T700級(jí)碳纖維環(huán)氧樹脂的浸潤性研究

談源　王宇　季小強(qiáng)

摘 要：本文以軌道和公路交通輕量化為背景，針對(duì)汽車和高鐵用T700級(jí)碳纖維復(fù)合材料中環(huán)氧樹脂對(duì)碳纖維的浸潤性開展研究。研究從T700碳纖維和E51環(huán)氧樹脂兩方面展開，包括碳纖維表面的理化結(jié)構(gòu)對(duì)其樹脂浸潤性影響、稀釋劑用量和浸潤溫度對(duì)環(huán)氧樹脂黏度以及表面張力的影響等。最終探明碳纖維表面結(jié)構(gòu)對(duì)其在E51環(huán)氧樹脂中浸潤性的影響規(guī)律，解析浸潤溫度和環(huán)氧樹脂粘度等對(duì)纖維浸潤效果的影響，為汽車/高鐵用碳纖維表面結(jié)構(gòu)與環(huán)氧樹脂的匹配性奠定理論基礎(chǔ)和積累實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：碳纖維環(huán)氧樹脂;浸潤性;T700級(jí)

0 引言

隨著科技的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展，“節(jié)能環(huán)保”越來越成為社會(huì)廣泛關(guān)注的話題。碳纖維因具有輕質(zhì)高強(qiáng)、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、耐腐蝕、成型工藝性好等優(yōu)點(diǎn)，成為軌道和公路交通輕量化的理想材料。專家認(rèn)為，隨著我國碳纖維行業(yè)的不斷發(fā)展，節(jié)能減排和車體輕量化大方向的指引，碳纖維材料或?qū)⒊蔀檐壍篮凸方煌ń纭笆萆砀锩钡念I(lǐng)導(dǎo)者。而欲制備綜合性能優(yōu)異的碳纖維復(fù)合材料，必須對(duì)纖維的浸潤性及其影響因素進(jìn)行研究。

本文從T700級(jí)碳纖維（濕法和干濕法）的表面理化結(jié)構(gòu)出發(fā)，結(jié)合常用E51環(huán)氧樹脂的黏度表面張力等物理特性，開展碳纖維樹脂微觀浸潤性研究，以期探明影響樹脂浸潤性的碳纖維表面結(jié)構(gòu)要素，揭示碳纖維與環(huán)氧樹脂之間的結(jié)構(gòu)與工藝匹配性，為高鐵/汽車用碳纖維環(huán)氧樹脂的界面結(jié)合提供理論支撐和數(shù)據(jù)積累。

1 T700級(jí)碳纖維環(huán)氧樹脂浸潤性研究的可行性分析

前期探索性研究工作表明，通過凝固浴濃度、凝固浴溫度和凝固浴的pH值的調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)碳纖維表面溝槽尺寸的調(diào)節(jié)，因此制備不同表面溝槽結(jié)構(gòu)的碳纖維可行;有報(bào)道上漿量與碳纖維表面的化學(xué)結(jié)構(gòu)存在一定的關(guān)系，環(huán)氧樹脂黏度的溫度響應(yīng)性顯著。

在以上實(shí)驗(yàn)和文獻(xiàn)調(diào)研的基礎(chǔ)之上，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需求，本研究合理設(shè)計(jì)了研究內(nèi)容，保障研究工作的順利展開。

作者所在的北京化工大學(xué)碳纖維研究所是國內(nèi)碳纖維及其復(fù)合材料研究開發(fā)的核心單位之一，在業(yè)界具有很強(qiáng)的影響力。作者及所在的團(tuán)隊(duì)從事碳纖維制備技術(shù)多年，在碳纖維表面結(jié)構(gòu)調(diào)控和表征方面做了大量的工作，為本研究的順利實(shí)施奠定了良好的基礎(chǔ)。本研究依托的北京化工大學(xué)碳纖維研究所，擁有本研究制備碳纖維所用的原絲和碳化實(shí)驗(yàn)線，擁有測(cè)試表征所需要的動(dòng)態(tài)接觸角（表面張力）、流變儀、傅里葉紅外、DSC和TG等相關(guān)測(cè)試儀器，課題所在的北京化工大學(xué)擁有課題測(cè)試表征所需要的X射線光電子能譜、掃描電鏡，以上條件為本研究的順利開展提供了保障。

