碳纤维展纤纱性能研究*

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1. 东华大学纺织学院，上海 201620；2. 东华大学纺织面料技术教育部重点实验室，上海 201620

碳纤维是一种高性能纤维，具有高比强度、高比模量及耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗辐射、导电、传热、减震、降噪等一系列优良性能[1]。碳纤维复合材料目前已广泛应用在航空航天、武器装备、产业装备制造、医药与健康、体育休闲等领域[2]。

纺织复合材料因其特有的结构形式和性能特征而占有重要的地位[3]。薄层碳纤维织物的厚度小，面密度低，铺贴性好，可设计性强，而且由于织物中纱线的屈曲程度小，能够有效提高碳纤维力学性能的利用率，减少屈曲引起的应力集中，提升复合材料的力学性能[4-5]。薄层碳纤维织物通常采用1K或3K的小丝束碳纤维，但小丝束碳纤维的价格过高，因此薄层碳纤维织物的应用非常有限。为解决上述问题，科研人员研发出展纤技术[6]和条带织造技术[7]，将价格较低的大丝束碳纤维展宽、展薄，用于织造薄层碳纤维织物。

罗云烽等[8]对碳纤维纱线预成型体的浸润性进行了研究，指出展纤后碳纤维纱线预成型体中，碳纤维纱线束间空隙小，纤维和空隙分布均匀，因此浸润性均匀，“手指效应”不明显，渗透率小。李蓓蓓[9]通过对比碳纤维纱线展纤前后纤维浸渍树脂横截面，指出未经展纤的碳纤维纱线，其纤维束间空隙大，形成了很大的富树脂区，还有多处纤维未被树脂浸渍。上述研究主要针对碳纤维展纤纱束间的浸润性，而对碳纤维展纤纱束内沿纤维方向的浸润性研究较少。谢飞等[10]研究了工艺参数对碳纤维展纤效果的影响，指出展纤过程中能够观察到纤维束的劈裂和纤维断裂现象，但未对展纤纱内部的纤维断裂情况进行研究。

本文利用自行研制的展纤装置[11]，对T700SC-12K-50C、T700SC-24K-50C和ZOLTEK PANEX35-50K碳纤维纱线进行展纤处理，并对展纤前后的碳纤维纱线的浸润性及其在展纤过程中的受损情况进行评价。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验采用T700SC-12K-50C、T700SC-24K-50C和ZOLTEK PANEX35-50K三种碳纤维纱线(分别简称为12K、 24K、 50K)，通过自行研制的展纤装置进行展纤。展纤前后的碳纤维纱线，分别称为原纱和展纤纱。原纱和展纤纱宽度如表1所示。环氧树脂体系采用SWANCOR2511-1A主剂和SWANCOR2511-1BS固化剂。丙酮试剂由上海凌峰化学试剂有限公司提供，其纯度大于99.5%。

表1 展纤前后碳纤维纱线宽度

1.2 测试方法与试样制备

1.2.1 浸润性测试

碳纤维纱线浸润性试验装置如图1所示。将碳纤维纱线依次固定在一块光滑的平板上，在平板的右侧放置一支刻度尺。环氧树脂溶液中主剂和固化剂按质量比100∶30混合均匀，真空脱泡后，在25 ℃恒温条件下静置于玻璃容器中。将固定有碳纤维纱线的平板垂直浸润到环氧树脂溶液中，环氧树脂在芯吸压力的驱动下沿着碳纤维迅速上升，浸润碳纤维表面。利用数码摄像机记录90 min内环氧树脂在碳纤维纱线中的上升过程。

图1 浸润性试验装置示意

浸润过程中，环氧树脂在碳纤维纱线上的浸润前锋形状可以反映纱线的均匀性。在浸润性试验中，选取90 min时环氧树脂浸润前锋形状图像，沿着纱线宽度方向将该图像50等分，统计出每个图像上环氧树脂浸润高度平均值，并计算50个等分图像上环氧树脂浸润高度平均值的方差，根据方差值表征原纱和展纤纱的均匀性。

待浸润完成，环氧树脂固化后，选取碳纤维纱线中的完全浸润部分进行切割、打磨，在金相显微镜下观察横截面中纤维分布情况，进一步分析原纱及展纤纱中碳纤维单丝分布及其均匀性。

1.2.2 碳纤维损伤检测

首先，将150.0 mm长的碳纤维纱线完全浸没在丙酮中，浸泡20 min，每5 min搅动一次。然后，从丙酮中取出碳纤维纱线，并将其放置在通风橱中，待丙酮充分挥发，用90 ℃的热风吹5 min。最后，对碳纤维纱线上的毛羽进行拍照记录。

2 试验结果与讨论

2.1 浸润性

2.1.1 展纤处理对浸润高度的影响

从环氧树脂浸润碳纤维纱线开始，每隔5 min测量一次浸润高度，最终得到浸润高度与浸润时间的关系，见图3及表2。表2中最右侧一栏的数据代表环氧树脂在10 min时浸润高度占90 min时浸润高度的百分比。

图3 浸润高度与浸润时间的关系

表2 10、90 min时浸润高度

从图3和表2可以看出，50K原纱的浸润高度和浸润速度都是最大的，24K原纱次之，12K原纱最低。同时，三种展纤纱的浸润高度和浸润速度与其原纱相比，均有一定程度的提高，这说明碳纤维纱线经过展纤处理后，碳纤维纱线束内的树脂浸润性有显著改善。

