常用碳纤维黏合树脂的比较

钱水林

(中国石化上海石油化工股份有限公司， 200540)

常用碳纤维黏合树脂的比较

钱水林

(中国石化上海石油化工股份有限公司， 200540)

选用酚醛树脂、环氧树脂和聚氨基树脂等3种黏合树脂，分别对经电解处理的碳纤维复合线进行涂胶成型，对它们的强度进行了比较，并用未经电解处理的碳纤维复合线进行对比。结果表明，碳纤维只有经过适当的表面处理，才能在复合材料中发挥良好的增强作用，而碳纤维复合材料所用的黏合树脂对材料的性能有较大的影响。

碳纤维 黏合树脂 强度 复合材料 比较

碳纤维是一种具有高强度、低密度、耐腐蚀、耐高温、耐疲劳和抗蠕变等优异性能的新型材料，可以替代钢材和合金作为复合材料中的增强材料。用碳纤维增强的塑料、玻璃、陶瓷和金属复合材料具有优良的电学、热学和力学性能，在机电、船舶、航空航天器材等领域得到广泛应用，例如:碳纤维复合材料可以代替铝合金制造推力大、噪音小、动力消耗少的轻型飞机;用碳纤维制成的垫衬可以代替质量比它大得多的火箭发动机用耐高温陶瓷材料;用碳纤维制成的电子计算机磁盘可以提高计算机的储存量和运算速度。

近年来，人们对于复合材料，尤其是应用于航空航天领域的复合材料的强度要求越来越高。随着碳纤维生产技术的日趋成熟，碳纤维自身的强度已得到了很大提高，而碳纤维复合材料强度的提高则受到黏合树脂的制约。因为从碳纤维到碳纤维复合材料须经过表面处理、黏合、固化等工序，如果黏合树脂或黏合方法选择不当，碳纤维的强度优势在复合材料中就无法得到发挥。在此就不同种类的黏合树脂对碳纤维复合材料强度的影响进行讨论。

1 黏合树脂的特性

在碳纤维复合材料的制造中，目前使用较多的黏合树脂是酚醛树脂、环氧树脂和聚氨基树脂。

1.1 酚醛树脂

酚醛树脂又名电木，由苯酚与甲醛在催化剂条件下缩聚而成。酚醛树脂具有较高的机械强度和优异的电绝缘性，耐酸、耐热、耐磨，因而在复合材料产品中得到广泛的应用。

1.2 环氧树脂

环氧树脂是指那些大分子中至少含有2个反应性环氧基团的树脂。环氧树脂固化后具有许多突出的性能，如对材料(尤其是金属材料)的黏结力特别强，还具有很强的耐化学腐蚀性，强度高，电绝缘性好。此外，环氧树脂可以在相当宽的温度范围内固化，而且固化时体积收缩较小。

1.3 聚氨基树脂

聚氨基树脂是指在分子链中含有氨基甲酸酯基团的黏合剂。这种黏合剂活性高、极性大，对表面光洁的材料有着优良的化学黏合力。此外，聚氨基黏合剂具有优异的剪切强度和抗冲击性，适用于各种结构之间的黏合。

2 实验部分

2.1 实验材料

为了提高复合材料的层间剪切强度，改善碳纤维与黏合树脂的黏结性能，通常要对碳纤维进行表面处理［1］。

实验选用的碳纤维是经过表面处理的聚丙烯腈基碳纤维，其表面具有能与黏合树脂结合的官能团。

具体处理方法是:用液相氧化加阳极氧化的复合表面处理工艺对碳纤维进行表面处理，即在硝酸水溶液中对碳纤维进行液相氧化，同时进行电化学氧化。上述表面处理使碳纤维表面带上适量的羟基、羰基等极性基团，从而改善其与黏合树脂的黏结性能［2］。

酚醛树脂(方案A)、环氧树脂(方案B)和聚氨基树脂(方案C)的具体配方如下:

2.2 实验方法

将调配好的树脂分别均匀涂抹在离型纸上制成胶膜，再将碳纤维纱线与胶膜复合，使纤维嵌入树脂胶膜中完成涂胶成型。在130℃下将所得丝束加热30 min使之固化。

2.3 测试方法

单丝强度按照国家标准GB/T14337—1933《合成短纤维断裂强力及断裂伸长试验方法》进行测试;复合线强度按照日本工业标准JIS－L－1017《化学纤维轮胎帘子线试验方法》进行测试。