2 浸潤性研究方案

2.1 碳纖維的表面理化結(jié)構(gòu)調(diào)控

樹脂對(duì)碳纖維表面的浸潤性影響因素有很多。碳纖維表面的比表面積的大小，碳纖維表面的溝槽結(jié)構(gòu)或纖維表面的活性基團(tuán)的數(shù)量和種類，均對(duì)碳纖維的浸潤性有影響。

2.1.1 上漿量對(duì)碳纖維表面化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響

采用XPS結(jié)合SEM研究上漿劑用量對(duì)濕法和干濕法碳纖維表面化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響，并將二者進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1.2 碳纖維表面物理結(jié)構(gòu)調(diào)控

分別研究濕法和干濕法碳纖維表面物理結(jié)構(gòu)特征，通過改變濕法紡絲原絲制備工藝，制備表面物理結(jié)構(gòu)不同的T700碳纖維，并用matlab對(duì)其表面溝槽進(jìn)行表征。

2.2 樹脂表面張力和粘度的影響因素研究

樹脂的表面張力和黏度影響樹脂對(duì)碳纖維的浸潤性。樹脂的黏度越大，其越難浸潤纖維;樹脂的表面張力越小，浸潤纖維越易。

2.2.1 溫度對(duì)樹脂的表面張力和黏度的影響規(guī)律

樹脂浸潤纖維應(yīng)該在一定的溫度下進(jìn)行，研究溫度對(duì)樹脂表面張力和黏度的影響，有益于確定合理的工藝參數(shù)。

2.2.2 稀釋劑對(duì)樹脂表面張力和黏度的影響規(guī)律

E51環(huán)氧樹脂常用的稀釋劑為乙醇和丙酮，配置不同比例的環(huán)氧樹脂與稀釋劑的混合物，測(cè)試稀釋劑種類和用量對(duì)樹脂表面張力和黏度的影響規(guī)律。

2.3 樹脂的碳纖維浸潤性

表面浸潤性能是碳纖維的一項(xiàng)重要性能，它對(duì)復(fù)合材料的性能有著至關(guān)重要的影響。表面浸潤性能的評(píng)價(jià)一般是以碳纖維與樹脂基體間的接觸角和碳纖維表面能作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，碳纖維與樹脂間的接觸角一般分為纖維束與樹脂間接觸角和單絲與樹脂間接觸角，本文研究的是后者。

碳纖維與樹脂的復(fù)合首先是一個(gè)浸潤過程，復(fù)合材料界面的形成過程，然后經(jīng)過固化形成復(fù)合材料。樹脂是否能充分浸潤纖維直接關(guān)系到界面性能的好壞。如果樹脂與碳纖維表面的接觸角小，證明樹脂對(duì)碳纖維表面浸潤性好;反之，如果接觸角大，證明樹脂對(duì)碳纖維表面的浸潤性較差，如圖1所示。

以前兩小結(jié)研究為基礎(chǔ)，選擇合適上漿量不同表面物理結(jié)構(gòu)的碳纖維，進(jìn)行樹脂對(duì)碳纖維的浸潤性研究，接觸角小的浸潤性好，最終確定最佳工藝路線。

3 T700級(jí)碳纖維環(huán)氧樹脂浸潤性研究的研究方法和技術(shù)路線

3.1 研究方法

掃描電子顯微鏡（SEM）。上漿量對(duì)碳纖維表面物理結(jié)構(gòu)的影響研究，采用掃描電鏡對(duì)不同上漿量的碳纖維表面形貌進(jìn)行觀察，并進(jìn)行宏觀解析;掃描電鏡測(cè)試不同表面物理結(jié)構(gòu)的樣品的截面，用于matlab計(jì)算。

X射線光電子能譜（XPS）。上漿量對(duì)碳纖維表面化學(xué)結(jié)構(gòu)的研究，采用XPS測(cè)試并根據(jù)特征峰的位置，計(jì)算各特征結(jié)構(gòu)的含量。

