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　　摘要：選用三種RTM 工藝成型的環(huán)氧樹脂系統(tǒng)分別對碳纖維進行滋潤，并制備了自行車架用碳纖維復合資料。選用克己滋潤度調(diào)查儀，粘度、外表張力和力學功能測驗以及紅外光譜和掃描電鏡剖析研討了不同環(huán)氧系統(tǒng)對碳纖維的滋潤性。成果標明：粘度低的AF-802 環(huán)氧樹脂系統(tǒng)對碳纖維的滋潤性*佳，*大滋潤高度為28.41 mm;環(huán)氧樹脂系統(tǒng)對含上漿劑碳纖維的滋潤功能優(yōu)于無上漿劑的碳纖維。滋潤性改善有益于碳纖維復合資料曲折強度進步，發(fā)揮碳纖維車架的全體效能，進步整車安全性。

　　關鍵詞：碳纖維;環(huán)氧樹脂;滋潤;曲折強度;自行車架

　　中圖分類號：TQ323.5 文獻標識碼：A 文章編號：1002 - 7432(2015)01-0044-06

　　0· 導言21 世紀以來，跟著碳纖維技能和自行車運動的快速開展，碳纖維自行車不只成為高級運動自行車的開展方向，也是大眾化自行車產(chǎn)品尋求的新熱門，可以促進國內(nèi)外學者對碳纖維自行車架制作工藝的深入研討和立異規(guī)劃[1，2]。

　　碳纖維復合資料的功能取決于結構規(guī)劃、組分功能和復合資料的成型工藝，直接影響碳纖維自行車架的全體效能。碳纖維自行車架的成型工藝由手糊成型過渡到樹脂傳遞模塑(RTM)成型，成型工藝的改善進步了碳纖維自行車架的出產(chǎn)質(zhì)量和效率，但對樹脂的挑選要求更嚴厲[3]。RTM 工藝要求樹脂活性高，凝膠時刻和固化時刻短，但又能滿意打針樹脂操作時刻的要求。因此，在RTM 成型進程中，樹脂與纖維之間快速并杰出滋潤顯得尤為重要，影響復合資料的界面功能。界面是樹脂基體與纖維增強體之間載荷傳遞的橋梁，對復合資料的力學功能起著至關重要的效果[4，5]。樹脂基體與纖維增強體的杰出滋潤是取得高質(zhì)量復合資料界面的首要前提，也是工藝選材*直接的根據(jù)[6，7]。研討自行車架用碳纖維/樹脂的滋潤功能有益于快速挑選與之相匹配的樹脂基體，制備高質(zhì)量碳纖維復合資料。

　　樹脂對纖維的滋潤功能是一個重要的研討課題，學者在該范疇進行了很多研討工作[8~10]，首要集中在經(jīng)過測驗樹脂對纖維的滋潤功能或測定樹脂對纖維束接觸角的辦法，表征樹脂對纖維滋潤功能的改變并樹立化學流變模型，但樹脂對纖維的滋潤功能與其對應的復合資料功能之間的聯(lián)系沒有評論。張佐光[11]等人研討了不同要素對滋潤功能影響的規(guī)則，標明上漿劑有利于改善樹脂對纖維的滋潤功能，但對上漿劑影響滋潤功能的實質(zhì)沒有做進一步研討。

　　本文對RTM 工藝制備自行車架選用的3 種環(huán)氧樹脂系統(tǒng)與碳纖維的滋潤功能進行研討，比較上漿和無上漿碳纖維與環(huán)氧樹脂的滋潤功能，制備相應的環(huán)氧樹脂澆注體和碳纖維復合資料并測驗力學功能。經(jīng)過粘度和外表張力剖析環(huán)氧樹脂系統(tǒng)對碳纖維的滋潤功能，使用傅里葉變換紅外光譜剖析上漿處理前后的改變，選用掃描電子顯微鏡調(diào)查碳纖維復合資料的斷面描摹，剖析3 種環(huán)氧樹脂和碳纖維的滋潤功能和界面功能。本研討提出自行車架碳纖維*適合的RTM 工藝用環(huán)氧樹脂，說明碳纖維上漿劑對滋潤功能影響的實質(zhì)原因，結合碳纖維復合資料的力學功能測驗討論自行車架用碳纖維與環(huán)氧樹脂的滋潤功能對復合資料功能的影響。

