1、碳纤维材料机械工程材料机械工程材料目 录1碳纤维的性质2碳纤维的加工3碳纤维的应用碳纤维性质缺点特性化学性质分类成分结构 碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的79倍，抗拉弹性模量为230430Gpa亦高于钢。因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。材料的比强度愈高，则构件自重愈小，比模量愈高，则构件的刚度愈大，从这个意义上已预示了碳纤维在工程的广阔应用前景。 聚丙烯腈（PAN）基碳纤维（用量最大）粘
2、胶基碳纤维沥青基碳纤维木质素纤维基碳纤维其他有机纤维基碳纤维碳纤维分类 受力结构用碳纤维 耐焰碳纤维 活性碳纤维 导电用碳纤维 润滑用碳纤维 耐磨用碳纤维根据原丝类型分类根据碳纤维的性能分类根据功能分类高性能碳纤维：高强度碳纤维、高模量碳纤维、中模量碳纤维等低性能碳纤维：耐火纤维、碳资纤维、石墨纤维等 碳纤维是含碳量高于90%的无机高分子纤维 。其中含碳量高于99%的称石墨纤维。碳纤维的轴向强度和模量高，无蠕变，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小，耐腐蚀性好，纤维的密度低，X射线透过性好。但其耐冲击性较差，容易损伤，在强酸作用下发生氧化，与金属复合时会发生金属碳化、渗碳
3、及电化学腐蚀现象。因此，碳纤维在使用前须进行表面处理。化学性质碳纤维是高级复合材料的增强材料，具有轻质、高强、高模、耐化学腐蚀、热膨胀系数小等一系列优点。一、轻质、高强度、高模量 碳纤维的密度是1.6-2.5g/cm3，碳纤维拉伸强度在2.2Gpa以上。因此，具有高的比强度和比模量，它比绝大多数金属的比强度高7倍以上，比模量为金属的5倍以上。由于这个优点，其复合材料可广泛应用于航空航天、汽车工业、运动器材等。二、热膨胀系数小 绝大多数碳纤维本身的热膨胀系数，室内为负数（-0.5-1.6）10-6/K，在200400时为零，在小于1000时为1.510-6/K。由它制成的复合材料膨胀系数自然比较
4、稳定，可作为标准衡器具。三、导热性好 通常无机和有机材料的导热性均较差，但碳纤维的导热性接近于钢铁。利用这一优点可作为太阳能集热器材料、传热均匀的导热壳体材料。四、耐化学腐蚀性好 从碳纤维的成分可以看出，它几乎是纯碳，而碳又是最稳定的元素之一。它除对强氧化酸以外，对酸、碱和有机化学药品都很稳定，可以制成各种各样的化学防腐制品。我国已从事这方面的应用研究，随着今后碳纤维的价格不断降低，其应用范围会越来越广。五、耐磨性好 碳纤维与金属对磨时，很少磨损，用碳纤维来取代石棉制成高级的摩檫材料，已作为飞机和汽车的刹车片材料。六、耐高温性能好 碳纤维在400以下性能非常稳定，甚至在1000时仍无太大变化。
5、复合材料耐高温性能主要取决于基体的耐热性，树脂基复合材料其长期耐热性只达300左右，陶瓷基、碳基和金属基的复合材料耐高温性能可与碳纤维本身匹配。因此碳纤维复合材料作为耐高温材料广泛用于航空航天工业。七、突出的阻尼与优良的透声纳 利用这二种特点可作为潜艇的结构材料，如潜艇的声纳导流罩等。碳纤维的缺点1、复杂的应力计算 碳纤维的特点是拉伸强度强，但剪断强度弱，加工时需要进行复杂的应力计算(纵刚性、横刚性)，根据计算把碳纤维片重叠成型。2、难于更改尺寸 由于作好模具后成型，难于更改尺寸。无法相应多尺寸多款式的订单。 3、老化很多使用者发现碳纤维产品放置在阳光下时会逐渐变白。因此最好不要放置在阳光下。
