上浆剂对碳纤维增强尼龙66复合材料结构性能的影响

潘任行，王 彪，施云舟

(东华大学 纤维材料改性国家重点实验室，上海201620)

上浆剂对碳纤维增强尼龙66复合材料结构性能的影响

潘任行，王 彪，施云舟

(东华大学 纤维材料改性国家重点实验室，上海201620)

纤维表面上浆剂是复合材料界面性能乃至力学性能的重要影响因素.选用表面为环氧浆料的碳纤维(ERCF)和自配聚氨酯浆料的碳纤维(PUCF)，分别与尼龙66(PA66)共混制备成碳纤维增强PA66复合材料(CFRPA66)，并测试其相关性能.结果表明：在碳纤维体积分数相近时，由PUCF制备的CFRPA66比ERCF制备的CFRPA66拉伸强度、弯曲强度和缺口冲击强度分别提高了18.7%，20.5% 和5.7%.研究结果证明了聚氨酯上浆剂对碳纤维和PA66的界面有更好的增强效果.

碳纤维；尼龙66；复合材料；上浆剂

自20世纪80年代以来，以通用及高性能工程塑料为基体树脂的热塑性复合材料受到广泛重视[1-2].碳纤维作为高性能增强纤维，具有轻质高强的特性，一直是国防军工乃至民用的关注热点[3-6].近年来，随着碳纤维国产化进程的不断推进，进一步降低了碳纤维的价格，从而使碳纤维增强热塑性复合材料有了更广的应用空间[7-8].

目前，商品化碳纤维表面都经过环氧浆料的上浆处理，以满足其在热固性复合材料中的使用要求.但环氧浆料在尼龙66(PA66)的加工温度(240～270℃) 之下会产生自交联，从而无法和树脂基体进行有效结合[9-11]，而且环氧浆料仅对环氧树脂有较好的界面增强效果，对于热塑性复合材料的界面增强效果不大[12-14]，因此，目前的多数商品化碳纤维并不适用于PA66等热塑性树脂.本文通过改变碳纤维的表面浆料，以提高碳纤维与PA66的界面性能，进而提高碳纤维增强尼龙66复合材料(CFRPA66)的各项力学性能.

1 试 验

1.1 碳纤维的准备

碳纤维样品1:由金山石化生产，表面为环氧浆料，上浆质量分数为3%～5%，编号ERCF.

碳纤维样品2:由金山石化生产的未上浆碳纤维，在实验室中用自配的聚氨酯(PU)浆料上浆，上浆质量分数为3%，编号PUCF.

1.2 CFRPA66的制备

将ERCF和PUCF分别与PA66(河南平顶山神马公司，牌号EPR27)通过双螺杆挤出机(南京科晋橡塑机械有限公司，TS-50型)共混造粒，并使用注塑机(广东伊之密精密机械股份有限公司，UN120SM型)根据ISO 527-4—1997标准注塑测试所需的样品，样品各项指标如表1所示.

表1 制备的CFRPA66样品Table 1 The prepared CFRPA66 samples

1.3 测试及表征

(1) 傅里叶红外光谱(FTIR)测试.对PU浆料、PUCF和ERCF进行红外光谱(美国Thermo Fisher,Nicolet-6700型)表征，测试使用全反射配件.将碳纤维置于蒸馏水中超声清洗0.5h，之后对上浆碳纤维表面进行测试，测试范围400～4000cm-1，分辨率<0.09cm-1.

(2) 扫描电子显微镜(SEM)表征.对CFRPA66试样冲击断面进行扫描电镜(捷克FEI,Quanta-250型)表征，观察其内部纤维分布以及纤维与树脂的结合情况.将测试样品放入乙醇中超声清洗0.5h，取所需部位喷金，放入SEM抽真空后表征.

(3) 复丝脱黏试验.取粗细均匀的PA66纤维系在碳纤维复丝样品上，将其在氮气保护下加热至280℃使PA66熔融，在碳纤维上形成尺寸均匀的树脂小球(直径3mm)，待PA66冷却固化后，使用纤维强伸度仪(上海新纤仪器有限公司，XQ-1A型)进行脱黏试验，表征丝束与树脂结合力的强弱.

(4) 力学性能测试.用万能材料试验机(长春科新试验仪器公司,20KN-WDW3020型)和多功能组合冲击试验机(承德考思科学检测有限公司,XJJUD- 50Q型)对制备的CFRPA66进行相关力学性能测试.拉伸测试条件参照ISO 527—2012，弯曲测试条件参照ISO 178—2010，冲击测试条件参照GB/T 1843—1996.

