碳化硅纤维上浆技术探究

杨明杰 韦 鑫 张 元 张亮儒 董经经

（陕西省纺织科学研究院，陕西西安，710038）

碳化硅纤维具有抗氧化、耐化学腐蚀、耐高温、高比强度、高比模量等优异性能，一直被作为军事敏感材料［1］。同时碳化硅纤维作为一种新兴领域的特殊结构增强材料，广泛用于高精尖技术领域，如航空航天、火箭发动机、核聚变炉等［2］。在高性能纤维复合材料领域，以陶瓷为基体，以碳化硅纤维为增强体复合而成的一类陶瓷基复合材料，具有低密度、高强高模、耐高温、抗氧化、抗蠕变、抗热冲击、耐腐蚀、材料热膨胀系数小等性能优点，在航空发动机上具有巨大的应用潜力［3‐4］。碳化硅纤维机织物和碳化硅纤维编织物作为碳化硅纤维陶瓷基复合材料的骨架材料，主要解决碳化硅纤维应用工程中的难题，是将一维形式的碳化硅纤维加工成二维或多维形式的碳化硅纤维集合体，是制作碳化硅纤维陶瓷基复合材料的增强材料，为实现碳化硅纤维陶瓷基复合材料的应用奠定了一定的基础。

经纱上浆是经纱织造的关键工序［5］，对于高性能纤维经纱织造也是如此。碳化硅纤维作为一种极具潜力又性能优异的高性能纤维，在织造和编织过程中，由于其纤维模量高、集束性差、单丝脆性大，当纤维和纤维、纤维和钢筘、纤维和纱架之间相互摩擦时，很容易发生单丝断裂而导致纤维束劈丝甚至断裂等现象，对碳化硅纤维性能的损伤很大，这不仅影响碳化硅纤维的织机效率，也严重影响碳化硅织物的产品质量。因此，对碳化硅纤维进行上浆，对于提高碳化硅纤维的织机效率和碳化硅织物的产品质量起着关键作用。

1 碳化硅纤维浆纱技术研究现状

碳化硅纤维同碳纤维等高性能纤维一样，属于脆性材料，断裂伸长率低且弹性小，现有国产碳化硅纤维与国外碳化硅纤维相比，力学性能差距还比较大。在生产应用过程中，纤维与机械之间相互摩擦，使纤维束中的单丝发生断裂，产生毛丝现象，纤维的强度降低；并且用于增强复合材料的碳化硅纤维织物和预制体在织造和编织过程中，由于受到人工或机械的反复拉伸、摩擦和弯曲等作用，造成纤维束发毛、松散或劈丝甚至断经，并使织造时开口不清晰，从而导致纤维交织、纠缠，难以顺利织造，严重影响碳化硅纤维预制体的质量；而碳化硅纤维预制体和三维立体编织物作为先进复合材料的增强骨架，其结构及性能对复合材料的性能起至关重要的作用。现有的研究结果表明：在碳化硅纤维的系统制造和织造过程中，对碳化硅纤维进行上浆是碳化硅纤维应用过程中必不可少的重要环节；上浆后碳化硅纤维的各种性能，如耐磨性和集束性都将得到很大提高，纤维的柔韧性和硬挺度也得到有效调节，减少了加工应用过程中纤维毛丝的产生，满足后续工序中对碳化硅纤维进行机械加工的性能需求。因此，碳化硅纤维作为一种新型的高性能纤维，在应用和织造过程中也需要上浆来满足加工要求。此外，在编织异形复杂件、高厚预制件时，对碳化硅纤维的编织性要求更高，普通的浆纱工艺和浆纱效果无法满足实际生产的要求。为实现碳化硅纤维预制体的稳定生产，必须探究新的上浆工艺及上浆剂对纤维表面进行上浆处理，以提高其在多种结构预制体中的可织性和可编性［6‐7］。