6、4、价格较高原因有两个：1. 生产原材料的厂家不多，产量有限。2.工艺复杂，开模的费用较高，机械价格也较贵。 聚丙烯腈基碳纤维加工表面处理技术碳化工艺预氧化工艺纺丝工艺PAN原丝的共聚组成设计上浆工艺 为了使纤维具有一定的耐热性，单体AN摩尔分数（ )应在95以上，否则前驱的耐热性不足，得到的碳纤维的构造不完全，在碳化时聚合体显著软化，弹性率低下的同时强度低下，难以得到高强度碳纤维。 含有羧基、磺基、氨基、胺基等亲水性官能团的乙烯系化合物，作为PAN的共聚单体在纺丝时能促进凝固丝沉淀构造细微化，可以使前驱体纤维的孔隙构造减少，从而提高碳纤维的拉伸强度，但含有羧基的乙烯化合物能同时赋予前驱体纤维
7、必要的预氧化促进性和亲水性，这一、PAN原丝的共聚组成设计x类乙烯化合物主要为有机酸和它们的碱金属盐、铵盐以及其烷基酯类，丙烯酰胺，甲基丙烯酰胺等，其中丙烯酸、甲基丙烯酸，衣康酸较好，但衣康酸仅以少量进行聚合就能提高聚合体的亲水性，同时有促进预氧化的效果。 含有羧基的乙烯化合物的共聚合 在0.3-5.0较好，不足0.3，共聚合体的亲水性不足，超过5.0，共聚合体的耐热性低下。 羧酸本身赋予亲水性的效果极低，所以在聚合后用氨气中和羧基的一部分或全部，形成铵盐能进一步提高共聚体的亲水性，从而形成致密的纤维结构。如果不中和羧酸，则在拉伸时可能会有取向度的提高不明显，耐热性不足，碳化时单丝问的并丝显著
8、发生。 在预氧化时有促进氧元素透过性的乙烯化合物主要为不饱和羧酸酯类，如衣康酸，当这类在预氧化中具有促进氧透过性的乙烯化合物的为0.5-5.0时，共聚合不足0.5，氧元素透过性难以发挥，超过5.0，共聚合体的耐热性低下。二、纺丝工艺 1.纺丝方法 PAN原丝的纺丝方法主要有熔融纺丝、干式纺丝、湿式纺丝、干湿式纺丝等方法。 干式纺丝 干式纺丝方法是将纺丝原液经喷丝板从喷丝孔挤出于高温的气体氛围中，使溶剂蒸发浓缩、固化的方法，牵引速度受溶剂的蒸发速度制约。另外，采用干法生产的纤维溶剂不容易洗净，如果纤维中残留少量溶剂，在预氧化及碳化等一系列热处理过程中，溶剂挥发或分解会使纤维粘结，并产生缺陷，所得
9、碳纤维发脆或毛丝多、强度低。 湿式纺丝湿式纺丝方法是纺丝原液从喷丝孔挤出之后直接进行凝固，随着 牵引速度的增加，纺丝牵伸的倍率提高，在喷丝孔处易产生断丝，所以提高纺丝速度是有限度的。目前，国内大多采用湿式纺丝方法，控制适宜的凝固速度和拉伸方法等也可以得到高强度的碳纤维。 干湿式纺丝 干湿式纺丝方法是纺丝原液经喷丝板喷出之后先经过一小段(3-l0cm)空气层，然后再进入凝固浴。实质的纺丝牵伸在空气层内以原液流形式被吸收。所以在高速牵引方面比湿法纺丝较容易，该法的特点是喷丝孔孔径较大(0.100.30mm)，可使高粘度纺丝液成纤。空气层是有效的拉伸区，不仅可提高纺丝速度，而且容易得到高强度、高取向
