熱固性碳纖維雖然是當(dāng)下碳纖維復(fù)合材料中應(yīng)用最為廣泛的一種，但其本身的性能上限并不算高，加之脆性較大、抗沖擊性較弱、耐高溫能力一般，而且還無法回收和重塑，因此材料界才會將目光轉(zhuǎn)移到更全面的熱塑性碳纖維上。不過熱塑性碳纖維的制備并不容易，熱塑性樹脂粘度大、浸潤效果差的問題一天不解決，批量生產(chǎn)就無法得以實現(xiàn)。本文將探討多壁碳納米管在碳纖維復(fù)合材料，尤其是熱塑性碳纖維復(fù)合材料中是否具備一定的促進(jìn)和改善作用。
　　
 
　　多壁碳納米管天生與熱塑性樹脂不契合
　　
　　多壁碳納米管（MWCNT）目前已經(jīng)被證實，可應(yīng)用于提高熱固性碳纖維（CFRP）的機(jī)械性能，包括抗沖擊性、 斷裂韌性和層間剪切強(qiáng)度（ILSS），制作方法也相對簡單，只要將多壁碳納米管（MWCNT）摻入熱固性碳纖維復(fù)合材料中，形成一定的混合物。但這種摻入的方式并不適用于熱塑性碳纖維復(fù)合材料，這是因為熱塑性樹脂本身具有較高的粘度和較低的表面自由能，多壁碳納米管的簡單混入會出現(xiàn)分散不均勻的問題，反而提升了熱塑性樹脂的粘度，從而降低了碳纖維和熱塑性樹脂基體的浸漬與界面結(jié)合，反而會影響熱塑性碳纖維復(fù)合材料整體的機(jī)械性能。
　　
　　那是否說明多壁碳納米管自此與熱塑性碳纖維無緣了呢？其實不然，對于性能上可能有沖突的兩種材料，通過正確的加工處理方式，或許可以讓不可能變?yōu)榭赡埽専崴苄蕴祭w維復(fù)合材料的性能得到提升，同時為日后的批量制備帶來轉(zhuǎn)機(jī)。既然多壁碳納米管與熱塑性樹脂鍥合度不高，那將之與碳纖維進(jìn)行結(jié)合，或許可以解決以上的問題。
　　
 
　　多壁碳納米管錨定碳纖維，可提升抗沖擊性和層間剪切強(qiáng)度
　　
　　有國外研究團(tuán)隊開發(fā)了可大規(guī)模生產(chǎn)的多壁碳納米管錨定碳纖維的加工方案，將其作為熱塑性碳纖維復(fù)合材料（CFRTP）的新型結(jié)合應(yīng)用方式。 研究中分別通過酸處理和火焰處理，在多壁碳納米管和碳纖維上引入官能團(tuán)，并通過偶聯(lián)劑的酯化反應(yīng)進(jìn)行固定，得到錨定多壁碳納米管的碳纖維，再與熱塑性樹脂（PA6）融合，形成的新型熱塑性碳纖維復(fù)合材料，并通過各項實驗。測定的數(shù)據(jù)證實，其抗沖擊性和層間剪切強(qiáng)度均得到了一定的提升。
　　
 
　　1、多壁碳納米管錨定碳纖維：實驗選用T700碳纖維、聚酰胺（PA6）和直徑20-30nm、長度10-30μm的多壁碳納米管，碳纖維上原先的上漿劑通過火焰處理實現(xiàn)退漿，然后將火焰處理后的碳織物浸入0.5wt.％的環(huán)氧基封端的硅烷偶聯(lián)劑水溶液中，再將涂有硅烷偶聯(lián)劑的碳織物在對流烘箱中于120℃下干燥2小時。整個過程就是通過將涂覆有偶聯(lián)劑的碳織物浸入分散有多壁碳納米管的水中來制備多壁碳納米管錨定的碳織物。
　　
　　2、多項對比測驗：原始的碳纖維、多壁碳納米管錨定后的碳纖維（多種濃度，包括1wt.%、2wt.%、3wt/%、4wt.%和5wt.%），原始的聚酰胺和與多壁碳納米管混合后的聚酰胺，將以上4類素材進(jìn)行多次橫向和縱向?qū)Ρ龋ㄟ^數(shù)據(jù)結(jié)果來獲取正確的結(jié)論。
　　
　　a、添加多壁碳納米管前后的性能對比
　　b、混入和錨定這2種方式提升復(fù)合材料機(jī)械性能的效果對比
　　c、不同濃度的多壁碳納米管錨定碳纖維提升的機(jī)械性能效果對比
　　
　　3、實驗結(jié)果顯示：
　　
　　a、抗拉強(qiáng)度：無添加、混入多壁碳納米管和錨定碳納米管的CF/PA6的抗拉強(qiáng)度和模量分別約為1100MPa和50GPa，期間隨著多壁碳納米管的濃度發(fā)生輕微的波動，但相差不大。而通過應(yīng)力應(yīng)變曲線（S-S曲線）和失效模式之間的差異可以推斷出，多壁碳納米管錨定的CF/PA6的層間剪切強(qiáng)度有所提升。
　　
 
