制备热塑性碳纤维，业界常用这4种上浆剂

    制备热塑性碳纤维复合材料，需要解决碳纤维与热塑性树脂界面结合强度的问题，才能保证后续的浸润啮合效果更到位。上浆剂是其中调和的重要方式，不过不同的热塑性基体材料具备的物理和化学性质各异，因此需要经过实验寻找到符合使用需求的不同种类的上浆剂。

    而为了提高上浆剂与热塑性树脂基复合材料的匹配性，业界针对不同热塑性树脂开展了大量新型上浆剂的研究，希望促使上浆剂与热塑性树脂具有相近的结构和较强的相互作用。经过大量的实验，对比数据和效果后，发现以下的4种上浆剂较为适用，分别为聚酰胺（PA）、聚氨酯（PU）、聚芳醚类和聚酰亚胺（PI）。

    1、聚酰胺（PA）上浆剂

    聚酰胺（PA），又称为尼龙，具有优异的化学稳定性、耐磨性和力学性能，常被用于特种纤维、工程塑料、热塑性树脂基复合材料基体树脂等领域。PA作为热塑性树脂基复合材料基体树脂已被广泛使用，因此选用PA作为上浆剂浆料成分有利于提高热塑性树脂基复合材料的界面匹配性。

    将改性PA溶解在多元醇中制备了溶剂型上浆剂，并对去浆的T300级CF进行上浆处理，制备了CF/PA66复合材料，并利用上浆剂与基体树脂间良好的相容性，使上浆剂与尼龙66基体树脂形成了化学键和物理吸附的协同作用，成功将复合材料拉伸强度和冲击强度分别提高了40.87%和43.59%。

    此方法需使用较多有机溶剂，严重威胁环境和生产安全，且烘干溶剂的能耗较大。因此PA上浆剂的研发重点逐渐向更加环保的水基上浆剂体系倾斜。其中利用表面活性剂获得稳定分散的PA乳液及通过亲水改性制备PA水溶液上浆剂是目前较为成熟的途径。

    2、聚氨酯（PU）上浆剂

    聚氨酯（PU）因独特的化学结构而与多种热塑性树脂间具有良好的匹配性和结合力，在作为上浆剂时适用性广泛。利用氨酯结构与碳酸酯结构在多方面的相似性和匹配性，将PU作为上浆剂，利用溶剂法对碳纤维（CF）/热塑性聚碳酸酯（PC）复合材料中的纤维进行了上浆处理。

    聚氨酯（PU）上浆剂热稳定性良好，直到270℃时才开始失重，以与聚碳酸酯（PC）基体中的碳酸酯结构形成化学键合，使复合材料层间剪切强度从38.1MPa提升至62.9MPa，提升了65%。

    但随着人们对环境问题重视程度的提高，溶剂型PU上浆剂正逐步被水性上浆剂体系取代，乳液分散法是PU水性上浆剂的常用制备方法之一。水性乳液PU上浆剂可在常温干燥条件下可储存6个月，耐热温度高达280~300℃，可使CF/PA66复合材料的层间剪切强度提升至78MPa以上，提升效果更明显。

    3、聚芳醚类上浆剂

    聚芳醚是包含芳香环和醚键的聚合物，大家熟知的聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚醚砜等都是归属这一类。刚性的苯环和柔性的醚键赋予材料优异的力学性能和耐热性能，并使部分体系具有结晶性，可在高温和湿热条件下连续使用，被作为高性能工程塑料和热塑性树脂大量应用于航空航天、电子工业、能源医药等领域。

    聚芳醚刚硬稳定的结构在赋予其诸多优点的同时，也使其难以与其他活性基团反应，与CF的界面结合弱。因此，对聚芳醚体系进行改性并制备上浆剂，强化其与CF和热塑性基体的结合力成为了优先需要解决的难题，强酸处理是向聚芳醚分子中引入活性基团的有效方法。

    采用磺化处理的方法将硫磺酸钠结构(−SO3Na)引入到了PEEK体系中制备了上浆剂，磺酸基可与纤维表面的基团产生氢键结合，且上浆剂与PEEK基体相似相容，使基体树脂容易浸润渗透CF，复合材料层间剪切强度达到78.2MPa。

    另外使用与聚醚砜（PES）结构类似的二元胺改性氧化石墨烯(GO)，并与聚醚砜（PES）溶液制备了溶剂型杂化上浆剂，在引入活性氨基的同时提高了体系的热稳定性。上浆剂、GO、CF和PES基体之间可以通过化学键合、氢键、极性吸引、范德华作用、机械啮合等多种方式实现紧密结合，使CF/PES复合材料间的界面性能提升了74.1%。

    4、聚酰亚胺（PI）上浆剂

    PI是分子主链中含有酰亚胺环的高分子材料，其链段刚性大、力学性能优异，是耐温等级最高的聚合物材料之一，已广泛应用于航空航天、军事装备、电子通信等领域。其中含有柔性醚键的聚醚酰亚胺(PEI)上浆剂凭借优异的热稳定性、更优的柔韧性、更好的溶解性及与热塑性树脂更好的相容性，成为了近年来耐高温上浆剂领域的研究热点之一。

    PI上浆剂的耐温等级较高，满足高性能热塑性树脂基复合材料(如CF/PES、CF/PEEK复合材料等)的成型和使用条件。但与聚芳醚型上浆剂类似，刚硬而稳定的分子结构使PI上浆剂与CF的结合能力低，加工性较差，因此需要经过化学手段进行改性处理。

    对PI上浆剂进行了纳米粒子改性，将多壁碳纳米管(MWCNT)分散到PEI的二氯甲烷溶液中，用溶剂法对T300级CF织物进行了表面处理。研究发现，混合上浆剂中的MWCNT可有效引入大量活性基团，并可均匀覆盖于纤维表面。上浆后PEI中的酰亚胺环可与MWCNT表面的羟基、羧基形成极性作用和氢键，与PEEK基体树脂间形成芳香环的π-π密堆作用，MWCNT可有效阻碍裂纹扩展，最终使复合材料的层间剪切强度达到90.7MPa。

    严格来说，聚酰胺（PA）、聚氨酯（PU）、聚芳醚类和聚酰亚胺（PI）其实是4个类别的上浆剂，是针对不同热塑性树脂而划定的4种不同体系的上浆剂方向。这些上浆剂体系在使用时，通常会进行各种改性的操作，才能有效提高热塑性碳纤维复合材料的性能数据，同时还要考虑实验过程中是否会对环境造成较大的负面影响。为了找到最优解，国内外很多专家学者都在为之努力，以期找到最合适的方案。