自乳化环氧树脂上浆剂的制备及对碳纤维的表面改性

doi:10.7503/cjcu20260162

摘要/Abstract

摘要：

以邻苯二甲酸酐接枝聚乙二醇(PA-g-PEG)与环氧树脂(EP)为单体, 采用共聚合方法制备了一种自乳化环氧树脂上浆剂(SEERS). SEERS的一端为亲水羟基基团, 另一端为疏水的环氧基团, 将羟基基团和环氧基团引入碳纤维(CFs)表面, 可增强CFs表面活性, 进而增强CFs与EP基体的化学结合作用. 将PA-g-PEG与EP按照摩尔比1∶1在110 ℃条件下反应4 h, 可得到粒径最小为101.71 nm的SEERS乳液, 该乳液具有良好的稳定性. 通过扫描电子显微镜观察到该上浆剂乳液将CFs均匀包裹, 改善了CFs与EP的结合界面. 将上浆后的CFs热压制备成碳纤维复合材料(CFCs), 在其断面中观察到上浆后CFs与EP的界面相容性较好, 表明CFs与EP具有良好的结合性. 与上浆前相比, 上浆后CFCs的0°拉伸强度、 0°压缩强度、 90°拉伸强度和层间剪切强度分别提升了33.84%, 26.09%, 68.45%和16.00%.

关键词: 自乳化, 上浆剂, 碳纤维复合材料, 力学性能

Abstract:

A self-emulsifying epoxy resin sizing agent（SEERS） was synthesized via the grafting reaction of phthalic anhydride-g-polyethylene glycol（PA-g-PEG） with epoxy resin（EP）. The amphiphilic molecular architecture， bearing hydrophilic hydroxyl terminals and hydrophobic epoxy segments， enables surface functionalization of carbon fibers（CFs） and promotes interfacial chemical bonding with the EP matrix. Under optimized conditions［n（PA-g-PEG）/ n（EP）=1∶1， 110 ℃， 4 h］， the SEERS emulsion attained a minimum particle size of 101.71 nm and favorable colloidal stability. Scanning electron microscopy revealed a uniform sizing layer on CF surfaces， thereby enhancing fiber-matrix interfacial compatibility. Fracture surface analysis of carbon fiber composites（CFCs） further confirmed strong interfacial adhesion between CFs and EP， manifesting in significant improvements in 0° tensile strength（26.09%）， 0° compressive strength（33.84%）， 90° tensile strength（68.45%）， and interlaminar shear strength（16.00%） compared with unsized counterparts.

Key words: Self-emulsifying, Sizing agent, Carbon fiber composite material, Mechanical property

中图分类号:

O631

TrendMD:

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图/表 7

Fig.1 Influence of n(PA⁃g⁃PEG)∶n(BEP)(A), epoxy equivalent weight(B), reaction time(C) and reaction temperature(D) on the particle size and Zeta potential of SEERS

Fig.2 Surface morphologies of CFs before and after sizing treatment（A） UCF；（B） CF-1%；（C）CF-2%；（D） CF-3%；（E） CF-4%；（F） CF-5%. Insets： magnified views of the corresponding CFs surfaces.

Fig.3 Surface element distribution of UCF(A—C) and CF⁃3%(D—F)（A， D） All elements；（B， E） C element；（C， F） O element.

Fig.4 Contact angles of UCF(A), CF⁃1%(B), CF⁃2%(C), CF⁃3%(D), CF⁃4%(E) and CF⁃5%(F)

Fig.5 Fuzz mass of UCF, CF0, CF⁃1%, CF⁃2% and CF⁃3%Insets: the photographs of the fuzz collected on the sponge after the fuzz-mass test.

Fig.6 0° compressive strength(A), 0° tensile strength(B), 90° tensile strength(C) and interlaminar shear strength(D) of composite materials with different mass fraction of SEERS emulsions

Fig.7 SEM images of the fracture surface of UCFC(A, B) and CFC⁃3%(C, D)

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