10、的原丝，原丝的结构均匀致密，强度可达到7.62一l0.88cNdtex，比湿法原丝的强度为4.96.53cN/dfex高50以上，因此要得到高强度的碳纤维采用干湿法较好。 2.纺丝工艺2.1 纺丝原液及凝固成型条件 供给纺丝用的纺丝原液中共聚合体质量分数( )越高，在凝固过程中和沉淀剂的置换量越少，因而会更致密，对于提高碳纤维的强度是有效的。聚合体的为2235，更好为24一30”，如超过35，纺丝原液的粘度过高，易产生凝胶化，纺丝拉伸性和可纺性下降。不足22，则纤维致密性低下，即使拉伸也不能提高纤维的取向度，且耐热性不足。所以相对分子质量低时以高w、相对分子质量高时以低w进行纺丝较好。在45时
11、，纺丝原液粘度设定在30-100 Pas的范围内”，聚合物的可纺性和纤维的品质都较好。通过调节聚合物的相对分子质量来控制纺丝原液的 和粘度，可以在不降低可纺性的条件下，细微凝固构造，易得到致密性较高的纤维。凝固成型，就是纺丝原液的共聚合体在凝固浴中进行相分离形成初生纤维的过程，因此，凝固成型条件对前驱体纤维、碳纤维的构造形成以及拉伸特性有很大的影响。凝固溶剂通常采用DMSO、DMF、DMAc、NaSCN、zncl2等的水溶液，从可纺性考 虑，凝固速度快的DMSO、DMF、DMAc较好。但DMSO特别好。为得到孔隙构造少，致密性高的凝固丝，可以控制适宜的凝固速度和拉伸方法。降低凝固速度，在纤维表
12、面形成皮层很薄，形成的纤维结构致密。但凝固速度过于缓慢，提高纺丝速度的难度增大，另一方面，加快凝固速度，则凝固丝的内部构造变粗，不能得到高强度的碳纤维。凝固浴的温度也尽量保持低温较好，一般为20以下，l0以下最好。2.2 拉伸工艺 制取高强度的碳纤维，拉伸工艺起着关键性作用。纤维水洗后应进行拉伸，以便使原丝中PAN分子链沿纤维轴取向排列，可以进一步提高其取向度，改善纤维的力学性能。原丝中加入共聚组分及提高拉伸温度都有利于PAN分子链的移动，并使纤维的拉伸倍数得到提高。但一次拉伸的倍数有限，通常采用二次或多次拉伸来达到。一次拉伸一般在干燥致密化前于热水浴中进行，通常在50-98的拉伸浴中进行拉伸
13、2-6倍。二次拉伸一般在干燥致密化后于过热蒸汽中进一步拉伸。 蒸汽牵伸通常将蒸汽通入到拉伸管中进行拉伸较好，在拉伸管内部采用有丝条通过口的密封材料分割成预热区和加热区，分别控制各区的温度进行拉伸，这样可以改善拉伸的稳定性。在拉伸时，一般加热区的压力比预热区高0.024.9MPa，若此压力差低于0.2MPa，预热区的丝条易产生伸 张力斑和毛丝。若压力差超过4.9MPa，在拉伸时易发生丝条的熔断现象。 蒸汽拉伸倍率通常控制在4-6倍，总拉伸倍率为7-16倍，往往取决于蒸汽拉伸之前的拉伸倍率，两段以上的多段拉伸有利于强度的提高。 在蒸汽牵伸过程中应保证牵伸环境具有一定的湿度，使丙烯腈丝条含有少许水分
14、可改善丝条的可塑化效果，从而提高纤维的拉伸性。若丝条中的水分过低，塑化效果不好，拉伸性低下，从而引起单丝断裂或产生毛丝；丝条的水分率过高，则在后续的干燥过程中水分蒸发负荷增大。所以，一般拉伸后丝条水的 控制在2一30这一范围内。 拉伸时丝条的张力保持在0.088-0.883cN/dtex较好，0.177-0.706cN/dtex范围更好。拉伸张力低于0.088cN/dtex，则蒸汽压力过高(温度过高)会因熔断发生拉伸断裂的现象。拉伸张力超过0.883cN/dtex则蒸汽压力过低(温度过低)易发生拉伸断裂问题。 为了使原丝在预氧化过程中不产生烧结斑，纤维的纤度控制在0.11-1.1ldtex最好
