常用碳纖維黏合樹脂的比較

錢水林

(中國石化上海石油化工股份有限公司， 200540)

常用碳纖維黏合樹脂的比較

錢水林

(中國石化上海石油化工股份有限公司， 200540)

選用酚醛樹脂、環氧樹脂和聚氨基樹脂等3種黏合樹脂，分別對經電解處理的碳纖維復合線進行涂膠成型，對它們的強度進行了比較，并用未經電解處理的碳纖維復合線進行對比。結果表明，碳纖維只有經過適當的表面處理，才能在復合材料中發揮良好的增強作用，而碳纖維復合材料所用的黏合樹脂對材料的性能有較大的影響。

碳纖維 黏合樹脂 強度 復合材料 比較

碳纖維是一種具有高強度、低密度、耐腐蝕、耐高溫、耐疲勞和抗蠕變等優異性能的新型材料，可以替代鋼材和合金作為復合材料中的增強材料。用碳纖維增強的塑料、玻璃、陶瓷和金屬復合材料具有優良的電學、熱學和力學性能，在機電、船舶、航空航天器材等領域得到廣泛應用，例如:碳纖維復合材料可以代替鋁合金制造推力大、噪音小、動力消耗少的輕型飛機;用碳纖維制成的墊襯可以代替質量比它大得多的火箭發動機用耐高溫陶瓷材料;用碳纖維制成的電子計算機磁盤可以提高計算機的儲存量和運算速度。

近年來，人們對于復合材料，尤其是應用于航空航天領域的復合材料的強度要求越來越高。隨著碳纖維生產技術的日趨成熟，碳纖維自身的強度已得到了很大提高，而碳纖維復合材料強度的提高則受到黏合樹脂的制約。因為從碳纖維到碳纖維復合材料須經過表面處理、黏合、固化等工序，如果黏合樹脂或黏合方法選擇不當，碳纖維的強度優勢在復合材料中就無法得到發揮。在此就不同種類的黏合樹脂對碳纖維復合材料強度的影響進行討論。

1 黏合樹脂的特性

在碳纖維復合材料的制造中，目前使用較多的黏合樹脂是酚醛樹脂、環氧樹脂和聚氨基樹脂。

1.1 酚醛樹脂

酚醛樹脂又名電木，由苯酚與甲醛在催化劑條件下縮聚而成。酚醛樹脂具有較高的機械強度和優異的電絕緣性，耐酸、耐熱、耐磨，因而在復合材料產品中得到廣泛的應用。

1.2 環氧樹脂

環氧樹脂是指那些大分子中至少含有2個反應性環氧基團的樹脂。環氧樹脂固化后具有許多突出的性能，如對材料(尤其是金屬材料)的黏結力特別強，還具有很強的耐化學腐蝕性，強度高，電絕緣性好。此外，環氧樹脂可以在相當寬的溫度范圍內固化，而且固化時體積收縮較小。

1.3 聚氨基樹脂

聚氨基樹脂是指在分子鏈中含有氨基甲酸酯基團的黏合劑。這種黏合劑活性高、極性大，對表面光潔的材料有著優良的化學黏合力。此外，聚氨基黏合劑具有優異的剪切強度和抗沖擊性，適用于各種結構之間的黏合。

2 實驗部分

2.1 實驗材料

為了提高復合材料的層間剪切強度，改善碳纖維與黏合樹脂的黏結性能，通常要對碳纖維進行表面處理［1］。

實驗選用的碳纖維是經過表面處理的聚丙烯腈基碳纖維，其表面具有能與黏合樹脂結合的官能團。

具體處理方法是:用液相氧化加陽極氧化的復合表面處理工藝對碳纖維進行表面處理，即在硝酸水溶液中對碳纖維進行液相氧化，同時進行電化學氧化。上述表面處理使碳纖維表面帶上適量的羥基、羰基等極性基團，從而改善其與黏合樹脂的黏結性能［2］。

酚醛樹脂(方案A)、環氧樹脂(方案B)和聚氨基樹脂(方案C)的具體配方如下:

2.2 實驗方法

將調配好的樹脂分別均勻涂抹在離型紙上制成膠膜，再將碳纖維紗線與膠膜復合，使纖維嵌入樹脂膠膜中完成涂膠成型。在130℃下將所得絲束加熱30 min使之固化。

2.3 測試方法

單絲強度按照國家標準GB/T14337—1933《合成短纖維斷裂強力及斷裂伸長試驗方法》進行測試;復合線強度按照日本工業標準JIS－L－1017《化學纖維輪胎簾子線試驗方法》進行測試。

