水性环氧树脂碳纤维上浆剂的研制与性能分析

李 超 郭腊梅

(东华大学纺织学院;产业用纺织品教育部工程研究中心，上海，201620)

水性环氧树脂碳纤维上浆剂的研制与性能分析

李 超 郭腊梅

(东华大学纺织学院;产业用纺织品教育部工程研究中心，上海，201620)

通过对环氧树脂进行亲水化改性，使其具有水溶性，再分散制成合适浓度的水性环氧树脂上浆剂，对聚丙烯腈基碳纤维进行上浆。测试上浆剂的性能，观察碳纤维上浆前后纤维的表面形态，并测试纤维的耐磨性、毛丝量及界面剪切强度的变化。结果表明:使用该水性环氧树脂上浆剂上浆后，碳纤维表面形成柔韧光滑的浆膜，耐磨性能提高91.6%，毛丝量减少87.5%，界面剪切强度提高30.1%。

碳纤维，水性环氧树脂，上浆剂，性能分析

碳纤维在生产下线前需进行上浆处理。上浆能提高碳纤维束丝的抱合力，在单丝表面形成光滑平整的保护膜，防止纤维磨损、产生毛丝;保护碳纤维经表面处理后得到的活性表面，避免纤维表面吸附空气中的水分和灰尘;提高纤维的润湿性和附着力，改善纤维与基体树脂的相容性，提高复合材料的界面剪切强度［1-2］。以往碳纤维上浆多采用有机溶剂型环氧树脂上浆剂，在目前注重环境安全、经济成本的情况下，环氧树脂经水性化处理后作为碳纤维的上浆剂，具有无毒、无味、使用安全、环境污染小、生产成本低的优点［2］。

环氧树脂水性化的方法主要有外加乳化剂法和化学改性法。外加乳化剂法主要通过机械作用配合乳化剂进行乳化分散，由于环氧树脂自身疏水性强，不容易制得粒径较小的乳液，乳液粒径分布宽，稳定性差，容易破乳，乳液的成膜性能也较差［3-5］。化学改性法又称自乳化法，通过在环氧树脂上的环氧基、仲羟基及次甲基接上亲水性基团或链段，如:羧基、氨基、酯基或丙烯酸共聚链段等，使环氧树脂自身的亲水性增强，具有自乳化能力。该方法得到的环氧树脂分散在水中乳液粒径小，粒径分布窄，因此乳液的稳定性能好［6］。本文研究了如何对环氧树脂进行亲水化改性，使其具有水溶性，以制备水性环氧树脂上浆剂。试验中使用自制上浆剂对碳纤维进行上浆，研究其上浆性能及对碳纤维加工性能、复合材料界面性能的影响。

1 试验部分

1.1 试验材料

进口聚丙烯腈基碳纤维T300，3K未上浆，强度 3.54 GPa，直径 7 μm，密度 1.77 g/cm3;双酚A型环氧树脂618(EP618)，上海树脂厂有限公司;二乙醇胺，分析纯，中国医药集团上海化学试剂公司;冰乙酸，分析纯，上海波尔化学试剂有限公司;无水乙醇，分析纯，常熟市杨园化工有限公司。

1.2 水性环氧树脂上浆剂的制备

将定量的EP618溶解到无水乙醇中，搅拌使环氧树脂完全溶解，将其倒入带有温度计、冷凝管及滴液漏斗的四口烧瓶中，升温至80℃，不断搅拌，缓慢滴加二乙醇胺，恒温反应150 min。将反应所得产物抽真空，去除乙醇后得到改性环氧树脂;然后在一定温度下，不断搅拌，将冰乙酸缓慢滴加到改性环氧树脂中，再加入一定量的水，即得到水性环氧树脂上浆剂。