15、，这样可使碳纤维的强度大幅度提高2.3 干燥致密化 为了制得高强度的碳纤维制备致密性高的原丝是极为必要的，日本专利对原丝结构致密化及其烧成碳纤维的质量之间的关系进行了研究，数据表明，原丝致密化程度越高，烧成碳纤维的机械性能越好。干燥致密化一般在上油后用热辊或热风进行干燥致密化。干燥致密化温度越低越好，但过低，油剂不能浸入，孔隙不能削减，长时间进行干燥致密化也不好，实质上千燥致密化温度在110-190的温度范围较好。东丽公司采用逐步升温的分段致密化工艺，先将水的 w为100-150的溶胀态纤维在100-300的热辊上干燥到水 w30以下，然后再用110-140的热辊将纤维干燥至水 w2以下，这样
16、对纤维进行缓慢的致密化，可防止产生皮芯结构，并可防止单丝间并丝。 2.4 上油工艺 为了改善纤维的集束性，须给前驱体纤维上油，一般分两次，分别在干燥致密化前和干燥致密化后进行上油。 在向水膨润丝条付与油剂时，若有油剂浸入到纤维表层部会阻碍纤维的致密化，从而在表层部产生微小孔隙，影响碳纤维强度的提高。目前的技术想充分抑制油剂的浸入还很困难的，如制丝技术中减少前驱体纤维的微小孔隙技术，优化凝固条件对未拉伸丝条进行致密化的技术、尽量提高拉伸浴温度对拉伸丝进行致密化的技术等，但这些技术对抑制油剂向表层浸入的效果不充分。为了抑制油剂的浸透，日本专利提出分两个阶段进行上油，可以减少微小孔隙的发生，控制油剂
17、的浸入，从而得到高强度的碳纤维。第一次上油采用Si元素的 w为0.01-0.1的硅酮系化合物构成的油剂，进行干燥致密化后，第二次上油采用Si元素的w 为0.02-5.0的硅酮油剂。 在上油过程中，硼元素化合物和硅元素化合物同样具有极高的耐热性，存在于纤维的表面，有防止单丝间粘结的效果，但单独使有因缺乏脱膜性，不能发挥高耐热性的效果。一方面，水溶性的硼元素化合物即使浸入到纤维内部，也不能阻碍致密化，所以和脱膜性优异的硅酮系油剂混合使用，可以有效地防止单丝间粘结，且能够得到么三小(孔隙小)的前驱体纤维。付着纤维中硼元素的 w通常控制在0.01-0.5这一范围内，低于0.01时，难以发挥防止单丝间粘
18、结以及缓和预氧化的效果，如该含量超过0.5时，预氧化过于迟缓，在纤维表面形成硬的皮膜，反而发生毛丝且质量降低。 上油方法：使丝条通过工程油剂浴中的驱动罗拉、非驱动罗拉、或者是固定非固定的导丝梳的付与方法，使丝条在上方喷洒油剂的液体中行走，或在正行走的丝条上方喷洒油剂，让丝条在喷雾油剂的空间行走等方法。 PAN纤维热稳定化反应的研究起始于20世纪50年代，最初的纤维环化结构是由Houlz叫提出来的，后来被Burlant、La Combe、Grassie等接受并加以改进，这就是现在经常被引用的聚酰亚胺“梯形结构”。 预氧化工序起到承前(PAN原丝)启后(碳化)的作用。均聚的PAN纤维软化点为104
