基于正交试验设计的碳纤维对PA 12的静电吸附

董 特，冯 凯*，李铸国，陶 可

（1.上海交通大学材料科学与工程学院 上海市激光制造与材料改性重点实验室，上海市 200240；2.上海交通大学材料科学与工程学院复合材料研究所，上海市 200240）

基于正交试验设计的碳纤维对PA 12的静电吸附

董 特1，冯 凯1*，李铸国1，陶 可2

（1.上海交通大学材料科学与工程学院 上海市激光制造与材料改性重点实验室，上海市 200240；2.上海交通大学材料科学与工程学院复合材料研究所，上海市 200240）

采用碳纤维和热塑性工程塑料——聚酰胺（PA）12粉末作为模型，通过静电流化床的静电吸附作用，使固定在流化床上的碳纤维吸附PA 12。研究了吸附时间、静电压、气流压力、碳纤维剥离数、碳纤维种类以及PA 12粉末粒径等对PA 12与碳纤维质量比（记作P/F）的影响规律，并借助正交试验，得出扩大试样P/F的最佳工艺参数。结果表明：静电吸附实验中，碳纤维应放置在吸附室的中间，且与操作者平行；静电流化床的宽度减小，P/F也相应减少；若将PA 12粉末粒径由70 μm减少至8 μm，吸附效果会变差；当PA 12粉末粒径为70 μm时，能够得到最佳P/F的工艺参数：吸附时间为1 min，静电压为30 kV，气流压力为0.14 MPa，碳纤维剥离数为4束，纤维种类为3 k。

碳纤维 聚酰胺 粉末浸渍 静电吸附 正交试验

碳纤维增强树脂基复合塑料是以碳纤维为增强体、有机合成树脂为基体的一类复合材料，基体通常为热固性或热塑性树脂［1］。与热固性树脂基复合塑料相比，热塑性树脂基复合塑料具有很多独特优点，如韧性好、耐反复冲击、损伤容限大、耐化学药品腐蚀性好、预浸渍无储存时间限制等，其发展速度极大超过了热固性树脂基复合材料，产量占树脂基复合材料总量的1/3［2-3］。目前，制备连续热塑性树脂/碳纤维复合材料的最大难题是：在熔融状态下，树脂熔体黏度大，浸渍碳纤维困难。因此，在制备复合材料之前需要将树脂与碳纤维进行预浸渍，预浸渍方法有熔融浸渍、溶液浸渍、粉末浸渍和纤维共混方法等。其中，粉末预浸渍是一种很重要的方法，这种工艺能快速产生热塑性浸渍带，纤维损伤少，聚合物无降解，成本低，但目前对粉末浸渍过程中的相关因素及影响规律尚不清楚［4-7］。

本工作采用碳纤维和热塑性工程塑料——聚酰胺（PA）12粉末作为模型，通过静电流化床的静电吸附作用，并利用正交试验系统研究了碳纤维的放置位置、吸附时间、静电压、气流压力、PA 12粉末粒径、碳纤维剥离数及其种类对碳纤维吸附PA 12的影响规律［8-9］。碳纤维进行静电吸附后的质量。

通常将10 phr碳纤维由左向右、由外及里依次放置于吸附室支架上1～5以及a～e等位置（见图1）。随后设定不同的吸附时间、静电压、气流压力、碳纤维种类、碳纤维剥离数及静电流化床宽度，依次研究不同条件参数设定情况下P/F的变化规律及大小。最后，依据正交试验设计安排各类影响因素，挑选部分具有代表性的水平组合进行实验，并通过对实验结果的处理与分析，全面了解实验的情况，得到最佳P/F的加工工艺参数。