3 结果与讨论

3.1 实验结果

在相同工艺条件下，分别用3种黏合树脂对经电解处理的碳纤维复合线进行涂胶成型，并用未经电解处理的碳纤维复合线进行对比实验，实验结果如表1所示。

表1 涂胶前后碳纤维复合线的强度 GPa

3.2 讨论与分析

实验结果表明，经表面处理的碳纤维能与上述3种黏合树脂很好地结合，碳纤维的强度损失小，其中用酚醛树脂作为胶膜的碳纤维强度损失为最小。

酚醛树脂是一种与有机和无机填料都能相容的物质，具有很强的浸润能力，成型性能好，体积密度大，气孔率低。尤其是热固性酚醛树脂，黏结力强，能与碳纤维牢固结合，化学稳定性好，耐热性好，且硬化时收缩率小，制品尺寸稳定。而环氧树脂的结构中存在羟基、醚基和极为活泼的环氧基，其中羟基和醚基有高度的极性，使环氧树脂大分子与相邻界面产生较强的分子间作用力，环氧基团则与介质表面(特别是金属表面)的游离基形成化学键，因而环氧树脂具有很高的黏合力，即使对未经表面处理的碳纤维也有相对较好的黏合性。在碳纤维复合材料中应用最多的是双酚A型环氧树脂，因为它具有优良的化学稳定性、电绝缘性、耐腐蚀性、黏着性和较高的机械强度。聚氨基树脂的特点是适应范围较广，兼具优异的橡胶特性，适用于不同热膨胀系数基材间的黏合。它在基材间形成软－硬过渡层，不仅黏结力强，而且具有很强的缓冲、减震功能。聚氨基黏合剂还具有耐腐蚀、耐溶剂、机械强度高、延伸率大和固化收缩率低等特点，而且耐疲劳和耐热老化性好，可在常温下固化，也可通过加热固化，因而黏合加工工艺简单。

就3种黏合剂对碳纤维的黏合效果而言，通常从3个方面进行考察:

(1)外观。要求涂膜外观均匀，纤维截面能保持圆形或近似圆形。

(2)黏合牢度。要求无剥离和脱胶现象。

(3)强度损失。这是一项重要的评价指标，碳纤维强度损失必须小于40%。

从实验结果来看，对于采用相同碳纤维制成的碳纤维复合线，由于所用黏合树脂不同，强度差异很大，说明碳纤维复合线强度对黏合树脂的依赖性很大。在经过表面处理的碳纤维中，以酚醛树脂为黏合树脂的碳纤维强度最高，以双酚A型环氧树脂为黏合树脂的次之，以聚氨基树脂为黏合树脂的强度相对较低。

对于经过表面处理的碳纤维，用上述3种黏合树脂加以处理后，碳纤维截面能保持圆形或近似圆形，说明黏合树脂中各种成分的互溶性良好，且能均匀地包覆于碳纤维上。用尚未经过表面处理的碳纤维在相同条件下进行对比实验，结果显示涂胶后碳纤维的平均强度为1.97 GPa，均低于2.16 GPa的强度最低要求，且纤维截面为近似椭圆的多边形，说明未经表面处理的碳纤维与黏合树脂的黏结效果很差。此外，用酚醛树脂和聚氨基树脂黏合未经表面处理的碳纤维偶尔会出现脱胶现象。

4 结论

(1)碳纤维须经过适当的表面处理，其界面性能才能得到提高，从而更好地体现碳纤维的优异性能，制得性能令人满意的复合材料。

(2)碳纤维复合线的强度随着黏合树脂的种类不同而不同，黏合树脂种类对碳纤维复合线的强度有较大影响。碳纤维本身的机械强度很高，但如果黏合树脂选用不当，就会大幅降低碳纤维复合材料的强度，因此选择合适的黏合树脂至关重要。

(3)树脂基体的配比、添加顺序以及配制工艺对碳纤维复合材料性能也有很大影响，还需要做进一步的研究。

［1］ 王赫，刘亚青，张斌.碳纤维表面处理技术的研究进展［J］.合成纤维，2007(1):29 －32，35.

［2］ 钱水林.碳纤维表面处理技术探讨［J］.合成纤维，2008(11):17－19.

Comparison among Commonly Used Carbon Fiber Adhesive Resins

Qian Shuilin

(SINOPEC Shanghai Petrochemical Co.，Ltd.200540)

The carbon fiber composite wire after electrolysis treatment was gelatinized for molding with phenolic resin，epoxide resin and polyamino resin respectively，and comparison was made among their intensities.Comparative trial was also made for carbon fiber composite wires before and after electrolysis treatment.Result showed that carbon fiber could have good enhancement behavior in compound material only after appropriate surface treatment，and the adhesive resin used in carbon fiber compound material had great effect on the performance of material.

carbon fiber，adhesive resin，intensity，compound material，comparison

1674－1099 (2011)05－0019－03

TQ342+.74

A

2011-08-09。

钱水林，男，1957年出生，高级工程师，长期从事腈纶生产技术和新产品开发研究工作。