流變儀。溫度和稀釋劑品種用量對(duì)樹脂黏度的影響，采用流變儀進(jìn)行測(cè)試。

表面張力儀。溫度和稀釋劑品種用量對(duì)樹脂表面張力的影響，采用表面張力儀進(jìn)行測(cè)試。

動(dòng)態(tài)接觸角。樹脂對(duì)碳纖維的浸潤性采用動(dòng)態(tài)接觸角進(jìn)行測(cè)試研究。

Matlab軟件。計(jì)算碳纖維表面溝槽的特征。

3.2 技術(shù)路線

本研究所采用的技術(shù)路線圖如圖2。

4 浸潤性研究預(yù)期解決的問題

揭示碳纖維表面物理和化學(xué)結(jié)構(gòu)的溝槽和上漿量調(diào)控影響規(guī)律是本研究擬解決的第一個(gè)關(guān)鍵問題。上漿劑一直是國產(chǎn)碳纖維制備過程中的軟肋，但上漿劑對(duì)于碳纖維復(fù)合材料的界面結(jié)合至關(guān)重要;干濕法紡絲和濕法紡絲工藝制備的碳纖維表面結(jié)構(gòu)有別，濕法紡絲不同凝固條件影響纖維表面溝槽結(jié)構(gòu)，因此，本研究將上漿劑用量和碳纖維表面物理結(jié)構(gòu)調(diào)控研究的作為第一個(gè)重點(diǎn)研究內(nèi)容。

E51環(huán)氧樹脂的可控調(diào)配是本研究擬解決的第二個(gè)關(guān)鍵問題。通過研究樹脂調(diào)配其特性變化規(guī)律，掌握樹脂的調(diào)配方法，為樹脂浸潤碳纖維做好基礎(chǔ)。

建立碳纖維表面理化結(jié)構(gòu)與樹脂特性之間的匹配關(guān)系是本研究擬解決的第三個(gè)關(guān)鍵問題。碳纖維復(fù)合材料的性能在很大程度上取決于碳纖維和復(fù)合材料的界面結(jié)合，界面中碳纖維、上漿劑和樹脂是重要的三元素。樹脂和碳纖維（上漿劑）的匹配性直接影響其界面結(jié)合。因此，以接觸角為參考值，研究碳纖維表面理化結(jié)構(gòu)與樹脂浸潤性的匹配關(guān)系是本研究想解決的第三個(gè)關(guān)鍵問題。

5 結(jié)語

T700級(jí)碳纖維環(huán)氧樹脂的浸潤性研究以節(jié)能降耗、綠色環(huán)保，交通運(yùn)輸輕量化為大背景，開展碳纖維表面理化結(jié)構(gòu)與其樹脂浸潤性的影響關(guān)系研究，借助Matlab解析碳纖維表面溝槽結(jié)構(gòu)對(duì)其樹脂浸潤性的影響，通過調(diào)節(jié)樹脂的理化性質(zhì)，掌握其調(diào)控的方法，最終建立碳纖維和樹脂匹配性的最佳工藝條件，為高鐵/汽車用T700級(jí)碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用發(fā)展提供數(shù)據(jù)支撐。總而言之，這是一項(xiàng)非常有前景的研究項(xiàng)目。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：

談源（1988- ）男，籍貫：江蘇常州，工作單位：江蘇省高性能纖維復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、常州市宏發(fā)縱橫新材料科技股份有限公司，主要研究方向：高性能碳纖維及其復(fù)合材料。

王宇（1981- ）女，籍貫：黑龍江齊齊哈爾，工作單位：北京化工大學(xué)，助理研究員，主要研究方向：高性能碳纖維及其復(fù)合材料。

季小強(qiáng)（1980- ）男，籍貫：江蘇常州，工作單位：江蘇省高性能纖維復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、常州市宏發(fā)縱橫新材料科技股份有限公司，紡織高級(jí)工程師，主要研究方向：高性能碳纖維及其復(fù)合材料。