19、，在317开始分解，所以PAN原丝不能直接拿去碳化，首先要在180300间进行预氧化。在预氧化过程中线性的聚丙烯腈结构脱氢并环化，转化为耐热稳定性好的梯形聚合物。 预氧化反应是在预氧化炉中进行的，一个完整的预氧化炉包括加热系统、牵伸系统、气氛场三部分。温度、时间、加热速度、热稳定化气氛等工艺参数都对热稳定化反应的动力学和热力学有直接影响。三、预氧化工艺3.1 加热系统 热稳定化温度和时间的优化对控制反应放热，提高反应速度、控制纤维成分和结构变化具有非常重要的作用。温度过低，环化反应速度缓慢，生产效率低；而温度过高，又会导致过度氧化，使碳化收率降低，同时容易产生皮芯结构。目前，预氧化炉大都采用在
20、180-300的温度范围内多段梯度升温，一般串联2-3个预氧化炉，每个预氧化炉又分为多个温区。每个温区对应不同的升温速率和停留时间。加热方式多为电阻丝加热，近年来也有采用射频负压软等离子法加热。3.2 牵伸系统 热稳定化过程的张力牵伸是制取高性能碳纤维的必备条件，可以提高预氧丝的取向度和降低孔隙率，在预氧化过程中不同的温区对应不同的牵伸倍率：在预氧化初期(低温区)，实施正牵。抑制物理收缩而引起的解取向；在高温区则实施负牵伸，控制纤维的化学收缩。 3.3 送风和排风系统 预氧化工艺的加热气体为净化的空气，其作用有三方面，一是做为氧化介质提供氧源；二是做为加热介质维持温度场的均一；三是瞬时带走反应
21、热和热解产物，为了达到较好的预氧化效果，热空气的流量、流速、流向、温度都有严格的控制。四、碳化工艺 预氧化后的预氧丝进入有高纯氮保护的碳化炉中进行碳化。在碳化过程中，梯形聚合物间发生交联，形成含共轭链的六元素环平面，聚合物逐渐向多晶碳结构转化，非碳元素从纤维中脱出，最终得到含碳量0.92以上的碳纤维。 预氧丝的碳化须经过低温碳化炉和高温碳化 炉，碳化炉由非接触式迷宫密封装置、加热系统、废气排出和处理系统以及牵伸装置等组成。 1.低温碳化 低温碳化炉温度为300一1000，这段温度范围挥发性物质大量逸出，导致纤维重量约减少一半。炉腔一般分为5-6个温区，并且由低到高形成温度梯度。加热方式多为电阻
22、丝加热，最近有人提出采用等离子体和射频加热法；碳化介质一般采用高纯氮，也可以加入少量CCl4或HCl做为补强气体；炉腔内为正压，采用非接触式迷宫密封装置并设有除焦油装置；整个低温碳化过程需要靠牵伸机组实施正牵伸来防止纤维大量热解而发生解取向。 2.高温碳化 在高温区分子链间发生交联反应，碳网平面进一步扩大，逐步转化成乱层石墨结构。高温碳化炉的温度为1000一1600，采用石墨发热体，三段梯度升温，保护气为高纯氮气，并利用非接触迷宫密封装置维持体系正压，出口设冷却装置，以防止纤维由于温度过高被空气氧化，高温碳化过程实施负牵伸定长。Ito Nilvako等在碳化过程中施加磁流率12T的高强磁场，制
23、得的碳纤维拉伸强度提高30，认为拉伸强度提高的原因是增加了碳纤维中碳环的各向异性。 五、表面处理技术 未经表面处理的碳纤维表面惰性大，缺乏具有化学活性的官能团，与基体的黏结性差，界面中存在较多的缺陷，限制了碳纤维高性能的发挥。因此，国内外对碳纤维的表面改性研究非常活跃。碳纤维的表面改性主要通过提高碳纤维表面活性，强化碳纤维与基体树脂之间界面性能，达到提高复合材料层间剪切强度的目的。目前表面处理改性的方法可以分为氧化法及非氧化法两大类 氧化法又分为气相氧化法、液相氧化法、气液双效氧化法、电化学氧化法。非氧化法分为气相沉积法、电聚合法、偶联剂涂层法、聚合物涂层法、晶须生长法、等离子体法等。2022