图1 碳纤维放置位置示意Fig.1 Placement of carbon fiber

1 实验部分

1.1 主要原料及设备

碳纤维，规格为3 k（1 k为1 000根碳纤维丝），6 k，12 k，中复神鹰碳纤维有限公司生产；PA 12，平均粒径分别为8，70 μm，上海可孚化工有限公司生产。静电流体床，中国浙江天力建设集团有限公司太仓分公司生产，由静电发动机、液化机器、粉末吸附室、粉末回收机以及提供气流的空气压缩机组成。工作原理：静电发动机使PA 12粉末产生静电效应，粉末将在吸附室空气流的作用下县浮［10-11］；通过静电力的作用，流动的粉末被吸附室的碳纤维吸附；同时粉末回收机会将未被碳纤维吸附的粉末回收，以保持工作环境的干净。JSM 7600F型场发射扫描电子显微镜，日本电子株式会社生产。

1.2 实验步骤

将剪切成长度为30 cm的碳纤维称质量后，用两个金属夹子将碳纤维的两侧夹紧；然后将其放置在吸附室的支架上，打开静电流化床，设置一定的吸附时间、静电压和气流压力，使碳纤维吸附定量的PA 12粉末；最后将碳纤维放置在称量用纸上，并小心移走夹紧碳纤维的夹子，以保证精确称量碳纤维上吸附的PA 12粉末，同时也避免夹子上的粉末掉落在称量用纸上。试样吸附的PA 12粉末与碳纤维质量比（记作P/F）按式（1）［12］计算。

式中：m1为碳纤维进行静电吸附前的质量；m2为

2 结果与讨论

2.1 碳纤维放置位置的影响

按图1的位置放置碳纤维进行吸附PA 12粉末的实验，当碳纤维放置在位置a～e时，与操作者平行，中间位置碳纤维吸附PA 12粉末的质量最大，并由内到外依次减少。采用不同的静电压及气流压力，对PA 12粉末的吸附总量也不同。当碳纤维放置在位置1～5时，与操作者垂直，左侧位置对PA 12粉末的吸附总量远大于右侧位置，这是因为气流管在流化床的右侧位置，气流从左到右的分布不一样，气流会将大部分的PA 12粉末吹向左侧位置，使其吸附在左侧位置的碳纤维上。

2.2 吸附时间的影响

采用两组不同的静电压与气流压力，分别是20 kV和0.14 MPa，40 kV和0.16 MPa。从图2可以看出：P/F随着吸附时间的增加而增加。在初始阶段，碳纤维对PA 12粉末的吸附总量增加明显，在一定时间后（即拐点之后），P/F的增加逐渐变慢。当静电压为20 kV，气流压力为0.14 MPa时，拐点约为20 s；当静电压为40 kV，气流压力为0.16 MPa时，拐点约为45 s。因此，若希望碳纤维吸附更多的PA 12粉末，则需延长吸附时间至饱和吸附状态（即拐点以后）。同时在饱和吸附点（拐点）之后，P/F增加缓慢，这是因为一些流动的粉末由于重力作用沉淀在碳纤维上，这也是实验中需要考虑的一个关键因素。如果将吸附PA 12粉末的碳纤维挤压在一起，为了获得一定的P/F，需要小心调整吸附时间［13］。从图2还看出：饱和点均在吸附时间为60 s左右，为了使碳纤维对PA 12粉末的吸附达到饱和状态，后续的实验需要在60 s内完成。

图2 P/F与吸附时间的关系Fig.2 P/F ratio as a function of adsorbing time

2.3 静电压和气流压力的影响

基于理论的调整范围，事先评估不同的静电压与气流压力对碳纤维吸附PA 12粉末的影响规律［14］；然而在某些参数条件下，呈现出一些不合适的结果。例如静电压的理论范围是20～60 kV，如果将静电压增至50 kV，碳纤维吸附PA 12粉末的量非常大，且明显突出部分吸附的粉末很容易脱落，因此，选取20，30，40 kV的静电压进行实验。从图3看出：对于一定的气流压力，P/F随着静电压的增大而增大，几乎呈线性关系；在静电压一定的情况下，当气流压力从0.14 MPa增加至0.16 MPa，P/F明显增加；当气流压力为0.18 MPa时，PA 12粉末吸附达到饱和状态，再增大气流压力，P/F也不会产生明显变化。通过调整静电压和气流压力，P/F为0.27～1.00。

