碳纤维上浆剂化学：上浆剂对界面粘合与复合材料性能的影响

引言

上浆剂是在碳纤维制造最后阶段施加的薄层聚合物涂层。通常占纤维重量的0.5–5.0%，上浆层是惰性碳纤维表面与复合材料中反应性树脂基体之间的关键界面。尽管质量占比很小，上浆剂化学深刻影响纤维操作性、纤维-基体粘合以及最终复合材料结构的力学性能。

上浆剂同时执行多项功能：保护纤维在缠绕、编织和预浸料操作中免受磨损；提供纤维表面与基体树脂之间的化学桥接；控制决定树脂在浸渍过程中分布均匀性的润湿行为。

上浆剂化学基础

碳纤维上浆剂通常是水性乳液或溶液，包含主要成膜剂、偶联剂、表面活性剂和性能添加剂。最常用的成膜剂包括环氧树脂、聚氨酯分散体、酚醛树脂和热塑性聚合物（PEEK、PPS）。

偶联剂——通常是有机硅烷——提供有机成膜剂与无机纤维表面之间的化学键合。

上浆剂含量及其影响

低含量（0.5–1.0% LOI）：最小保护。标准含量（1.5–3.0% LOI）：最佳平衡。高含量（3.5–5.0% LOI）：压缩强度降低5–15%。

上浆剂-树脂兼容性

最关键的上浆剂选择标准是与基体树脂的化学兼容性。不兼容的上浆剂可使层间剪切强度降低20–40%。

结论

上浆剂化学是碳纤维复合材料性能中关键但常被低估的方面。