24、-5-3132 国外的碳纤维生产企业大多采用阳极氧化法，日本东丽公司、英国Courtauclds公司、原R.K公司和德国SGL公司均采用此方法。因此，它是一种技术成熟的表面处理方法。 电化学氧化法即阳极电解氧化法。它是以碳纤维作为阳极而浸在电解质溶液中的碳电极充当阴极，电解液中含氧阴离子在电场作用下向碳纤维移动，在其表面放电生成新生态氧，继而使其氧化，生成羟基、羧基、羰基等含氧官能团，同时碳纤维也会受到一定程度的刻蚀，产生了孔洞和沟槽，形成一定的粗糙度，从而增加了纤维与基体间的机械锲合作用。采用电化学氧化法，合理选择电化学氧化装置是保证实施碳纤维有良好的表面处理效果的前提条件。电化学氧化法20
25、22-5-3133 在选择电化学氧化装置时，要考虑的因素包括阴极的材料、电解质和电流的选择。 阴极的材料既要导电，又要耐腐蚀。石墨板具有良好的导电性能和耐腐蚀性，在工业化生产中被广泛应用。 电解质可用酸、碱或盐类。例如，硝酸、硫酸、磷酸氢氧化钾、氢氧化钠、磷酸钾、硝酸钠、碳酸铵、碳酸氢铵、碳酸二氢铵等。其中，硝酸或碳酸铵、碳酸氢铵表面处理效果较好，因为它们的阴离子反应速率常数大，可提高其亲水性，改善l2 K以上丝束的浸渍性，丝束中部也易润湿。 采用脉冲直流电源可提高阳极电解氧化的效果，氧化与扩散可以交替进行，实现均匀氧化，不仅能使复合材料的层间剪切强度成倍提高，而且可提高碳纤维自身的拉伸强度。
26、2022-5-3134 郭云霞等采用电化学氧化法对聚丙烯腈(PAN)基碳纤维进行表面改性，处理后纤维表面沟槽加深、加宽、粗糙度增加，这些都有利于树脂与碳纤维表面发生咬合固定；并发现经电化学改性后的碳纤维表面碳质量分数降低了97 ，氧质量分数增加了538 ，由此说明电化学氧化使表面的活性点增多，有利于提高碳纤维表面与树脂间的化学反应性，进而可以改善碳纤维复合材料的力学性能。 北京化工大学的王成忠等对各向同性沥青基碳纤维进行电化学氧化表面处理，分析了碳纤维表面含氧官能团和表面微观形貌的变化过程，实验结果表明：碳纤维经电化学氧化表面处理后，表面含氧官能团数量明显增加；碳纤维表面的氧化刻蚀首先发生在表
27、面不规则突起处，作用的结果使碳纤维表面趋于更光滑，继续氧化使碳纤维表面出现规则排列的沟槽。2022-5-3135 哈尔滨工业大学刘宇艳等以碳酸氢铵为电解质的阳极氧化和以马来酸酐为溶质进行的低温等离子体处理，对碳纤维表面进行改性，发现良好的界面黏接可以提高复合材料的抗疲劳性能，但是过强的界面黏接反而导致复合材料疲劳性能的下降。 北京化工大学刘杰等采用电化学氧化法对PAN基碳纤维进行连续氧化处理，结果表明：其表面的粗糙度和比表面积增大，表面羟基数量提高55 ，活性碳原子数增加18 ；采用适当的处理条件可使碳纤维增强复合材料的层间剪切强度提高20以上。 电化学氧化反应条件缓和，处理时间短，因此可与碳