　　b、層間剪切強(qiáng)度：混入多壁碳納米管的CF/PA6的層間剪切強(qiáng)度（ILSS）從原先的35MPa降低至28MPa，這是多壁碳納米管混入后提升了樹脂粘度，降低了浸潤效果的原因?qū)е拢欢S著混入濃度的提升，層間剪切強(qiáng)度幾乎沒有變化。錨定碳納米管的CF/PA6的層間剪切強(qiáng)度，隨著濃度的提升而提升，隨后會出現(xiàn)下降，分別為46.7MPa（1wt.%）、40MPa（2wt.%和3wt.%）、24MPa（4wt.%）。錨定多壁碳納米管后的CF/PA6，表面的偶聯(lián)劑層從碳纖維上剝離，形成了機(jī)械和化學(xué)聯(lián)鎖反應(yīng)。濃度為1wt.%，層間剪切強(qiáng)度達(dá)到頂峰，峰值46.7MPa，隨著濃度的提升，碳纖維和偶聯(lián)劑層之間也發(fā)生分層，層間剪切強(qiáng)度降低至24MPa。
　　
 
　　c、抗沖擊強(qiáng)度：無添加的CF/PA6的抗沖擊強(qiáng)度為191kJ/m2，混入多壁碳納米管的CF/PA6的抗沖擊強(qiáng)度隨著濃度的提升而上升，在3wt.%時達(dá)到的頂峰，峰值為231kJ/m2，后續(xù)濃度提升，抗沖擊強(qiáng)度沒有明顯的變化。錨定多壁碳納米管的CF/PA6的抗沖擊強(qiáng)度隨著濃度的提升先上升后下降，分別為300kJ/m2（1wt.%）、310kJ/m2（2wt.%）、356kJ/m2（3wt.%）、265kJ/m2（4wt.%），在3wt.%濃度時達(dá)到頂峰，峰值356kJ/m2，濃度提升斷裂模式從脫粘轉(zhuǎn)變?yōu)镻A6基體斷裂，導(dǎo)致抗沖擊強(qiáng)度大幅回落。
　　
 
　　通過多項反復(fù)實驗、橫向與縱向?qū)Ρ?，發(fā)現(xiàn)多壁碳納米管混入熱塑性基體，并不能提升層間剪切強(qiáng)度和抗沖擊性，反而起到拉低的作用；而多壁碳納米管錨定碳纖維后制備的熱塑性碳纖維復(fù)合材料，在層間剪切強(qiáng)度和抗沖擊性上的提升效果顯著，但前提是需要選擇合適的濃度，否則同樣會受到一定的負(fù)面效果。
　　
 
　　熱塑性碳纖維復(fù)合材料可能是碳纖維產(chǎn)業(yè)下一階段發(fā)展的重點，不管是從熱塑性樹脂浸潤效果本身，還是從碳纖維界面處理等角度，這些測驗的初衷都是為了改善目前批量制備熱塑性碳纖維難度較高的現(xiàn)狀。智上新材料從事碳纖維行業(yè)已經(jīng)超過10年，深刻體會到其中的艱辛和不易，只有不斷的嘗試和修正，才能生產(chǎn)出性能更好的碳纖維復(fù)合材料及對應(yīng)的碳纖維制品。