碳纤维改性热塑性树脂复合材料的5个方向

　　碳纤维是不可多得的高性能材料，对于它的研究从百年之前已经开始，如今的碳纤维技术和产业发展已经得到了全球多个国家的支持。碳纤维本身柔软难以塑形，因此将之改性，并与塑料、树脂、金属、陶瓷等基材复合，可以获得更加卓越的综合性能，以及符合工业应用的稳定结构。

　　碳纤维改性树脂是较为成功的复合材料，当下主流的是热固性碳纤维复合材料，树脂包括环氧树脂、酚醛树脂等。热塑性树脂与碳纤维融合的难度较高，但总体性能表现更好，是未来碳纤维产业发展的重要方向。在目前的工业技术水平之下，碳纤维改性热塑性树脂复合材料的研究已经取得了不小的成果，不少高性能的连续碳纤维增强热塑性复合材料已经成功落地，如智上新材料出品的CF/PPS、CF/PEEK单向带等。

　　碳纤维改性热塑性树脂复合材料的5个方向

　　1、碳纤维改性聚丙烯树脂复合材料

　　聚丙烯(PP)是汽车、家电等领域中应用最广泛的聚合物材料，就中国国内的PP年产量已经超过100万吨/年。利用碳纤维对聚丙烯树脂进行改性，可以显著提高复合材料的强度和刚性，除此之外，碳纤维的加入对PP材料的流动性和结晶性也有比较大的影响。

　　碳纤维改性PP材料通常采用熔融共混的加工方式实现，加工工艺主要包括：双螺杆挤出工艺和长纤维增强工艺两种。碳纤维改性之后的材料性能受到碳纤维的添加量、纤维长度、相容剂、纤维的表面处理等因素的影响。

　　目前，通过长纤维增强的PP复合材料已经广泛应用于汽车、船舶等领域。然而由于PP基材与碳纤维之间的相容性较差，要得到力学性能优异的复合材料需要对碳纤维进行复杂的表面处理工艺，这极大的增加了加工成本和加工难度。

　　2、碳纤维改性聚氯乙烯树脂复合材料

　　聚氯乙烯(PVC)是我国产量最大的通用树脂之一，它的主要优点包括：成本低、电绝缘性好、耐化学性好、成型工艺简单等。但它的本身的一些缺点如：韧性不好、冲击强度及热稳定性低、加工性能差等一系列问题限制了其在一些条件要求严格领域的应用。

　　经过碳纤维改性的PVC材料可以有效的提高PVC基材的拉伸强度、表面硬度和弯曲强度等，适合于制备各种PVC板材和管材。

　　碳纤维丝与PVC基材的相容性更好，所得到复合材料的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度都比PVC基材很大程度的提高。由于PVC基材的热稳定性差，熔融浸渍或者共混的加工方式容易使基材发生降解，因此，碳纤维改性的PVC材料目前都通常采用层压的加工方式。

　　3、碳纤维改性聚碳酸酯树脂复合材料

　　聚碳酸酯(PC)是一种应用广泛的工程塑料，它具有冲击强度高、透明性好等特点，将碳纤维与PC复合后，可进一步提高PC的各种性能，扩展它的应用领域。

　　有研究表明，碳纤维添加量在20%以下时对材料的拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量都有显著的增强作用，材料的冲击强度在碳纤维含量为6%左右达到最大值。碳纤维含量在10%一20%之间时材料的表面电阻率可以达到8×10Q·cm,具有优异的抗静电性能。

　　聚碳酸酯(PC)与碳纤维复合后还可以赋予聚合物基材以电磁屏蔽的作用，但是屏蔽效率并不高，需要加入其他一些导电率高的金属纤维或粉末以达到标准电磁屏蔽材料所需要的屏蔽效能。碳纤维或者金属镀层的碳纤维与金属粉末、石墨烯、导电炭黑等复配后可以在复合材料中起到搭桥作用提高材料的电磁屏蔽性能。

　　4、碳纤维改性聚酰胺树脂复合材料

　　聚酰胺（PA）本身就是性能优异的工程塑料，但由于这个材料的结晶度高、吸湿性大，制品尺寸稳定性差，强度和硬度也不如金属，实际应用过程中这类材料同常需要采用玻璃纤维或者碳纤维进行增强处理。

　　采用碳纤维增强改性后，可以极大的提高PA的力学性能，改性后既可作为结构材料承受载荷，又可作为功能材料发挥作用。目前，对于碳纤维改性PA的研究大部分都集中在碳纤维表面改性对复合材料界面和性能的影响上。

　　有研究表明，碳纤维表面氧化处理提高了碳纤维与PA1010的粘结力；随着碳纤维体积分数的增加，复合材料的抗拉伸强度和洛氏硬度先增加后下降，当碳纤维体积分数为20%时，材料的抗拉伸强度达到最大值；除此之外，材料的摩擦系数随着碳纤维的体积分数的增加而降低，当CF体积分数达到20%时，摩擦系数稳定在0.24左右。

　　5、碳纤维改性特种工程塑料复合材料

　　特种工程塑料是指综合性能更高，长期使用温度在150℃以上的工程塑料，这类材料主要包括：PEEK、PPS、TPI等。大部分的特种工程塑料可以作为玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维增强热塑性复合料的基体材料。碳纤维增强特种工程塑料具有优良的力学性能和加工性能，可以在航天、海洋或者医疗等应用领域完全取代热固性树脂甚至金属材料。

　　A、碳纤维增强的聚醚醚酮(PEEK)是目前极限耐热温度最高的热塑性塑料，其长期使用温度可以达到250℃，即使温度高达到300℃时，仍可保持非常好的力学性能。碳纤维改性聚醚醚酮材料不但可以提高材料的强度和刚性，还能赋予这类材料导电性和耐磨性的特性。

　　B、热塑性聚酰亚胺(TPI)具有突出的热稳定性，良好的抗冲击、抗辐射和耐溶剂性能等特点，除此之外，这类材料在高温、高低压和高速等极端环境下具有优异的耐摩擦磨损性能，采用碳纤维进行增强后，可进一步提高这类材料的应用性能，扩大应用范围。

　　C、聚苯硫醚(PPS)是一种半结晶热塑性树脂，具有卓越的力学性能、耐化学侵蚀性、自阻燃性等特点，除此之外，这类材料对无机矿物和有机纤维的相容性较好，适合制备各种填充量比较高的复合材料。热塑性碳纤维聚苯硫醚复合材料有很好的力学性能及优良的耐溶剂性，PPS与碳纤维之间的粘结性能优良，不过的各项力学性能受到碳纤维布体积分数的影响很大。当碳纤维布体积分数低于50%时，复合材料的各项力学性能均随着碳纤维布体积分数的增大有很大程度的提高。

　　不同方向的热塑性树脂融合碳纤维后，表现出来的性能存在高低差距，同时在制备及后续的加工中也存在各项差异，只有通过不断的尝试，才能找到最优解，推动整个碳纤维产业进入下一个阶段。目前CF/PPS、CF/PEEK等几款热塑性碳纤维复合材料已经被证实在性能端、生产端和回收端都具备较好的表现，是短期内可以深入研究开发的重要部分。智上新材料在过去的几年中，一直尝试将连续碳纤维与这几款热塑性树脂更好的融合，打造物理形态更稳定且机械性能更优秀的单向带产品，随着技术的改进和设备的调试，已经具备量产该类型产品的能力。