碳纖維展纖紗性能研究*

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1. 東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海 201620；2. 東華大學(xué)紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620

碳纖維是一種高性能纖維，具有高比強(qiáng)度、高比模量及耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、抗輻射、導(dǎo)電、傳熱、減震、降噪等一系列優(yōu)良性能[1]。碳纖維復(fù)合材料目前已廣泛應(yīng)用在航空航天、武器裝備、產(chǎn)業(yè)裝備制造、醫(yī)藥與健康、體育休閑等領(lǐng)域[2]。

紡織復(fù)合材料因其特有的結(jié)構(gòu)形式和性能特征而占有重要的地位[3]。薄層碳纖維織物的厚度小，面密度低，鋪貼性好，可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，而且由于織物中紗線的屈曲程度小，能夠有效提高碳纖維力學(xué)性能的利用率，減少屈曲引起的應(yīng)力集中，提升復(fù)合材料的力學(xué)性能[4-5]。薄層碳纖維織物通常采用1K或3K的小絲束碳纖維，但小絲束碳纖維的價(jià)格過(guò)高，因此薄層碳纖維織物的應(yīng)用非常有限。為解決上述問(wèn)題，科研人員研發(fā)出展纖技術(shù)[6]和條帶織造技術(shù)[7]，將價(jià)格較低的大絲束碳纖維展寬、展薄，用于織造薄層碳纖維織物。

羅云烽等[8]對(duì)碳纖維紗線預(yù)成型體的浸潤(rùn)性進(jìn)行了研究，指出展纖后碳纖維紗線預(yù)成型體中，碳纖維紗線束間空隙小，纖維和空隙分布均勻，因此浸潤(rùn)性均勻，“手指效應(yīng)”不明顯，滲透率小。李蓓蓓[9]通過(guò)對(duì)比碳纖維紗線展纖前后纖維浸漬樹(shù)脂橫截面，指出未經(jīng)展纖的碳纖維紗線，其纖維束間空隙大，形成了很大的富樹(shù)脂區(qū)，還有多處纖維未被樹(shù)脂浸漬。上述研究主要針對(duì)碳纖維展纖紗束間的浸潤(rùn)性，而對(duì)碳纖維展纖紗束內(nèi)沿纖維方向的浸潤(rùn)性研究較少。謝飛等[10]研究了工藝參數(shù)對(duì)碳纖維展纖效果的影響，指出展纖過(guò)程中能夠觀察到纖維束的劈裂和纖維斷裂現(xiàn)象，但未對(duì)展纖紗內(nèi)部的纖維斷裂情況進(jìn)行研究。

本文利用自行研制的展纖裝置[11]，對(duì)T700SC-12K-50C、T700SC-24K-50C和ZOLTEK PANEX35-50K碳纖維紗線進(jìn)行展纖處理，并對(duì)展纖前后的碳纖維紗線的浸潤(rùn)性及其在展纖過(guò)程中的受損情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用T700SC-12K-50C、T700SC-24K-50C和ZOLTEK PANEX35-50K三種碳纖維紗線(分別簡(jiǎn)稱為12K、 24K、 50K)，通過(guò)自行研制的展纖裝置進(jìn)行展纖。展纖前后的碳纖維紗線，分別稱為原紗和展纖紗。原紗和展纖紗寬度如表1所示。環(huán)氧樹(shù)脂體系采用SWANCOR2511-1A主劑和SWANCOR2511-1BS固化劑。丙酮試劑由上海凌峰化學(xué)試劑有限公司提供，其純度大于99.5%。

表1 展纖前后碳纖維紗線寬度

1.2 測(cè)試方法與試樣制備

1.2.1 浸潤(rùn)性測(cè)試

碳纖維紗線浸潤(rùn)性試驗(yàn)裝置如圖1所示。將碳纖維紗線依次固定在一塊光滑的平板上，在平板的右側(cè)放置一支刻度尺。環(huán)氧樹(shù)脂溶液中主劑和固化劑按質(zhì)量比100∶30混合均勻，真空脫泡后，在25 ℃恒溫條件下靜置于玻璃容器中。將固定有碳纖維紗線的平板垂直浸潤(rùn)到環(huán)氧樹(shù)脂溶液中，環(huán)氧樹(shù)脂在芯吸壓力的驅(qū)動(dòng)下沿著碳纖維迅速上升，浸潤(rùn)碳纖維表面。利用數(shù)碼攝像機(jī)記錄90 min內(nèi)環(huán)氧樹(shù)脂在碳纖維紗線中的上升過(guò)程。