　　1 ·試驗部分

　　1.1 原資料

　　雙酚A 和雙酚F 混合型環(huán)氧樹脂AF-801R;環(huán)氧值0.57，固化劑AF-801H(脂肪族胺類)，環(huán)氧樹脂與固化劑混合后粘度為467 mPa·s;雙酚A型環(huán)氧樹脂AF-802R：環(huán)氧值0.42，固化劑AF-802H(芳香族胺類)，環(huán)氧樹脂與固化劑混合后粘度為382 mPa·s;雙酚A 型環(huán)氧樹脂AF-803R：環(huán)氧值0.53，固化劑AF-803H(酸酐類)，環(huán)氧樹脂與固化劑混合后粘度為571 mPa·s，以上均為無錫安飛纖維資料科技有限公司。

　　1.2 儀器和設備

　　數(shù)顯式旋轉(zhuǎn)粘度計，類型：NDJ-79A，丈量誤差：±2%，丈量規(guī)模：1 ~ 106 mPa·s;微機操控電子全能試驗機，類型CMT5105，*大負荷100 kN，準確度等級：0.5 級，深圳市新三思計量技能有限公司;外表張力儀，類型：DCAT21，丈量規(guī)模：1～1 000 mN/m， 精度等級： ±0.001 mN/m， 德國Dataphysics 儀器股份有限公司;傅里葉紅外光譜儀，類型Nexus670：測驗規(guī)模500~4 000 cm-1，美國熱電集團Nicolet 公司;滋潤度調(diào)查儀(克己)，見圖1。

　　1.3 試樣制備

　　將碳纖維置于105 ℃干燥箱中烘干2 h，備用。對碳纖維外表進行上漿處理，上漿劑質(zhì)量分數(shù)為1.10%。

　　分別將m(環(huán)氧樹脂AF-801R)∶ m(固化劑AF-801H)為100 ∶ 28、m(環(huán)氧樹脂AF-802R)∶ m(與固化劑AF-802H)為100 ∶ 21、m(環(huán)氧樹脂AF-803R)∶ m(固化劑AF-803H)為100 ∶ 25 混合拌和均勻，抽真空脫泡澆注后，選用雕刻機依照試樣規(guī)范尺度：120 mm × 15 mm × 6 mm 進行加工，用于測驗環(huán)氧樹脂基體的曲折強度。

　　將韓氏碳纖維織物依照0°/90°方向進行疊放鋪層，共6 層，用于真空袋輔佐成型。堅持真空袋內(nèi)真空壓-0.1 MPa，在25 ℃下將環(huán)氧樹脂系統(tǒng)導入真空袋滋潤碳纖維層，滋潤徹底待出膠口穩(wěn)定流出樹脂膠液，夾緊進、出膠管，選用墊片操控樣品厚度為2 mm，將金屬模具用螺栓擰緊。固化工藝為：AF-801 環(huán)氧樹脂系統(tǒng)固化25 ℃/48 h，AF-802 環(huán)氧樹脂系統(tǒng)固化90 ℃/4 h，AF-803 環(huán)氧樹脂系統(tǒng)固化150 ℃/2 h。參照GB/T 1446—2005《纖維增強塑料試驗辦法總則》將碳纖維復合資料切開加工成規(guī)范試樣，測驗曲折強度的試樣尺度為80 mm × 15mm × 2 mm，測驗剪切強度的試樣尺度為20 mm ×10 mm × 2 mm。

　　1.4 功能測驗與剖析辦法

　　滋潤度測驗：選用如圖1 所示裝置圖，進行碳纖維的滋潤度試驗。

　　

 

　　首先用雙面膠帶把碳纖維束固定在刻度尺上，將環(huán)氧樹脂和固化劑按份額混合拌和均勻，真空脫泡后倒入玻璃燒杯中。敞開恒溫水浴槽并設定水浴恒溫(25±0.1)℃，然后將碳纖維束結尾浸入環(huán)氧樹脂系統(tǒng)液面以下5 mm 處，碳纖維束由碳纖維單絲集束而成，構成很多毛細管通道，環(huán)氧樹脂系統(tǒng)在毛細壓力驅(qū)動下沿著毛細管通道敏捷上升，并潮濕碳纖維外表，此刻敞開數(shù)碼電子顯微鏡記載環(huán)氧樹脂膠液在碳纖維束中上升進程的影像。經(jīng)過圖像處理后，讀取相應時刻環(huán)氧樹脂膠液在刻度尺上對應的刻度值，得到滋潤高度和滋潤時刻的聯(lián)系來表征環(huán)氧樹脂系統(tǒng)對碳纖維的滋潤度。