1.3 碳纤维的上浆

配制固含量为3%的水性环氧树脂上浆剂，采用单纱上浆机进行上浆，上浆速度5 m/min，碳纤维丝束张力适中，烘燥温度100℃，上浆率控制在1%左右。

1.4 上浆剂性能测试

1.4.1 上浆剂稳定性测试

采用L-550型台式离心机，根据乳液稳定性评定标准，测评水性环氧树脂上浆剂稳定性:3 000 r/min离心30 min后乳液是否出现破乳和分层，如不破乳、不分层则为稳定。

1.4.2 上浆剂粒径测定

配制固含量3%的上浆剂，用20 μm级超纯水将其稀释到测量范围，采用美国Brookhaven静态/动态激光光散射仪测试上浆剂的粒径大小及其分布。

1.5 上浆碳纤维性能测试

1.5.1 外观形貌分析

采用DXS-10ACKT型扫描电子显微镜，分别对未上浆的碳纤维和上浆后的碳纤维外观形貌进行观察分析。

1.5.2 碳纤维耐磨性测试

采用Y731型纱线抱合力机，对碳纤维进行耐磨性测试，预加张力0.98 N，测定碳纤维耐磨次数。

1.5.3 碳纤维毛丝量测试

按照日本专利［7］的方法测试纤维毛丝量。纤维以0.5 m/min的速度匀速通过2枚聚氨酯(PU)软泡(40 mm×10 mm)，软泡为200 g。10 min后，称量前后软泡的质量，其差即为纤维毛丝量。

1.6 复合材料界面剪切强度(IFSS)测试

复合材料的界面剪切强度采用单纤维碎裂法进行测试［8］，分别测试上浆前后碳纤维与基体树脂EP618之间的界面剪切强度。

2 结果与讨论

2.1 上浆剂的稳定性

上浆剂在贮存和运输过程中，稳定性是其重要性能指标。在上浆剂试制过程中，通过试验找出了最佳合成工艺:在80℃的条件下反应150 min，反应物质量配比为EP618∶二乙醇胺∶乙酸 =40 g∶10.72 g∶6.2 g，此时的水性体系稳定性最好，经3 000 r/min、30 min离心后不分层，体系呈淡黄色，均一透明。

2.2 上浆剂的粒径分析

测试温度25℃，对上浆剂进行粒径分析，结果见图1。由图1 可知，D=17.23 nm，D =39.73 nm，D97=91.61 nm。乳液的多分散性指数为0.218，分散相粒径小于91.61 nm的占97%。乳液粒径小，粒径分布窄，能够形成稳定的水性体系。因此乳液能够快速渗透到碳纤维束内部，充分浸润碳纤维束，从而提高纤维的集束性和抱合力，改善碳纤维的耐磨性能。

图1 上浆剂的粒径分布

2.3 碳纤维外观形貌分析

用电子扫描显微镜对上浆前后碳纤维的外观形貌进行观察，见图2。从图2(a)中可以看出，上浆前的碳纤维表面有深浅不一的纵向沟槽，均匀地分布在纤维上。从图2(b)可以看出，碳纤维表面的沟槽基本消失，纤维表面形成一层透明的薄膜，且薄膜光滑、平整、连续，能够有效地保护碳纤维，提高碳纤维的耐磨性能及后加工性能。

图2 碳纤维原纱和上浆纱的电子扫描图

2.4 上浆剂对碳纤维加工性能的影响

表1为碳纤维上浆前后耐磨次数和毛丝量的变化。在后加工过程中，纤维之间的摩擦、反复的拉伸、机件的冲击作用等会导致纤维产生毛丝、单丝断裂，甚至断头等现象，影响后加工产品的质量及生产效率，所以耐磨性对碳纤维的后加工有很大的影响。毛丝会降低纤维的润湿性能，使纤维与基体树脂不能充分润湿，从而使制得的复合材料中产生空隙，影响复合材料的力学性能;同时，毛丝的存在类似纺织生产中的飞花，会对工人的身体健康产生危害，所以毛丝量的大幅减少可提高碳纤维的后加工性能。由表1可知，经水性环氧树脂上浆剂上浆后，碳纤维毛丝量减少了87.5%，耐磨次数提高了91.6%。其主要原因:一是上浆剂在单丝表面形成一层薄的光滑而坚韧的保护膜，使碳纤维在加工中不易磨损，提高纤维的耐磨性，降低了单丝断裂的可能性;二是上浆可以贴伏丝束表面的毛丝，提高纤维束的抱合力，使单丝不易从纤维束中抽拔出来，从而提高碳纤维的耐磨性能，同时减少了毛丝。