圖1 浸潤(rùn)性試驗(yàn)裝置示意

浸潤(rùn)過(guò)程中，環(huán)氧樹(shù)脂在碳纖維紗線上的浸潤(rùn)前鋒形狀可以反映紗線的均勻性。在浸潤(rùn)性試驗(yàn)中，選取90 min時(shí)環(huán)氧樹(shù)脂浸潤(rùn)前鋒形狀圖像，沿著紗線寬度方向?qū)⒃搱D像50等分，統(tǒng)計(jì)出每個(gè)圖像上環(huán)氧樹(shù)脂浸潤(rùn)高度平均值，并計(jì)算50個(gè)等分圖像上環(huán)氧樹(shù)脂浸潤(rùn)高度平均值的方差，根據(jù)方差值表征原紗和展纖紗的均勻性。

待浸潤(rùn)完成，環(huán)氧樹(shù)脂固化后，選取碳纖維紗線中的完全浸潤(rùn)部分進(jìn)行切割、打磨，在金相顯微鏡下觀察橫截面中纖維分布情況，進(jìn)一步分析原紗及展纖紗中碳纖維單絲分布及其均勻性。

1.2.2 碳纖維損傷檢測(cè)

首先，將150.0 mm長(zhǎng)的碳纖維紗線完全浸沒(méi)在丙酮中，浸泡20 min，每5 min攪動(dòng)一次。然后，從丙酮中取出碳纖維紗線，并將其放置在通風(fēng)櫥中，待丙酮充分揮發(fā)，用90 ℃的熱風(fēng)吹5 min。最后，對(duì)碳纖維紗線上的毛羽進(jìn)行拍照記錄。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 浸潤(rùn)性

2.1.1 展纖處理對(duì)浸潤(rùn)高度的影響

從環(huán)氧樹(shù)脂浸潤(rùn)碳纖維紗線開(kāi)始，每隔5 min測(cè)量一次浸潤(rùn)高度，最終得到浸潤(rùn)高度與浸潤(rùn)時(shí)間的關(guān)系，見(jiàn)圖3及表2。表2中最右側(cè)一欄的數(shù)據(jù)代表環(huán)氧樹(shù)脂在10 min時(shí)浸潤(rùn)高度占90 min時(shí)浸潤(rùn)高度的百分比。

圖3 浸潤(rùn)高度與浸潤(rùn)時(shí)間的關(guān)系

表2 10、90 min時(shí)浸潤(rùn)高度

從圖3和表2可以看出，50K原紗的浸潤(rùn)高度和浸潤(rùn)速度都是最大的，24K原紗次之，12K原紗最低。同時(shí)，三種展纖紗的浸潤(rùn)高度和浸潤(rùn)速度與其原紗相比，均有一定程度的提高，這說(shuō)明碳纖維紗線經(jīng)過(guò)展纖處理后，碳纖維紗線束內(nèi)的樹(shù)脂浸潤(rùn)性有顯著改善。

從圖3還可以看出，三種原紗及其展纖紗的浸潤(rùn)速度都隨浸潤(rùn)時(shí)間增加逐漸減慢。但是不同型號(hào)的碳纖維紗線的浸潤(rùn)速度的減慢速度不同，其K數(shù)越大，減慢速度越小。樹(shù)脂沿12K碳纖維紗線上升約45 min后即停止，24K碳纖維紗線為50 min，50K碳纖維紗線為65 min。對(duì)于同一K數(shù)的原紗與展纖紗，達(dá)到最大浸潤(rùn)高度的浸潤(rùn)時(shí)間基本相同。