　　環(huán)氧樹脂系統(tǒng)粘度，參照GB/T 22314—2008《塑料環(huán)氧樹脂粘度測定辦法》進行測驗;環(huán)氧樹脂系統(tǒng)凝膠時刻，參照GB/T l2007.7—1989《環(huán)氧樹脂凝膠時刻測定辦法》進行測驗;碳纖維復合資料曲折強度，參照GB/T 1449—2005《纖維增強塑料曲折功能試驗辦法》進行測驗，剪切強度參照JC/T 773—2010《纖維增強塑料短梁法測定層間剪切強度》進行測驗。

　　選用Wilhelmy 吊片法使用DCAT21 型外表張力儀丈量3 種不同環(huán)氧樹脂系統(tǒng)的外表張力;取1.00 mg 樣品經(jīng)過KBr 壓片法，選用美國熱電集團Nexus 670 型紅外光譜儀測驗;選用A005+數(shù)碼電子顯微鏡進行碳纖維外表上漿處理前后的調(diào)查;取厚度為2 mm 碳纖維復合資料曲折功能試驗開裂樣品，選用德國蔡司ULTRA55 熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡進行截面調(diào)查。

　　2· 試驗成果

　　2.1 環(huán)氧樹脂與碳纖維的滋潤功能剖析

　　復合資料的界面是影響復合資料功能的決議性要素，取得**界面的首要問題是樹脂與纖維**的滋潤功能。碳纖維外表含有上漿劑保護膜，使纖維集束改善其加工功能，上漿劑會影響碳纖維與環(huán)氧樹脂的滋潤功能。25 ℃ 3 種不同環(huán)氧樹脂系統(tǒng)的功能剖析見表1。

　　

 

　　試驗標明，3 種RTM 工藝用環(huán)氧樹脂系統(tǒng)與碳纖維的滋潤功能，它們均具有低粘度和鄰近的凝膠時刻，滿意試驗制備碳纖維復合資料的工藝要求，即粘度< 800 mPa·s，凝膠時刻> 90 min。環(huán)氧樹脂系統(tǒng)的粘度和外表張力是影響環(huán)氧樹脂系統(tǒng)活動功能的重要要素，環(huán)氧樹脂系統(tǒng)的活動功能決議環(huán)氧樹脂系統(tǒng)對碳纖維的滋潤功能。結合環(huán)氧樹脂系統(tǒng)的粘度和外表張力剖析3 種環(huán)氧樹脂系統(tǒng)對碳纖維滋潤功能的影響，選用紅外圖譜表征碳纖維上漿劑成分，剖析上漿劑對碳纖維滋潤功能影響的實質(zhì)原因。

　　2.1.1 環(huán)氧樹脂系統(tǒng)對碳纖維的滋潤功能的影響

　　在25 ℃條件下，選用克己碳纖維滋潤度觀測儀對上漿碳纖維在3 種環(huán)氧樹脂系統(tǒng)的滋潤高度與滋潤時刻的改變進行測定，見圖2 所示。

　　

 

　　可以看出，跟著時刻的添加，環(huán)氧樹脂系統(tǒng)對碳纖維的滋潤速度逐步減慢，在90 min 后開端趨于平緩。在90 min 時，AF-802 環(huán)氧樹脂系統(tǒng)滋潤高度為28.41 mm，遠高于其他2 種環(huán)氧樹脂系統(tǒng)對碳纖維的滋潤高度;這說明AF-802 環(huán)氧樹脂系統(tǒng)對碳纖維的滋潤性*好。

　　按份額將環(huán)氧樹脂與固化劑混合均勻，3 種不同環(huán)氧樹脂系統(tǒng)25 ℃時等溫粘度曲線見圖3。

　　

 