目前，由于国防技术的敏感性和国外技术的封锁，暂未获得更多国外关于像碳化硅纤维这类新型高性能纤维的上浆资料，而国内对碳化硅纤维的上浆研究尚处在研究论证阶段，还未有对碳化硅纤维上浆提出实质的解决方案。鲁祥勇等［8］为了提高碳化硅纤维的可织性和丝束强度，在纤维制备过程中采用乳液型上浆剂对碳化硅纤维进行上浆，这样使碳化硅纤维的集束性和毛丝的聚拢性都变得更好，纤维的表观形态也得到提升。然而这种在纤维制备过程中的上浆方法要求上浆温度达到110 ℃甚至更高，上浆过程难以控制，而且上浆后纤维性能虽有所提高，但未提到是否满足生产和织造要求。为了解决生产和织造过程中出现的问题，赵玉芬等［9］对碳化硅纤维进行二次表面上浆的浆液配方、浆液性能、浆膜性能及上浆后的浆纱性能进行了分析和研究，得出最佳的上浆工艺；在最佳工艺条件下对碳化硅纤维进行上浆，上浆后碳化硅纤维束表面性能得到明显改善，耐磨性也得到提高，纤维比较柔软，更能满足碳化硅纤维的织造要求。

2 碳化硅纤维上浆剂的选择及应用效果

高性能纤维如碳纤维等已经具有成熟生产和应用体系的上浆剂种类比较多，各个生产企业使用的上浆剂不尽相同，像碳化硅纤维、氮化硅纤维等国内新兴高性能纤维的上浆剂尚在研究与开发阶段。据现有资料记载，满足高性能纤维上浆要求的上浆剂主体成分有树脂类和聚氨酯类［10‐11］，但在实际生产过程中，考虑到复合工艺的需要，应用更多是树脂类上浆。

为了提高纤维束的力学性能，必须使用上浆剂对碳化硅纤维进行初次上浆。优良的上浆剂能显著提高碳化硅纤维的实用价值，但在后序应用过程中，由于要经过经纱架、张力辊、钢筘等产生机械摩擦和人工磨损，以及在织造过程中纤维与纤维的勾结，使碳化硅纤维易产生毛丝及单丝断裂等现象。此外，在编织异形复杂件、高厚预制件时，对碳化硅纤维的编织性要求更高，因此在编织和织造之前，无论二代还是三代碳化硅纤维都必须对其进行二次上浆，以保证织造和编织的顺利进行。

由于碳化硅纤维在国内属于新兴高性能纤维，上浆剂的研究还不成熟，普通上浆剂的上浆效果不佳，也不能满足实际生产的需求。国外虽有成熟的碳化硅纤维上浆体系，但由于行业技术的封锁和商业机密，很难查到相关资料。以往树脂溶液一般是无机纤维采用的上浆剂，但由于树脂溶液的溶剂易挥发，挥发后使树脂残渣残留在导辊上，使导辊变得粗糙，增大了纤维与导辊接触时的摩擦，造成更大的损伤，同时又因溶剂的挥发而污染环境，鉴于此，目前国内高性能纤维多采用乳液型上浆剂。乳液型上浆剂不仅可以避免上述上浆过程中的缺点，而且可以通过加入一些表面活性剂来改善浆液性能，从而大大提高浆液在纤维表面的成膜性和包覆性，以及丝束之间的黏连性，增强纤维的集束性。

碳化硅纤维作为一种脆性材料，其拉伸强度受制于纤维条干的均匀性。由于生产条件和生产环境的影响，生产过程中纤维条干随机分布缺陷和裂纹，使纤维的拉伸强度呈现一定的不均匀性，对碳化硅纤维在实际中的应用也会造成影响。碳化硅纤维的断裂往往是由表面缺陷引起的，而纤维表面浆膜可有效弥补纤维表面裂纹和缺陷，因此碳化硅纤维采用乳液型上浆剂上浆对提高纤维的承载能力有较大贡献。

2.1 碳化硅纤维上浆剂的选择

由于碳化硅纤维增强材料在编织或织造完成后，要经过后序陶瓷基或树脂基的复合才能形成完整的成品件；而对于特定的复合材料增强基体，在进行复合工序时，碳化硅纤维必须较好地与之相结合。因此，在选择碳化硅纤维上浆所用的浆料时，必须要选择既不影响后序的复合工序，又能满足碳化硅纤维上浆要求的上浆剂，从而起到保护碳化硅纤维表面的同时又能改善复合材料界面之间相互结合的作用。合适的上浆剂才能改善碳化硅纤维与复合材料基体之间的黏结，使载荷有效地通过基体传递到纤维增强体上，从而使纤维增强体真正起到承载作用。