图3 静电压和气流压力对碳纤维吸附PA 12粉末的影响Fig.3 Influence of voltage and airflow pressure on PA 12 powder— 气流压力为0.14 MPa；— 气流压力为0.16 MPa；— 气流压力为0.18 MPa

静电压40 kV，气流压力0.16 MPa，吸附时间60 s时，从图4可以看出：大部分PA 12粉末（70 μm）粒子的粒径比碳纤维（12 k）大。因此，大部分PA 12粉末吸附于碳纤维束表面并均匀附着作为一个主要的均匀镀层表面。同时由于碳纤维之间有一定的间隙，一部分PA 12粉末被吸附在间隙里，因而碳纤维对PA 12粉末的吸附效果良好，且间隙里吸附的PA 12粉末在一定的程度上不会轻易地从碳纤维上脱落。

图4 碳纤维和PA 12粉末的扫描电子显微镜照片（×3 000）Fig.4 SEM images of carbon fiber and PA 12 powder-adsorbed sample

2.4 碳纤维剥离数和碳纤维种类的影响

采用平均粒径为70 μm的PA 12粉末以及12 k的碳纤维探究碳纤维剥离数对P/F的影响。当碳纤维被均匀剥离为2束和4束，从图5a可以看出：随着碳纤维被等分的份数增加，P/F从1.00增大至1.20，呈正的线性关系。随着碳纤维剥离数的增加，碳纤维的表面积增加，从而使其能够吸附更多的PA 12粉末。由此，也提供了一种扩大P/F可控范围的方法。从图5b可以看出：对于6 k和3 k的碳纤维束，P/F接近1.50，且比12 k碳纤维束的高。因此，使用不同种类的碳纤维，也可以进一步扩大可控制参数，使P/F增加至1.50。

图5 碳纤维剥离数及种类与P/F的关系Fig.5 P/F ratio as a function of fiber splitting number and fiber type注： 静电压40 kV，气流压力0.16 MPa，吸附时间60 s。

2.5 静电流化床尺寸的影响

静电流化床的尺寸——长度（从左到右的长度）×宽度（从外至里的长度）一般是15 cm×15 cm。实验中，分别减少静电流化床的宽度至12，7 cm，P/F从静电流化床宽度为15 cm时的1.00分别减少至0.70，0.60。因此，可通过改变静电流化床的宽度来控制P/F，为生产线的设计提供了依据。

2.6 不同粒径PA 12粉末的比较

在静电压为40 kV，气流压力为0.16 MPa，吸附时间为60 s的条件下，测试了3 k，6 k以及12 k碳纤维对8 μm PA 12粉末的吸附情况，得到的P/F分别为0.32，0.25以及0.13，即碳纤维种类为3 k的碳纤维吸附PA 12粉末的质量大于其他两种碳纤维，表明P/F与碳纤维的剥离程度呈负的线性关系。相同的吸附条件下，测试了3 k，6 k以及12 k碳纤维束对70 μm PA 12粉末的吸附情况，得到的P/F分别为1.50，1.41以及1.00，P/F也与碳纤维束的剥离程度呈负的线性关系。8 μm PA 12粉末的P/F较70 μm的低很多，表明随着PA 12粉末粒径的减小，吸附效果变差。

为了更深层次地理解上述结果，安排实验评估不同粒径PA 12粉末的流动和液化状态。结果表明：将一个10 cm×10 cm的称量纸放在液化床的一边，在相同的吸附条件下，一些PA 12粉末会流动并沉淀到称量纸上。根据称量纸上吸附PA 12粉末的质量来决定粉末的流动情况，发现称量纸上70 μm的粉末质量（3次质量分别为2.457 5，2.136 7，2.210 4 g）大于8 μm的粉末质量（3次质量分别为0.048 5，0.042 5，0.046 1 g）。这表明通过液化床（空气流动和静电力）的作用，粒径越小的粉末颗粒流动越难。其中的原因可能是：1）提供静电压的功率低。在静电吸附室的过程中，与流动的大粒径的PA 12粉末粒子相比，小粒径PA 12粉末粒子会产生很高的比表面积（即吸附室内充满PA 12粉末的表面区域/体积），而比表面积越高，表面能越高，PA 12粉末粒子聚集的趋势越大。8 μm PA 12粉末粒子的比表面积大约是70 μm PA 12粉末粒子的10倍，8 μm PA 12粉末液化的大部分能量都用来克服表面能，因此，使8 μm粉末粒子难以流动。2）对于流动的PA 12粉末，空气流动的阻力和静电力比粉末的重力大。对于粒径较大的粉末粒子，空气流动的阻力和静电力较大，且比小粒径的大得多，因此，对于大粒径粒子，液化力与重力之差远大于小粒径粒子。因而大粒径的PA 12粉末粒子也更容易流动漂浮［15］。