　　由圖3 可以看出，跟著時刻的添加，環(huán)氧樹脂系統(tǒng)的粘度不斷添加，這說明環(huán)氧樹脂與固化劑發(fā)作化學交聯(lián)反響，阻止了分子鏈間的運動，環(huán)氧樹脂系統(tǒng)活動性下降，開端凝膠，而環(huán)氧樹脂發(fā)作凝膠后構成了三維網(wǎng)狀結構，然后阻止了環(huán)氧樹脂分子鏈的活動，凝膠后的環(huán)氧樹脂的粘度添加也導致了環(huán)氧樹脂系統(tǒng)活動性下降。而粘度曲線上升斜率增大，標明環(huán)氧樹脂系統(tǒng)反響速率的添加。

　　影響環(huán)氧樹脂系統(tǒng)對碳纖維束滋潤功能首要要素為：碳纖維束的毛細管通道和環(huán)氧樹脂系統(tǒng)在碳纖維外表的主動鋪展。

　　碳纖維束是由碳纖維單絲集束而構成的，所以碳纖維束中的碳纖維單絲之間構成了很多的毛細管通道，然后影響環(huán)氧樹脂系統(tǒng)滋潤性的重要要素。環(huán)氧樹脂系統(tǒng)與碳纖維束外表成凸形，此刻環(huán)氧樹脂系統(tǒng)所遭到的實踐附加壓力要高于平面的水平附加壓力，在附加壓力驅(qū)動下環(huán)氧樹脂系統(tǒng)沿毛細管通道產(chǎn)生毛細活動，所以環(huán)氧樹脂系統(tǒng)在滋潤時促進環(huán)氧樹脂系統(tǒng)滋潤碳纖維束。環(huán)氧樹脂系統(tǒng)的外表張力影響著環(huán)氧樹脂在毛細管通道中的活動，外表張力越大，毛細活動效果越好，對碳纖維的滋潤性越好。環(huán)氧樹脂系統(tǒng)的粘度影響環(huán)氧樹脂系統(tǒng)在碳纖維外表的主動鋪展，粘度越大活動阻力越大，對碳纖維的滋潤性越差。

　　3 種不同環(huán)氧樹脂系統(tǒng)在滋潤進程中發(fā)作化學交聯(lián)反響，環(huán)氧樹脂的粘度添加，活動阻力增大，阻止了環(huán)氧樹脂系統(tǒng)對碳纖維的滋潤，3 種不同環(huán)氧樹脂系統(tǒng)外表張力見表2。

　　

 

　　AF-803 環(huán)氧樹脂系統(tǒng)外表張力為36.71 mN/m，為三者*小，其毛細活動效果*差，對碳纖維的滋潤性*差。試驗標明，在反響初期AF-802 環(huán)氧樹脂系統(tǒng)粘度*低，樹脂的活動阻力*小，外表張力為41.36 mN/m，為三者*大，所以AF-802 環(huán)氧樹脂對碳纖維滋潤速率*大;跟著反響的進行，環(huán)氧樹脂系統(tǒng)粘度逐步增大，反響進行50 min 后，AF-802 環(huán)氧樹脂系統(tǒng)粘度超越AF-803 環(huán)氧樹脂系統(tǒng)，此刻環(huán)氧樹脂系統(tǒng)對碳纖維的滋潤功能影響緩慢，試驗標明起決議效果的是環(huán)氧樹脂系統(tǒng)前期的粘度和外表張力。綜上所述，AF-802 環(huán)氧樹脂系統(tǒng)對碳纖維的滋潤性*佳。

　　2.1.2 上漿劑對碳纖維滋潤功能的影響

　　AF-802 環(huán)氧樹脂系統(tǒng)在25 ℃時對上漿和無上漿碳纖維的滋潤高度與滋潤時刻的聯(lián)系見圖4。由圖4 可以看出，AF-802 環(huán)氧樹脂系統(tǒng)對無上漿碳纖維的滋潤高度為17.75 mm，對上漿碳纖維滋潤高度為28.41 mm。這標明AF-802 環(huán)氧樹脂系統(tǒng)對含上漿劑的碳纖維滋潤性更好。碳纖維外表上漿劑是具有多種添加劑的混合物的FT-IR 圖譜見圖5。

　　

 

　　

 

　　圖5 顯現(xiàn)上漿劑在3 419 cm-1 鄰近有—OH 基團的彈性振蕩吸收峰，在1 113 cm-1 鄰近有C—O—C 基團的彈性振蕩吸收峰，上漿處理添加了碳纖維外表的含氧官能團，而環(huán)氧樹脂分子鏈中存在固有極性羥基和醚鍵，環(huán)氧樹脂與碳纖維外表的含氧官能團發(fā)作反響構成氫鍵。所以碳纖維外表上漿劑的存在添加了與環(huán)氧樹脂的相容性。

