高性能碳纖維工業(yè)化生產(chǎn)制備中，上漿劑配套選擇是極其重要的工藝環(huán)節(jié)。使用專(zhuān)用的系列化上漿劑產(chǎn)品，可以調(diào)節(jié)碳纖維的開(kāi)纖性、擴(kuò)幅性、耐磨性、韌性等工藝性能，滿(mǎn)足碳纖維在后續(xù)編織、鋪層、纏繞、拉擠等復(fù)合材料制造工藝的加工要求。另外，碳纖維表面處理與上漿劑的應(yīng)用性能匹配，可以針對(duì)不同復(fù)合材料樹(shù)脂體系，提高碳纖維的基體樹(shù)脂浸潤(rùn)性和固化成形所得復(fù)合材料的界面黏結(jié)強(qiáng)度。

目前，上漿劑作為碳纖維工程化的配套助劑，已經(jīng)成為調(diào)節(jié)碳纖維工程化制備、碳纖維性能、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制造工程以及最終應(yīng)用性能的關(guān)鍵因素之一，也是國(guó)外碳纖維生產(chǎn)廠(chǎng)家的核心技術(shù)秘密。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的碳纖維上漿劑是以環(huán)氧樹(shù)脂為主體樹(shù)脂，通過(guò)加入表面活性劑等制備成的水性環(huán)氧乳液型上漿劑。但該類(lèi)上漿劑僅能滿(mǎn)足低等級(jí)碳纖維、傳統(tǒng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料的一般需求，對(duì)各種復(fù)雜產(chǎn)品及工藝的適應(yīng)性較差。在國(guó)內(nèi)外高性能碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)階段，主要的核心競(jìng)爭(zhēng)點(diǎn)是能否提供具有廣闊上漿劑譜系的碳纖維產(chǎn)品，特別是具有獨(dú)特性能和應(yīng)用領(lǐng)域的新型上漿劑上漿的碳纖維。

基于上述原因，中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)上海石化)碳纖維事業(yè)部針對(duì)自產(chǎn)碳纖維獨(dú)特的主體及表面性能，開(kāi)展上漿劑研制及應(yīng)用研究，形成具有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)的相關(guān)技術(shù)及產(chǎn)品，工藝應(yīng)用性能均達(dá)到或超過(guò)國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品水平。

1試驗(yàn)部分

1.1上漿劑的制備

首先通過(guò)異氰酸酯、聚酯多元醇、不飽和酸等共聚或共混改性環(huán)氧樹(shù)脂，然后采用轉(zhuǎn)相乳化法，在高剪切分散乳化機(jī)中，制備成以水為溶劑的聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂、聚酯改性環(huán)氧樹(shù)脂、不飽和酯改性環(huán)氧樹(shù)脂乳液型碳纖維上漿劑。

1.2上漿碳纖維的制備

采用中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所的兩絲束高性能纖維模擬上漿試驗(yàn)線(xiàn)、上海石化碳纖維事業(yè)部碳纖維聯(lián)合裝置500 t/a碳纖維生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行上漿纖維的制備。

1.3測(cè)試分析

1.3.1上漿劑乳液性能測(cè)試分析

(1)平均粒徑及粒徑分布指數(shù)

采用英國(guó)Malvern公司ZetasizerNano激光粒度儀測(cè)試，測(cè)試溫度24～26℃，恒溫時(shí)間2 min。

(2)pH

采用美國(guó)梅特勒公司METTLERTOLEDO320 pH計(jì)測(cè)試，測(cè)試溫度25℃。

(3)表面張力

采用芬蘭Kibron公司Delta-8全自動(dòng)高通量表面張力儀測(cè)試，選擇Wilhelmy吊片法，測(cè)試溫度25℃。

(4)紅外光譜與核磁共振分析

將上漿劑乳液置于105～115℃的高溫?zé)犸L(fēng)烘箱中烘燥，直至水分完全脫除獲得上漿劑烘干物。采用美國(guó)Thermo公司NicoletIs5紅外光譜分析儀測(cè)試，波數(shù)400～4 000 cm-1，掃描32次。將烘干物充分溶解于指定的氘代試劑中，采用BrukerAV500核磁共振儀掃描測(cè)試。

(5)黏度

采用美國(guó)Brookfield DV++Pro型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)試，取3～4 mL樣品置于樣品池中，選用13#轉(zhuǎn)子，測(cè)試溫度25℃。

1.3.2上漿碳纖維性能測(cè)試分析

(1)表面形貌

采用JSM-6390LV掃描電子顯微鏡(SEM)，測(cè)試上漿碳纖維的表面形貌特征，噴金時(shí)間30 s。

(2)上漿量

采用SP10高溫上漿量測(cè)試儀，使纖維表面上漿劑在高溫下熱解脫除，得到上漿量測(cè)試結(jié)果。熱解溫度450℃，熱解時(shí)間15 min，熱解全程采用高純氮?dú)獗Ｗo(hù)。

(3)耐磨性

采用定制TM-200H改進(jìn)型高速紗線(xiàn)摩擦試驗(yàn)機(jī)，測(cè)試碳纖維在不銹鋼輥表面連續(xù)摩擦的磨斷次數(shù)。纖維與不銹鋼棍摩擦包角117°，往復(fù)速度300 r/min，不銹鋼磨輥直徑3 mm。

(4)層間剪切強(qiáng)度

參照國(guó)標(biāo)《單向增強(qiáng)纖維增強(qiáng)塑料層間剪切強(qiáng)度試驗(yàn)方法》(GB 3357—1982)，制備成單向纖維增強(qiáng)樹(shù)脂樣條，采用三點(diǎn)彎曲模式進(jìn)行測(cè)試。

(5)集束性與擴(kuò)幅性

用手感目測(cè)法對(duì)上漿后碳纖維的集束性與擴(kuò)幅性進(jìn)行評(píng)級(jí)，等級(jí)為“很好-良好-不良-較差”。

(6)毛絲量

將碳纖維夾在2枚聚氨酯海綿間，使纖維以0.5 m/min的速度在海綿內(nèi)通過(guò)，測(cè)量海綿前后的質(zhì)量差為毛絲量，預(yù)加張力1 g/tex。

(7)X射線(xiàn)光電子能譜分析

采用ULVAC-PHI.INC PHI5000 VersaProbe X射線(xiàn)光電子能譜儀，單色器鋰鈀，電源功率為200 W，剩余真空度1.3×10-6Pa，能量分辨率0.5 eV，測(cè)樣深度約5 nm。

(8)界面剪切強(qiáng)度

采用日本東榮產(chǎn)業(yè)公司MODEL HM410界面性能評(píng)價(jià)裝置進(jìn)行測(cè)試，選用的基體樹(shù)脂為環(huán)氧樹(shù)脂AG80、酚醛樹(shù)脂2123、雙馬來(lái)酰亞胺樹(shù)脂6421。

改性環(huán)氧樹(shù)脂乳液型碳纖維上漿劑制備、表面張力、黏度等性能測(cè)試（一）

改性環(huán)氧樹(shù)脂乳液型碳纖維上漿劑制備、表面張力、黏度等性能測(cè)試（二）

改性環(huán)氧樹(shù)脂乳液型碳纖維上漿劑制備、表面張力、黏度等性能測(cè)試（三）