2.1.1 PVA 浆料

起初为了让碳化硅纤维有较好的集束性，通过对已有浆料的了解，使用PVA 浆料对碳化硅纤维进行上浆；上浆后对纤维进行性能测试和织造试验，经多次试验发现PVA 浆料的成膜性好，黏结性强，可很好地将碳化硅纤维束黏结在一起，并在纤维表面形成一层保护膜，增强了纤维的耐磨性，减少了织造过程中纱线断头、劈丝等现象，改善了碳化硅纤维的表面形态。但是，上浆后的碳化硅纤维硬挺度大，柔韧性差，勾结强度极低，纤维束硬而脆，很容易在织造过程中因弯折而脆断，造成断经从而无法顺利进行织造。因此在试验过程中，暂不考虑PVA 浆料的规模化生产使用。

2.1.2 环氧树脂

搜集现有与碳化硅纤维上浆有关的资料，寻求更适合碳化硅纤维的上浆剂——环氧树脂浆料。环氧树脂浆料分散性均匀，对极性液体的作用力大、黏附性强，干燥时收缩比低［12‐15］。通过多次试验不同含固量的环氧树脂浆料，优化环氧树脂浆料的上浆配比，并对碳化硅纤维进行上浆试验。通过扫描电镜观察分析，对比采用环氧树脂浆料上浆前后的碳化硅纤维外观，如图1 所示。

图1 上浆前后碳化硅纤维的外观

由图1 可以看出，上浆前纤维束较松散，上浆后碳化硅纤维的集束性和条干均匀性均有所提高。上浆后单纤维相互黏结在一起，提高了纤维束的集聚性，这主要是由于上浆后浆液渗透在纤维束内部和包覆在纤维束表面，使纤维束表面的毛丝紧紧地贴伏在纤维上，增强了碳化硅纤维单丝之间的相互黏结性，从而使原本抱合力较小的单纤维丝束紧密地黏结在一起，碳化硅纤维集束性得到明显改善，提高了纤维的强伸性能；而且环氧树脂浆液在纤维表面形成一层浆膜，纤维的柔韧性也得到明显改观，提高了纤维的可织性，更有利于织造的顺利进行。

2.2 碳化硅织物性能

通过对浆料的分析，使用PVA 浆料对碳化硅纤维进行上浆后，纤维的各种性能对织造的贡献有限，所试织的织物本身性能也较差，因此采用环氧树脂浆料对线密度180 tex 碳化硅纤维进行上浆。采用上浆后的碳化硅纤维试织幅宽为80 cm、经密和纬密均为80 根/10 cm 的碳化硅织物，记录织造过程中纤维的织造情况，对织造后的碳化硅织物进行取样测试，测试结果如表1 所示。

由表1 可以看出，试织后的碳化硅织物各项性能指标都满足其标准要求，且在织造过程中，碳化硅纤维集束性好，纤维毛丝量少，纱线断头率低，大大提高了碳化硅纤维的织造性能和织机效率。PVA 浆料虽然对碳化硅纤维能起到一定的集束性，但对后续织造环节的作用甚微，甚至有负面作用，而环氧树脂类浆料对于碳化硅纤维的上浆效果明显，且上浆后的浆纱性能得到很大改观，织造过程中碳化硅纤维损伤较小，织造过程顺利，织物性能满足用户要求。

表1 碳化硅织物的主要性能指标

3 结语

目前，通过改变截面形状、引入异质元素、表面改性等方法可制备出具有低电阻率、吸波型、高抗拉强度、耐超高温等特性的功能化碳化硅纤维，使碳化硅纤维的应用也越来越广泛，同时一些尖端技术对碳化硅纤维综合性能的要求也越来越高。上浆剂是高性能碳化硅纤维的重要辅助材料，但国外对碳化硅纤维上浆剂的种类和配方是保密的，而国内对碳化硅纤维的上浆研究尚处在研究论证阶段。因此，加强对国产碳化硅纤维上浆技术的研究对于提高纤维性能，适应高性能产品开发具有重大意义。