浸潤(rùn)時(shí)間達(dá)90 min時(shí)，浸潤(rùn)高度已經(jīng)達(dá)到最大高度，三種原紗與其展纖紗的浸潤(rùn)高度差值達(dá)到最大，分別為3.0、1.0和2.7 mm；浸潤(rùn)時(shí)間達(dá)10 min時(shí)，浸潤(rùn)高度均已超過(guò)各自最大浸潤(rùn)高度的50.0%，三種原紗與其展纖紗的浸潤(rùn)高度的差值為2.1、1.0和0.8 mm，占最大浸潤(rùn)高度差值的百分比分別為70.0%、100.0%和29.6%。再結(jié)合圖3中的曲線可以看出，在浸潤(rùn)過(guò)程的前10 min內(nèi)，12K展纖紗的浸潤(rùn)速度遠(yuǎn)大于其原紗的浸潤(rùn)速度，當(dāng)浸潤(rùn)時(shí)間達(dá)10 min后，兩者的浸潤(rùn)高度的差值緩慢增大；在浸潤(rùn)時(shí)間達(dá)10 min后，24K展纖紗和原紗的浸潤(rùn)速度基本相等，其浸潤(rùn)高度差值保持不變；在浸潤(rùn)過(guò)程的前10 min內(nèi)，50K展纖紗與原紗的浸潤(rùn)速度差距很小，但隨后，兩者的浸潤(rùn)速度差距逐漸加大，其浸潤(rùn)高度差值快速增大。

環(huán)氧樹(shù)脂固化后的紗線截面如圖4所示。原紗呈現(xiàn)明顯的樹(shù)脂集聚區(qū)和纖維密集區(qū)，而展纖紗中的纖維分布更為均勻，且沒(méi)有明顯的環(huán)氧樹(shù)脂集聚區(qū)，形成了更多的芯吸通道，使得環(huán)氧樹(shù)脂浸潤(rùn)纖維的速度更快，并且平行于纖維方向的浸潤(rùn)高度顯著提高。

圖4 碳纖維紗線截面

2.1.2 展纖處理對(duì)浸潤(rùn)均勻性的影響

經(jīng)過(guò)圖像處理后碳纖維紗線上環(huán)氧樹(shù)脂浸潤(rùn)前鋒形狀圖像(90 min時(shí))如圖5所示。浸潤(rùn)高度方差見(jiàn)表3，其值越小表明浸潤(rùn)均勻性越好。

從圖5和表3可以看出，12K原紗和展纖紗的浸潤(rùn)均勻性較好，50K原紗和展纖紗次之，24K原紗和展纖紗最差。同時(shí)，展纖紗的浸潤(rùn)均勻性均比其原紗有所改善，這是因?yàn)檎估w紗中沒(méi)有明顯的環(huán)氧樹(shù)脂集聚區(qū)和纖維密集區(qū)，纖維分布較均勻，不同區(qū)域的浸潤(rùn)速度差距小。

表3 浸潤(rùn)高度方差

圖5 環(huán)氧樹(shù)脂浸潤(rùn)前鋒形狀圖像

2.2 碳纖維損傷檢測(cè)

圖6 碳纖維紗線表面毛羽

碳纖維紗線經(jīng)熱風(fēng)吹處理后，可以看到碳纖維紗線表面存在毛羽，如圖6所示。這些毛羽代表的是碳纖維紗線中斷裂的碳纖維單絲。碳纖維原紗和展纖紗中都存在一定數(shù)量的碳纖維單絲斷裂，展纖紗中的碳纖維單絲斷裂數(shù)量比其原紗多，這表明展纖處理會(huì)對(duì)碳纖維紗線造成一定程度的損傷，導(dǎo)致一部分碳纖維單絲斷裂。

3 結(jié)論

通過(guò)自行研制的展纖裝置，將T700SC-12K-50C、T700SC-24K-50C和ZOLTEK PANEX35-50K三種碳纖維紗線，從其原紗寬度7.0、10.0和15.0 mm分別展纖至16.0、26.0和47.0 mm：

(1) 展纖紗的浸潤(rùn)高度和浸潤(rùn)速度均較其原紗有明顯提高，這表明碳纖維紗線經(jīng)過(guò)展纖處理后，碳纖維紗線束內(nèi)的浸潤(rùn)性有顯著改善。

(2) 展纖紗中沒(méi)有明顯的環(huán)氧樹(shù)脂集聚區(qū)和纖維密集區(qū)，纖維分布較均勻，浸潤(rùn)均勻性提高。

(3) 自行研制的展纖裝置可以保證碳纖維紗線良好展開(kāi)，但對(duì)碳纖維紗線有一定損傷。

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