从图3还可以看出，三种原纱及其展纤纱的浸润速度都随浸润时间增加逐渐减慢。但是不同型号的碳纤维纱线的浸润速度的减慢速度不同，其K数越大，减慢速度越小。树脂沿12K碳纤维纱线上升约45 min后即停止，24K碳纤维纱线为50 min，50K碳纤维纱线为65 min。对于同一K数的原纱与展纤纱，达到最大浸润高度的浸润时间基本相同。

浸润时间达90 min时，浸润高度已经达到最大高度，三种原纱与其展纤纱的浸润高度差值达到最大，分别为3.0、1.0和2.7 mm；浸润时间达10 min时，浸润高度均已超过各自最大浸润高度的50.0%，三种原纱与其展纤纱的浸润高度的差值为2.1、1.0和0.8 mm，占最大浸润高度差值的百分比分别为70.0%、100.0%和29.6%。再结合图3中的曲线可以看出，在浸润过程的前10 min内，12K展纤纱的浸润速度远大于其原纱的浸润速度，当浸润时间达10 min后，两者的浸润高度的差值缓慢增大；在浸润时间达10 min后，24K展纤纱和原纱的浸润速度基本相等，其浸润高度差值保持不变；在浸润过程的前10 min内，50K展纤纱与原纱的浸润速度差距很小，但随后，两者的浸润速度差距逐渐加大，其浸润高度差值快速增大。

环氧树脂固化后的纱线截面如图4所示。原纱呈现明显的树脂集聚区和纤维密集区，而展纤纱中的纤维分布更为均匀，且没有明显的环氧树脂集聚区，形成了更多的芯吸通道，使得环氧树脂浸润纤维的速度更快，并且平行于纤维方向的浸润高度显著提高。

图4 碳纤维纱线截面

2.1.2 展纤处理对浸润均匀性的影响

经过图像处理后碳纤维纱线上环氧树脂浸润前锋形状图像(90 min时)如图5所示。浸润高度方差见表3，其值越小表明浸润均匀性越好。

从图5和表3可以看出，12K原纱和展纤纱的浸润均匀性较好，50K原纱和展纤纱次之，24K原纱和展纤纱最差。同时，展纤纱的浸润均匀性均比其原纱有所改善，这是因为展纤纱中没有明显的环氧树脂集聚区和纤维密集区，纤维分布较均匀，不同区域的浸润速度差距小。

表3 浸润高度方差

图5 环氧树脂浸润前锋形状图像

2.2 碳纤维损伤检测

图6 碳纤维纱线表面毛羽

碳纤维纱线经热风吹处理后，可以看到碳纤维纱线表面存在毛羽，如图6所示。这些毛羽代表的是碳纤维纱线中断裂的碳纤维单丝。碳纤维原纱和展纤纱中都存在一定数量的碳纤维单丝断裂，展纤纱中的碳纤维单丝断裂数量比其原纱多，这表明展纤处理会对碳纤维纱线造成一定程度的损伤，导致一部分碳纤维单丝断裂。

3 结论

通过自行研制的展纤装置，将T700SC-12K-50C、T700SC-24K-50C和ZOLTEK PANEX35-50K三种碳纤维纱线，从其原纱宽度7.0、10.0和15.0 mm分别展纤至16.0、26.0和47.0 mm：

(1) 展纤纱的浸润高度和浸润速度均较其原纱有明显提高，这表明碳纤维纱线经过展纤处理后，碳纤维纱线束内的浸润性有显著改善。

(2) 展纤纱中没有明显的环氧树脂集聚区和纤维密集区，纤维分布较均匀，浸润均匀性提高。

(3) 自行研制的展纤装置可以保证碳纤维纱线良好展开，但对碳纤维纱线有一定损伤。

[1] 张焕侠. 碳纤维表面和界面性能研究及评价[D]. 上海: 东华大学, 2014.

[2] 周宏. 碳纤维的十六个主要应用领域及近期技术进展(一)[J]. 产业用纺织品, 2017, 35(1): 1-6.

[3] 李少敏, 楼丽琴, 林雅, 等. 现代纺织复合材料应用与未来发展[J]. 轻纺工业与技术, 2012, 41(5): 45-47.

[4] NISHIKAWA Y, OKUBO K, FUJII T, et al. Fatigue crack constraint in plain-woven CFRP using newly-developed spread tows[J]. International Journal of Fatigue, 2006, 28(10): 1248-1253.

[5] 杨晓峰. 碳纤维超薄织物的性能与应用[J]. 上海纺织科技, 2014, 42(3):23-24.

[6] NESTLER J, VETTERMANN F, REUCHSEL D. Device and method for spreading a carbon fiber hank: US 7536761[P]. 2009-05-26.

[7] KHOKAR N. Woven material comprising tape-like warp and weft: US 6539983[P]. 2003-04-01.

[8] 罗云烽, 孙永春, 段跃新, 等. 薄层化大丝束碳纤维复合材料性能研究[J]. 航空制造技术, 2010(20):75-78.

[9] 李蓓蓓. 展纱及展纱织物复合材料结构及性能的研究[D]. 上海：东华大学, 2015.

[10] 谢飞, 文立伟, 肖军, 等. 直接预浸法制备预浸纱的展纱宽度研究[J]. 玻璃钢/复合材料, 2015(6):36-41.

[11] 李炜, 李蓓蓓, 朱家强, 等. 声波法与机械多辊筒法相结合大丝束碳纤维展开装置: CN 203729004U[P]. 2014-07-23.