表1 上浆前后碳纤维加工性能比较

2.5 上浆剂对复合材料界面剪切强度的影响

上浆剂是碳纤维与基体树脂之间真正的界面薄层，起承接的作用，对界面剪切强度具有很大影响。由表2可知，碳纤维经水性环氧树脂上浆剂上浆后，界面剪切强度提高了30.09%。EP618经亲水化改性后，增加了分子中的活性基团，提高了环氧树脂与碳纤维之间的化学键合力;此外，水性环氧树脂上浆剂成分与基体树脂EP618成分相近，相容性好，能够与基体树脂牢固地黏结在一起。因此，水性环氧树脂上浆剂将碳纤维与基体树脂牢固地结合在一起，提高了复合材料的界面剪切强度。

表2 上浆前后复合材料界面剪切强度比较

3 结语

采用所研制的改性环氧树脂水性体系作为上浆剂，具有乳液粒径小，粒径分布范围窄，稳定性好，在碳纤维上成膜性能优良的特点;同时使用水作为溶剂，环境污染小，经济成本低。上浆后的碳纤维耐磨性显著提高，毛丝量减少，与基体树脂EP618的界面剪切强度提高了30%左右。

［1］芦长椿.PAN基碳纤维生产现状与市场［J］.纺织导报，2007(12):61-64.

［2］贺福.碳纤维及其应用技术［M］.北京:化学工业出版社，2004:228-230.

［3］张肇英，黄玉惠，廖兵，等.环氧树脂水性化改性及其固化［J］.高分子通报，2000(3):77-81.

［4］Chinese Petroleum Corp(TW).Curable system of selfemulsified aqueous epoxy resin and its polymeric hybrids:USP，6291554［P］.2001-09-18.

［5］雒廷亮，孟校威，徐丽，等.化学改性E-51环氧树脂水性体系工艺研究［J］.河南化工，2006，23(4):20-22.

［6］孙曼灵.环氧树脂应用原理与技术［M］.北京:机械工业出版社，2002:89-91.

［7］NISHIMURA I.Sized carbon fiber strand，and prepreg containing the carbon fiber as reinforcing fiber，and itsmolded product:JP，10266076［P］.1998.

［8］高久明，塩谷正俊，李友青.利用单纤维碎裂法评价复合材料中纤维－基体界面剪切强度［J］.纤维复合材料，1996，6(2):51-57.

A waterborne epoxy resin sizing agent for carbon fiber and its properties

Li Chao，Guo Lamei
(College of Textiles，Donghua University;Engineering Research Center of Technical Textile，Ministry of Education)

In order to be water soluble，epoxy resin，modified by coupling，is prepared to modify epoxy resin aqueous system with proper concentration.PAN-based carbon fiber is sized by this sizing agent and measured for properties.The surface morphology，abrasive resistant，breaking amount and the interfacial shear strength before and after the sizing were studied.The results show that the sizing agent，containing the modified epoxy resin，can produce an integrated flexible and smooth film on PAN-based carbon fiber，the abrasive resistance and interfacial shear strength are improved，and the breaking amount is reduced.

carbon fiber，waterborne epoxy resin，sizing agent，property analysis

TQ342.742

A

1004－7093(2011)06－0040－03

2010－10－09

李超，男，1987年生，在读硕士研究生。主要从事水性环氧树脂碳纤维上浆剂的研究。

郭腊梅，E-mail:lmguo@dhu.edu.cn