　　無上漿和上漿碳纖維束擴大圖見圖6。上漿處理的碳纖維比較無上漿處理的碳纖維，碳纖維的集束性好，纖維擺放規(guī)整，單絲空隙減小，因此毛細活動的等效毛細管半徑減小，彎月面附加壓力添加，環(huán)氧樹脂對碳纖維的滋潤性進步，滋潤高度增大。

　　

 

　　2.2 環(huán)氧樹脂/ 碳纖維復合資料的力學功能

　　環(huán)氧樹脂基體對碳纖維的滋潤性決議碳纖維復合資料的力學功能。滋潤功能越好，樹脂與纖維界面結合強度越好，可以有用傳遞載荷，進步碳纖維復合資料的力學功能。3 點曲折法丈量曲折強度是直接反映復合資料界面結合強度的宏觀測驗辦法，復合資料的剪切強度用來評價樹脂對纖維的滋潤功能。不同環(huán)氧樹脂系統(tǒng)碳纖維復合資料力學功能見表3。

　　

 

　　表3 顯現(xiàn)：AF-803 環(huán)氧樹脂系統(tǒng)澆注體曲折強度*大，AF-802 環(huán)氧樹脂系統(tǒng)碳纖維復合資料曲折強度*大，曲折強度增強倍率也*大，增強倍率為5.21。AF-802 環(huán)氧樹脂系統(tǒng)碳纖維復合資料剪切強度*大。

　　對3 種不同環(huán)氧樹脂系統(tǒng)復合資料曲折試樣損壞后的斷面進行SEM 剖析，見圖7 所示。

　　

 

　　從圖7(a)和圖7(c)中可以看出AF801 和AF803 環(huán)氧樹脂系統(tǒng)復合資料斷面都存在不同程度的纖維撥出現(xiàn)象，撥出后的碳纖維在基體中殘留有深的隧洞，基體與纖維開裂嚴峻;圖7(b)標明AF802 環(huán)氧樹脂系統(tǒng)復合資料的損壞斷面規(guī)整，纖維與樹脂一起開裂，簡直無纖維撥出現(xiàn)象，這種損壞形式可以充分發(fā)揮樹脂基體與增強纖維的和諧效果，因此在開裂進程中吸收能量較多，然后進步了復合資料的強度。

　　綜上所述，滋潤功能試驗和SEM 剖析可以得到：AF-802 環(huán)氧樹脂系統(tǒng)具有較低粘度和較高外表張力，在凝膠進程中系統(tǒng)粘度添加緩慢，對碳纖維具有*佳的滋潤功能。因此，在真空樹脂傳遞成型工藝進程中可以均勻浸透在碳纖維外表，充溢纖維空隙構成機械鉸合，取得**的界面。當復合資料遭到外力效果，環(huán)氧樹脂與碳纖維之間的界面起到橋梁效果有用傳遞基體和增強資料之間的載荷，表現(xiàn)出碳纖維與環(huán)氧樹脂一起開裂，可以吸收更多的能量，然后復合資料的力學功能得到進步。

　　3 ·定論

　　1)選用克己碳纖維滋潤度調(diào)查儀測驗成果顯現(xiàn)：AF-802 環(huán)氧樹脂膠液對上漿碳纖維的滋潤性*好。AF-802 環(huán)氧樹脂系統(tǒng)粘度低，活動阻力小，有利于對碳纖維的滋潤。該環(huán)氧樹脂膠液外表張力大，有利于在碳纖維中的毛細活動。

　　2)外表上漿劑改善了環(huán)氧樹脂對碳纖維的滋潤功能。FT-IR 剖析標明上漿劑含有—OH 和C—O—C 基團，環(huán)氧樹脂分子鏈存在固有極性羥基和醚鍵，碳纖維外表的活性基團添加了與樹脂的相容性和結合。

　　3)SEM 剖析標明AF802 環(huán)氧樹脂系統(tǒng)復合資料的損壞斷面規(guī)整，顯現(xiàn)纖維與樹脂一起開裂，發(fā)揮了基體與增強體的協(xié)同效果，滋潤功能的進步對自行車架用碳纖維/環(huán)氧樹脂復合資料的物理功能起到了改善效果。