2 结果与讨论

2.1 上浆效果

图1 PU浆料、ERCF和PUCF的红外光谱图Fig.1 FTIR spectra of PU sizing agent,ERCF and PUCF

2.2 ERCF和PUCF与PA66结合强度的对比

图2为CFRPA66试样的冲击断面的SEM照片，从中可以更加直观地看出PUCF和ERCF与PA66的界面结合差异.由图2可以看出，PUCF与PA66的界面结合明显要好，纤维表面有一层树脂附着(图2(b))，而且树脂涂覆均匀，纤维根部与树脂结合也很牢固；而ERCF在CFRPA66中则有明显的纤维拔出现象(图2(a))，而且纤维表面光滑，树脂附着不多.这表明PUCF与PA66的结合性比ERCF更好，也就证明了PU浆料与PA66的相容性较好，能够为CFRPA66复合材料提供更好的界面，使纤维与树脂的结合更加牢固，起到更好的界面增强作用，而这应该与上述造成最大脱黏力差异的原因相同.

图2 CFRPA66断面SEM照片Fig.2 SEM images of fracture surface of CFRPA66

2.3 ERCF和PUCF所制备的CFRPA66力学性能对比

表2为各CFRPA66样品的力学性能,数值均为3次测量的平均值.从表2中可以看出，在碳纤维体积分数相近的样品中，使用PUCF制备的CFRPA66各项力学性能比使用ERCF制备的CFRPA66都要高.以CFRPA66-2和CFRPA66-6为例，两者的碳纤维体积分数分别为10.3%和10.5%，但CFRPA66-6的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度比CFRPA66-2分别高出18.7%，20.5%和5.7%.而这两种CFRPA66的唯一区别就是碳纤维表面的浆料不同，因此证明了PU浆料可以有效地提高碳纤维和PA66之间的结合强度.

表2 各CFRPA66样品的力学性能Table 2 The mechanical property of CFRPA66 samples

长纤维增强复合材料可以通过层压材料的层间剪切强度表征树脂与纤维的界面结合，但是对于短纤维增强复合材料而言则很难直接测得这个数据.而在得到宏观的复合材料力学性能之后，可以通过模型拟合的方法，反推CFRPA66的界面结合强度.Kelly-Tyson方程[16]认为在复合材料被破坏时，纤维并没有断裂，而是与树脂脱黏，导致纤维无法继续承力而使复合材料被破坏，因此,可以通过Kelly-Tyson方程来拟合CFRPA66的界面强度.Kelly-Tyson方程如式(1)所示.

(1)

(2)

图3为σc和Vf的拟合直线图.在本次试验中α，L，D均为定值，α取1/5，纤维平均直径D为7μm，通过甲酸洗去PA66树脂，测试得到纤维在复合材料中的平均保留长度L为0.197mm，将数据代入式(2)计算，得到PUCF所制备的CFRPA66界面强度为43.88MPa,而ERCF所制备的CFRPA66界面强度为24.96MPa,相差76.9%.PUCF和ERCF除表面浆料以外，其他各项性能均相同，可见PU浆料确实起到了提高碳纤维与PA66界面性能的效果.

图3 Kelly-Tyson方程拟合直线图Fig.3 The fitting line of Kelly-Tyson equation

3 结 语

本文通过使用PU上浆剂，提高了碳纤维与PA66的界面结合强度，进而提高了CFRPA66的各项力学性能.与ERCF相比，PUCF所制备的CFRPA66在碳纤维体积分数为10%左右时，拉伸强度、弯曲强度和缺口冲击强度分别提高了18.7%，20.5% 和5.7%.所制备的CFRPA66的性能可以满足在机械制造等领域的应用.

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Effects of Sizing Agent on Structure and Property of Carbon Fiber Reinforced Polyamide66 Composite

PANRen-xing,WANGBiao,SHIYun-zhou

(State Key Laboratory for Modification of Chemical Fibers and Polymer Materials,Donghua University,Shanghai 201620,China)

Fiber sizing agent is a critical influencing factor of the interfaces and mechanical properties of composites.Carbon fibers sized by epoxy resin (ERCF) and self-made polyurethane (PUCF) were chosen to prepare carbon fiber reinforced PA66 composites (CFRPA66) by twin-screw extrusion,and the properties were tested.Experimental results show that compared with ERCF,the tensile strength,flexural strength and notched impact strength of the CFRPA66 made by PUCF with similar carbon fiber volume content are increased by 18.7%,20.5% and 5.7% respectively.It proves that polyurethane sizing agent can make a better interface between carbon fiber and PA66.

carbon fiber; PA66; composite; sizing agent

1671-0444(2015)01-0006-04

2013-11-14

潘任行(1989—)，男，山东泰安人，硕士研究生，研究方向为功能复合材料.E-mail:prx_ngj@163.com

王 彪(联系人)，男，教授，E-mail:wbiao2000@dhu.edu.cn

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