28、纤维生产流水线衔接，而且可以通过控制电解温度、电解质质量分数、电流密度等工艺条件实现对氧化程度的精确控制，实现均匀氧化。由于增加了大量的含氧官能团和含氮官能团，提高了碳纤维与环氧树脂的浸润性和反应性，有利于改善碳纤维复合材料的力学性能，因此，它是目前最具有实用价值的方法之一。2022-5-3136六、上浆工艺 国内外已有的研究结果表明碳纤维的上浆工艺流程是制备高性能碳纤维不可缺少的重要环节。通过碳纤维的上浆与干燥工艺，一方面可以在惰性碳纤维表面形成功能性有机高分子层, 柔韧性的高分子层将提高碳纤维的耐磨性、开纤性、扩幅性、抗静电性和集束性，调节弯曲回弹性和直挺度，降低碳纤维的摩擦系数，减少加工
29、应用过程中毛丝的发生量，适应后期复合材料成型过程中对编织、铺层、缠绕等工艺对碳纤维性能的需求。 另一方面，通过碳纤维的上浆工艺在碳纤维表面形成纳米尺度的高分子层，可以改进和调控碳纤维在复合材料制备过程中的基体树脂相容性和浸润性能，通过复合材料后期的固化反应，在碳纤维与聚合物基体树脂间形成良好的复合材料界面，提高碳纤维与基体树脂的粘结性和纤维增强复合材料的层间剪切强度(ILSS)。 与此同时，可通过不同化学结构的高分子上浆剂体系的应用，实现强度、模量、丝束数的碳纤维在多种聚合物基体树脂中的应用，形成系列化用途的碳纤维产品和相应复合材料应用体系。 2022-5-31376.1.1 溶剂型碳纤维上浆
30、剂 早期的碳纤维上浆剂主要采用以低沸点的有机溶剂(如丙酮、四氢呋喃、DMF、苯、甲苯等)为介质溶解功能性聚合物树脂(如聚乙烯醇、聚醋酸乙烯酯、聚乙烯基吡咯烷酮、聚丙烯酸等)，形成均一的有机溶液体系。 优点：在碳纤维的表面形成高分子胶层；实现上浆碳纤维的开纤性、扩幅性、集束性、耐磨性和柔韧性；适应下游多种树脂体系复合材料的加工应用 缺点：容易造成上浆过程的不稳定性与碳纤维上浆量的CV值较高；上浆后碳纤维的摩擦系数较高，其耐磨性需要进一步改进和提高；，挥发性丙酮溶剂不仅污染生产车间环境，而且存在火灾隐患，加大了生产设备和制造工艺成本。6.1 碳纤维上浆剂的分类2022-5-31386.1.2 水性
31、碳纤维上浆剂 （1）水溶性碳纤维上浆剂 水溶性碳纤维上浆剂的制备方法一般采用将具有水溶性聚合物(如聚丙烯酸和聚丙烯酸酯共聚物、聚乙烯醇、聚乙烯基吡咯烷酮和水溶性聚氨酯等)直接溶解于水中形成均相水溶液。 经过研究与技术发展，适合碳纤维上浆应用的水溶性聚合物树脂必须满足下述条件： 上浆前聚合物树脂能够溶解于水中形成均一的水相上浆剂溶液；通过上浆和二次干燥工艺过程，能够在碳纤维表面形成均一的聚合物树脂层，并且树脂能够具有较低的摩擦系数和复合材料基体树脂相容性与合适的浸润速度；碳纤维表面形成的聚合物薄层必须实现由亲水性到憎水性的性能转变。2022-5-3139 然而，目前能够同时满足上述三个条件的聚合
32、物树脂种类很少，普遍存在上浆以后不能实现由亲水到憎水性的转变，导致上浆碳纤维的吸湿性高的问题。 关于水溶性碳纤维上浆剂，目前常用的方法为在聚合物骨架上导人极性的基团(如铵盐、硫酸盐、硫酸酯盐等)或水溶性聚氨酯片段，常用的共聚单体主要有丙烯酸、丙烯腈、丙烯酰胺、苯乙烯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸甲酯等。比较典型的水溶性聚合物体系为具有系列分子量的聚乙烯吡咯烷酮(Pvp)(如K一17、K一30和K一90)以及大日本油墨公司(we)的水性聚氨酯产品(如AP一40等)。 从目前国内外碳纤维制备科学技术领域已经公开的信息可以发现水溶性碳纤维上浆剂的应用比较少。2022-5-3140 （2）水性乳液碳纤维上浆
