆的目的 [11] ；碳纤维生产中采纳溶液型上浆剂具有工艺简洁、 掌握简洁、 上浆匀称等优点, 但由于有机溶剂易挥发性,对环境影响较大, 对生产车间的防火防爆要求较高, 同时由于溶剂挥发会使得树脂残留在导辊上, 简洁造成纤维粘附, 影响碳纤维生产的同时,也会损耗纤维；溶液型上浆剂在碳纤维的大规模生产中很少使用；乳液型上浆剂是利用乳化剂将有机高分子树脂形成水基乳液, 该上浆剂可以依据需要添加或者不加交联剂； 乳液型上浆剂以水作为树脂载体, 具有环境影响小, 上浆过程中其浓度掌握简洁, 上浆量稳固可控的特点, 适合于碳纤维大规模生产使用, 但对其后续的烘干工艺要求较高； 乳液型上浆剂在使用前需要专业设备进行乳化,含量、 粒径大小和分布, 对操作人员专业技术要求较高； 在乳化过程中需要掌握乳液的固 乳液型上浆剂由于使用了具有亲水性的乳化剂, 而乳化剂无法在上浆过程中分别去除, 因此对复合材料的耐湿热性能有肯定不利影响；评判乳液型上浆剂的主要参数有固含量、粒径大小和分布、体系粘度、 Zeta电位、表面张力等, 其中乳液的粒径大小和分布对乳液稳固性具有打算作用； 具有相同配比和平均粒径的上浆乳液 , 可能会由于乳液粒径分布的差异而表现出截然不同的性质； 乳液的粒径大小及其分布 , 在肯定程度上打算了上浆乳液的稳固性和化学反应性；配制形成的乳液粒径可以通过所形成的乳液颜色进行判定, 一般来说, 粒径在 2.5 μ m以下的乳液出现出泛蓝的透亮液体；碳纤维上浆剂乳液的粒径一般在1-10μ m之间 , 普遍在 2.5 μ m左右 , 使得上浆过程稳固,不容易破乳； 乳液粒径越小, 乳液的稳固性越好, 上浆匀称性也越好, 但对乳化工艺要求也越高；乳液粒径太大, 会影响乳液的稳固性, 并且由于粒子不简洁渗透到丝束之间, 影响上浆的均匀性；表征乳液稳固性可以采纳 Zeta电位法或者离心沉淀法,其中乳液的 Zeta电位可采纳电泳仪进行测定, Zeta电位越高,其乳液越稳固；而离心沉淀法是将乳液在肯定离心转速下进行离心分别,分别出的沉淀越少,稳固性越好；表5.20—5.23分别为乳化剂、溶剂、搅拌速名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 8 页精选学习资料 - - - - - - - - - 度和乳化温度对所制备乳液稳固性的影响；表5.20 乳化剂用量对上浆乳液稳固性的影响乳化剂用量 /% /% 4 6 8 10 12 Zeta电位 /mV 21.43 32.31 43.45 53.24 53.01 离心沉淀质量分数72.92 37.26 12.75 8.67 8.66 表5.21 乳化温度对上浆乳液稳固性的影响乳化温度 /℃/% 30 40 50 60 70 Zeta电位 /mV 27.23 44.56 53.24 30.34 20.76 离心沉淀质量分数20.23 13.68 8.67 39.12 52.56 表5.22 搅拌速度对上浆乳液稳固性的影响搅拌速度 /r/min /% 4000 6000 8000 10000 12000 Zeta电位 /mV 19.45 30.25 40.12 53.24 53.55 离心沉淀质量分数74.23 41.48 15.89 8.67 8.65 表5.23 溶剂对上浆乳液稳固性的影响溶剂/% 无丙酮丙酮苯乙烯苯乙烯与树脂用量比0 0.5 1.0 0.5 1.0 Zeta电位 /mV 21.11 47.35 47.83 53.24 53.92 离心沉淀质量分数20.26 8.75 8.69 8.67 8.56 5.4.3 