2.7 正交试验结果

2.7.1 正交试验方案

选择L18（37）的正交试验，选取吸附时间、静电压、气流压力、碳纤维剥离数以及碳纤维种类5因素，再各取3水平。70 μm PA 12粉末静电吸附过程中的试验因素与水平见表1。

2.7.2 正交试验结果

18组实验所测定的P/F分别为0.40，0.29，0.20，0.43，0.38，0.58，0.97，1.17，1.10，0.35，0.26，0.46，0.79，0.50，0.43，1.12，1.76，1.40。从表2可以看出：极差由大到小依次为因素A、因素E、因素D、因素C、因素B，说明5因素之间存在不可忽略的交互作用。极差最大的是吸附时间，其极差值为0.931，说明多种影响因素中，吸附时间对P/F的影响最显著；因素A中K-g3最大，最优水平选水平3；因素B中K-g2最大，最优水平选水平2；因素C中K-g1最大，最优水平选水平1；因素D中K-g3最大，最优水平选水平3；因素E中K-g1最大，最优水平选水平1。从而得到最优水平组合为A3B2C1D3E1，即对于粒径为70 μm的PA 12粉末，扩大试样P/F的最佳工艺方案为：吸附时间60 s，静电压30 kV，气流压力0.14 MPa，碳纤维剥离数为4束，碳纤维种类为3 k。 1.50；P/F随吸收室中静电流化床宽度的减小而减小。随着PA 12粉末粒径的减小，吸附效果变差，粒径为70 μm时P/F为1.00～1.50，粒径为8 μm时P/F为0.14～0.32。

表1 试验因素与水平Tab.1 Experimental factors and level

b）通过设计L18（37）正交试验，得出影响P/F的主次因素，由大到小依次为吸附时间、碳纤维种类、碳纤维剥离数、气流压力、静电压。

c）PA 12粉末粒径为70 μm时，能够得到的最佳P/F的工艺参数是吸附时间60 s，静电压30 kV，气流压力0.14 MPa，碳纤维的剥离数为4束，碳纤维的种类为3 k。

表2 正交试验结果的极差分析Tab.2 Range analysis on results of orthogonal experiment

注： K-g1～K-g3分别为每一列因素（g）与每同一种水平（水平

1～3）所对应的均值，各因素依次为：吸附时间12，30，60 s；静电压20，30，40 kV；气流压力0.14，0.16，0.18 MPa；碳纤维剥离数为1，2，4束；碳纤维的种类为3，6，12 k。

2.7.3 验证实验

因为最优方案是A3B2C1D3E1，并未包括已经做过的18组实验，故仍需再作一次实验验证，在最佳工艺方案下，所得P/F为1.83。其值大于已做过18组实验中任一个P/F，因而最优组合是正确的。

3 结论

a）在碳纤维静电吸附PA 12粉末的过程中，碳纤维应放置在吸收室的中间且平行于操作者；实验必须在一定的时间（60 s）内完成，以使粉末吸附达到饱和状态；通过分别调节静电压和气流压力，P/F为0.27～1.00；增加碳纤维剥离数及使用不同种类的碳纤维，可以使P/F分别增大至1.20及

［1］ Barletta M，Gisario A. Electrostatic spray painting of carbon fiber-reinforced epoxy composites［J］. Pro Org Coat，2009，64（4）： 339-349.