33、剂 在水溶性碳纤维上浆剂的技术发展基础上，为了实现碳纤维上浆剂的良好上浆应用工艺性(高渗透速度、高上浆液浓度稳定性、短浸渍时间、高碳化与生产速度等)和优异的碳纤维性能与复合材料应用性能，乳液上浆剂成为国内外碳纤维上浆剂技术发展的一个重要方向。 水性乳液上浆剂由水、功能聚合物树脂、表面活性(乳化剂)、集束剂、增韧剂、稳定剂、渗透剂、界面偶联剂 和流平剂等成分组成。 与水溶性碳纤维上浆剂相比，乳液上浆剂具有较低的表面张力，因此在碳纤维丝束中的渗透速度快，并且上浆液粘度低，不易在碳纤维丝束导辊上残留聚合物树脂，提高连续生产的工艺性。进一步通过功能表面活性剂组分的导入提高碳纤维表面的被润湿性。2022
34、-5-3141 另一方面，两亲性功能表面活性剂组分的含量显著地影响乳液上浆剂的制备工艺、上浆碳纤维的吸湿返潮率与复合材料的界面耐湿热性能，同时还将影响上浆碳纤维粘结性、集束性与纤维增强复合材料的层间剪切强度(ILSS)。 水性乳液型碳纤维上浆剂的结构中除去主要组分水以外，还有功能聚合物树脂,环氧树脂得到最为广泛的应用, 双酚A型环氧树脂是目前最为广泛应用的功能聚合物树脂组分。 根据国内外已有的报道，目前碳纤维的上浆方法主要有转移法、浸渍法和喷涂法等，其中最为广泛应用的方法是碳纤维浸渍法。 碳纤维应用领域碳纤维材料碳纤维三脚架碳纤维自行车碳纤维应用实例碳纤维在日常生活中的运用碳纤维可加工成织物、
35、毡、席、带、纸及其他材料。在多个领域都出现了碳纤维材料的身影，比如说滑雪板、棒球棒、赛车、自行车以及各种体育服装用品中。碳纤维外壳的Thinkpad碳纤维应用实例碳纤维医疗填平床板太阳能热水器集热管碳纤维应用实例碳纤维在工业中的应用 传统使用中碳纤维除用作绝热保温材料外，一般不单独使用，多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成复合材料。碳纤维增强的复合材料可用作飞机结构材料、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料以及用于制造火箭外壳、机动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等。碳纤维箭杆碳纤维箭杆碳纤维复合芯导线碳纤维复合芯导线碳纤维应用实例 碳纤维由于具有强度高、重量轻、耐热性好、抗热冲击性强等诸多优点而广泛应用于各种工业产品和日常生活用品中。碳碳纤纤维维床床垫垫 碳纤维由于具有强度高、重量轻、耐热性好、抗热冲击性强等诸多优点而广泛应用于各种工业产品和日常生活用品中。碳碳纤纤维维高高尔尔夫夫球球拍拍碳纤维网球拍碳纤维网球拍碳纤维鱼杆碳纤维鱼杆碳纤维加热管碳纤维加热管碳纤维应用实例 碳纤维用作加固材料目前的日本国内，绝大多数的建筑，公路，桥梁都已经使用到了碳纤维材料作为建筑结构的加固补强材料，这一材料的使用，使得日本国内的建筑结构的抗震防裂级别又提升了一个档次。