3 結果與討論

3.1 實驗結果

在相同工藝條件下，分別用3種黏合樹脂對經電解處理的碳纖維復合線進行涂膠成型，并用未經電解處理的碳纖維復合線進行對比實驗，實驗結果如表1所示。

表1 涂膠前后碳纖維復合線的強度 GPa

3.2 討論與分析

實驗結果表明，經表面處理的碳纖維能與上述3種黏合樹脂很好地結合，碳纖維的強度損失小，其中用酚醛樹脂作為膠膜的碳纖維強度損失為最小。

酚醛樹脂是一種與有機和無機填料都能相容的物質，具有很強的浸潤能力，成型性能好，體積密度大，氣孔率低。尤其是熱固性酚醛樹脂，黏結力強，能與碳纖維牢固結合，化學穩定性好，耐熱性好，且硬化時收縮率小，制品尺寸穩定。而環氧樹脂的結構中存在羥基、醚基和極為活潑的環氧基，其中羥基和醚基有高度的極性，使環氧樹脂大分子與相鄰界面產生較強的分子間作用力，環氧基團則與介質表面(特別是金屬表面)的游離基形成化學鍵，因而環氧樹脂具有很高的黏合力，即使對未經表面處理的碳纖維也有相對較好的黏合性。在碳纖維復合材料中應用最多的是雙酚A型環氧樹脂，因為它具有優良的化學穩定性、電絕緣性、耐腐蝕性、黏著性和較高的機械強度。聚氨基樹脂的特點是適應范圍較廣，兼具優異的橡膠特性，適用于不同熱膨脹系數基材間的黏合。它在基材間形成軟－硬過渡層，不僅黏結力強，而且具有很強的緩沖、減震功能。聚氨基黏合劑還具有耐腐蝕、耐溶劑、機械強度高、延伸率大和固化收縮率低等特點，而且耐疲勞和耐熱老化性好，可在常溫下固化，也可通過加熱固化，因而黏合加工工藝簡單。

就3種黏合劑對碳纖維的黏合效果而言，通常從3個方面進行考察:

(1)外觀。要求涂膜外觀均勻，纖維截面能保持圓形或近似圓形。

(2)黏合牢度。要求無剝離和脫膠現象。

(3)強度損失。這是一項重要的評價指標，碳纖維強度損失必須小于40%。

從實驗結果來看，對于采用相同碳纖維制成的碳纖維復合線，由于所用黏合樹脂不同，強度差異很大，說明碳纖維復合線強度對黏合樹脂的依賴性很大。在經過表面處理的碳纖維中，以酚醛樹脂為黏合樹脂的碳纖維強度最高，以雙酚A型環氧樹脂為黏合樹脂的次之，以聚氨基樹脂為黏合樹脂的強度相對較低。

對于經過表面處理的碳纖維，用上述3種黏合樹脂加以處理后，碳纖維截面能保持圓形或近似圓形，說明黏合樹脂中各種成分的互溶性良好，且能均勻地包覆于碳纖維上。用尚未經過表面處理的碳纖維在相同條件下進行對比實驗，結果顯示涂膠后碳纖維的平均強度為1.97 GPa，均低于2.16 GPa的強度最低要求，且纖維截面為近似橢圓的多邊形，說明未經表面處理的碳纖維與黏合樹脂的黏結效果很差。此外，用酚醛樹脂和聚氨基樹脂黏合未經表面處理的碳纖維偶爾會出現脫膠現象。

4 結論

(1)碳纖維須經過適當的表面處理，其界面性能才能得到提高，從而更好地體現碳纖維的優異性能，制得性能令人滿意的復合材料。

(2)碳纖維復合線的強度隨著黏合樹脂的種類不同而不同，黏合樹脂種類對碳纖維復合線的強度有較大影響。碳纖維本身的機械強度很高，但如果黏合樹脂選用不當，就會大幅降低碳纖維復合材料的強度，因此選擇合適的黏合樹脂至關重要。

(3)樹脂基體的配比、添加順序以及配制工藝對碳纖維復合材料性能也有很大影響，還需要做進一步的研究。

［1］ 王赫，劉亞青，張斌.碳纖維表面處理技術的研究進展［J］.合成纖維，2007(1):29 －32，35.

［2］ 錢水林.碳纖維表面處理技術探討［J］.合成纖維，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。

錢水林，男，1957年出生，高級工程師，長期從事腈綸生產技術和新產品開發研究工作。