［2］ Barletta M. Influence of process parameters in electrostatic fluidized bed coating［J］. Surf & Coat Technol，2006，200（14/15）： 4619-4629.

［3］ Nunes J P，Silva J F，Novo J P. Processing thermoplastic matrix towpregs by pultrusion［J］. Adv Polym Technol，2013，32（1）：306-312.

［4］ 周晓东，张春光，潘伟. 粉末浸渍长玻璃纤维增强聚丙烯的压缩模塑［J］. 复合材料学报，2003，20（2）：19-24.

［5］ 倪礼忠，周权.高性能树脂基复合材料［M］. 上海： 华东理工大学出版社，2010：5-39.

［6］ 孙宝磊，陈平，李伟. 先进热塑性树脂基复合预浸料的制备及纤维缠绕成型技术［J］. 纤维复合材料，2009，32（3）： 43-48.

［7］ 杨红梅. 玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的研究进展［J］.合成树脂及塑料，2002，19（3）：49-52.

［8］ 何映平. 实验设计与分析［M］.北京：化学工业出版社，2013：105.

［9］ 辛淑亮. 实验设计与统计方法［M］.北京：电子工业出版社，2015：147.

［10］ 崔平，何天白，朱锦. 碳纤维复合材料轻量化技术［M］. 北京： 科学出版社，2015：101-145.

［11］ Barletta M，Tagliaferri V. Electrostatic fluidized bed deposition of a high performance polymeric powder on metallic substrates［J］. Surf & Coat Technol，2006，200（14/15）： 4282-4290.

［12］ 隋月梅. CF/PEEK复合材料工艺的研究［D］.哈尔滨： 黑龙江大学化学学院，2005.

［13］ Barletta M，Simone G，Tagliaferri V. Advance in fluidized bed coating： an experimental investigation on a performance polymer coating alloy ［J］. Pro Org Coat，2006，178（1/2/3）： 170-180.

［14］ Novo P J，Silva J F，Nunes J P，et al. Pultrusion of fibre reinforced thermoplastic pre-impregnated materials［J］. Compos Part B：Eng，2016，89（10）： 328-339.

［15］ Ye Qing，Domnick J.On the simulation of space charge in electrostatic powder coating with a corona spray gun［J］. Power Technol，2003，135（SI）： 250-260.

Electrostatic adsorption of carbon fi ber to PA 12 based on orthogonal experimental design

Dong Te1， Feng Kai1， Li Zhuguo1， Tao Ke2
（1.Shanghai Key Laboratory of Materials Laser Processing and Modi fi cation， School of Materials Science and Engineering， Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200240， China； 2. Institute of Composite Materials Research， School of Materials Science and Engineering，Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200240， China）

The carbon fiber and thermoplastic engineering plastic powder，polyamide 12（PA 12）were used as the model，and carbon fiber was fixed on the fluidized bed to adsorb PA 12 powder by electrostatic adsorption. The impacts of adsorption time，static voltage，airflow pressure，fiber splitting number，fiber type and particle size of PA 12 on the mass ratio of PA 12/carbon fiber（P/F）were investigated. The optimal parameters for P/F were obtained via the orthogonal experiment. The results show that carbon fiber should be laid at the middle of adsorbing room and parallel to operator in the electrostatic adsorption experiment. P/F decreases with the narrowing of fluidized bed. The particle size of PA 12 is reduced from 70 to 8 μm，which leads to poor adsorption effect. When the particle size of the powder is 70 μm， the optimal parameters are obtained as follows： adsorbing time is 1 min，static voltage is 30 kV，airflow pressure is 0.14 MPa，fiber splitting number is 4，and fiber type is 3 k.

carbon fiber； polyamide； powder impregnation； electrostatic adsorption； orthogonal experiment

TQ 327.3

B

1002-1396（2017）04-0009-05

2017-02-28；

2017-05-26。

董特，女，1991年生，在读研究生，研究方向为热塑性碳纤维增强树脂基复合材料的制备及其光纤激光焊接。E-mail： dongtescuedu@163.com；联系电话：13262289656。

*通信联系人。E-mail： fengkai@sjtu.edu.cn。