聚合物胶体可增强碳纤维和热塑性树脂之间界面粘附力

　　碳纤维被誉为“黑色黄金”，不仅承认了其物质价值，同样也是肯定了其应用价值。碳纤维可以与不同基体组成性能更加完善的复合材料，目前使用较多的为热固性树脂（如环氧树脂、酚醛树脂等），而更具潜力的热塑性树脂也有不少成功的应用案例，如聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚酰胺等。碳纤维自身惰性较强，热塑性树脂高温熔融状态粘性较大，因此结合难度极高。需要对碳纤维进行一定的表面处理，才能更好的与热塑性树脂相结合。智上新材将结合专业论文，介绍一种在碳纤维表面增加聚合物胶体涂层的方式，可以提高碳纤维表面活性，改善碳纤维与热塑性树脂之间的界面粘附力。

　　聚合物胶体改性碳纤维后，电镜观察吸附的PMMA颗粒数量

　　为了研究聚合物颗粒甲基丙烯酸甲酯（MMA）在碳纤维上的吸附能力，通过使用硫酸钾（KPS）或 2,2'-偶氮双(2-甲基丙脒)二盐酸盐（V-50）的无皂乳液聚合制备了聚合物胶体。在无皂乳液聚合中使用的水通过纯化系统纯化，电导率< 1.0*10^-5 S/m，然后通过氮气去除溶解氧，以甲基丙烯酸甲酯 (MMA) 作为聚合单体。使用过硫酸钾 (KPS) 和 2,2'-偶氮双(2-甲基丙脒) 二盐酸盐 (V-50) 作为自由基引发剂，无需进一步纯化，其中 KPS 或 V-50 使得 MMA 颗粒分别带负电或正电。

　　使用标准电化学氧化法处理并改性碳纤维，去除上浆剂后待用。将改性后的碳纤维浸入聚合物胶体中 1 天，以便在其表面吸附聚合物颗粒，然后用水清洗碳纤维以去除多余的聚合物颗粒，并在室温下干燥。通过电子显微镜观察碳纤维和颗粒的形态。通过热重分析仪的 TG 曲线计算碳纤维上吸附的 PMMA 颗粒的数量。

　　上图显示了用两种聚合物胶体改性的碳纤维的 SEM 图像，发现用 V-50 合成的带正电的聚合物颗粒（右）比用 KPS 合成的带负电的聚合物颗粒（左）更多地吸附在碳纤维上。这表明碳纤维在水中带负电，吸引力可能源于纤维和颗粒之间的静电相互作用，带正电的聚合物胶体（V-50）有效地吸附在碳纤维表面。此时，通过 TG 曲线计算碳纤维上吸附的 PMMA 颗粒的量为 0.056 g/m²。

　　制备复合材料试样后，使用拉伸设备实验评估机械性能变化

　　使用热压机将改性后的单根碳纤维置于两片 PMMA 薄膜之间，制备成对应的复合材料试样，以待后续的拉伸实验使用。先在PMMA颗粒吸附前后，通过热压机在 180°C 下热压 1 分钟，然后在 25°C 下放置在用水冷却的钢板之间冷却，然后将薄膜切割成 25 mm 标距长度和 4 mm 宽度的条状试样。界面剪切强度 (τm) 计算公式为：τm = Dσf / 2lc ，其中有效长度 (lc) 计算公式为：<L> = 3/4 * lc 。

　　通过激光束在纤维上的衍射测量碳纤维的平均直径 (D)。通过使用单纤维拉伸试验的结果进行 Weibull 分析估算碳纤维的抗拉强度 (σf) (长度为 lc 的纤维)。使用拉伸试验机进行拉伸试验。根据 ASTM C-1577-03 标准，测试机在 25 mm 的标距长度下以 1 mm/min 的速度运行。

　　结果表明，碳纤维与树脂之间的界面剪切强度为 8.18 ± 1.73 MPa，表面吸附PMMA涂层的碳纤维与树脂之间的界面剪切强度为 13.3 ± 3.40 MPa，证实经过表面处理的复合材料的界面剪切强度提升较为明显。另外在空气中以 50°C/min 的升温速率，使用数字显微镜观察到 PMMA 颗粒在碳纤维上熔化变形并均匀地涂覆在碳纤维表面，温度增加时制备的改性碳纤维与树脂复合材料的表面粘附力同样得到加强。

　　实验证明，聚合物胶体处理后的碳纤维表面，更容易吸附PMMA颗粒，并改善了碳纤维与PMMA树脂的界面粘附力，最终提升了复合材料的界面剪切强度。碳纤维表面改性是改善热塑性碳纤维复合材料制备难题的一种可行性方式，包括但不限于聚合物胶体处理。智上新材认为，不管是当下，还是未来，在这方面的努力都不会停止，直到更易于批量生产的方式出现。