上浆工艺碳纤维生产中的上浆一般采纳浸渍进行, 将上浆溶液或者乳液放置与上浆槽中, 通过浸渍长度掌握上浆时间, 并利用压辊压力调整上浆量； 也可以采纳旋转辊筒法将上浆剂与丝束进行接触, 达到上浆的目的；上浆剂附着在纤维表面后, 通常采纳热空气进行干燥,去除其中的溶剂或者水份； 上浆剂浓度打算了碳纤维中的上浆量, 而上浆剂的粒径大小及分布、 浸渍时间、 纤维张力、 纤维本身表面结构也会影响上浆量；表 5.24 为上浆剂浓度对上浆量的影响；浓度越高,上浆量也越大；有讨论说明,对于肯定的碳纤维及其上浆装置,上浆量只与上浆剂的浓度有关,上浆量与上浆剂浓度成正比；上浆剂浓度的掌握对于碳纤维上浆至关重要；表 5.24 上浆剂浓度对上浆量的影响名师归纳总结 上浆剂浓度 % 上浆量 % 第 3 页,共 8 页0.5 1.53 0.4 1.41 0.3 1.37 0.2 1.29 0.1 1.27 经过上浆后, 碳纤维表面沟槽由于上浆树脂的填充而变浅；上浆量越大, 对纤维沟槽的填充- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 越多,纤维表面越光滑； 图 5.47 为不同上浆量碳纤维的AFM图,可以看出当上浆量在1.67%时,纤维表面沟槽基本被树脂所掩盖,基本看不出沟槽结构；0.71% 1.32% 1.67%图 5.47 不同上浆量碳纤维 AFM 图上浆量应依据碳纤维用途进行调整,通常对于热熔法或粉末法制备预浸料的碳纤维,为了便于树脂浸透纤维,要求上浆量较低；采纳溶液法制备预浸料时,由于溶剂作用树脂较容易进入纤维丝束间,可适当提高上浆量；对于编织用碳纤维,由于对工艺过程纤维受到的摩擦较大,要求的上浆量一般超过1%；5.4.4 上浆处理对碳纤维及其复合材料性能的影响5.4.4.1 上浆对碳纤维力学性能的影响碳纤维经过上浆处理后, 碳纤维表面涂覆了一层具有柔性特性的高分子材料, 纤维表面得到上浆树脂的修饰, 上浆层填埋了纤维表面的孔隙 , 纹理沟槽变浅, 当碳纤维受到外力作用时 , 缺陷处的上浆层可以起到肯定的分散外应力、 抑制内应力集中的作用, 因此通常经过上浆处理后碳纤维的抗拉强度有肯定提高；图5.48 为碳纤维经过不同上浆处理后拉伸强度和的变, 可以看出经过上浆处理后,碳纤维的拉伸强度都有肯定提高, Weibull 参数 m增大,强度的分散性减小；图5.48 碳纤维单丝拉伸强度及 Weibull 参数名师归纳总结 〔 a〕 未上浆； 〔 b〕 环氧树脂乳液上浆；〔 c-f〕上浆 , 纳米 SiO2: 环氧树脂 〔 质量比 〕 = 0.5~3: 100 第 4 页,共 8 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 5.4.4.2 碳纤维的使用工艺性碳纤维的使用工艺性没有直接的量化指标,其中上浆量对其使用工艺性有重要影响；通常上浆量越大,其使用工艺性越好,也就是说在编织、缠绕、穿刺等工艺过程发生毛丝、断头较少； 表5.25 为上浆量与碳纤维使用工艺性能的的关系；上浆量过多, 会影响树脂浸透性,并由于上浆厚度较大,无法有效形成梯度性能的界面层,从而影响复合材料的界面性能；综合考虑使用工艺性能和复合材料的性能,通常上浆量应当在1.0%左右较为合适；表 5.25 上浆量对碳纤维使用工艺性能的影响上浆量 /% 毛丝状况断丝 /次/Km 树脂浸透性0.1 ×28 √0.3 √3 √0.5 √1 √1.0 √√√2.0 √1 ⊕3.0 √√×4.0 √√×注：√为合格；⊕为有肯定问题；× 为不合格 碳纤维本身由于为脆性材料, 通常耐摩性较。