碳纖維改性熱塑性樹脂復合材料的5個方向
碳纖維是不可多得的高性能材料，對于它的研究從百年之前已經開始，如今的碳纖維技術和產業(yè)發(fā)展已經得到了全球多個國家的支持。碳纖維本身柔軟難以塑形，因此將之改性，并與塑料、樹脂、金屬、陶瓷等基材復合，可以獲得更加卓越的綜合性能，以及符合工業(yè)應用的穩(wěn)定結構。
碳纖維改性樹脂是較為成功的復合材料，當下主流的是熱固性碳纖維復合材料，樹脂包括環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂等。熱塑性樹脂與碳纖維融合的難度較高，但總體性能表現(xiàn)更好，是未來碳纖維產業(yè)發(fā)展的重要方向。在目前的工業(yè)技術水平之下，碳纖維改性熱塑性樹脂復合材料的研究已經取得了不小的成果，不少高性能的連續(xù)碳纖維增強熱塑性復合材料已經成功落地，如智上新材料出品的CF/PPS、CF/PEEK單向帶等。
碳纖維改性熱塑性樹脂復合材料的5個方向
1、碳纖維改性聚丙烯樹脂復合材料
聚丙烯(PP)是汽車、家電等領域中應用最廣泛的聚合物材料，就中國國內的PP年產量已經超過100萬噸/年。利用碳纖維對聚丙烯樹脂進行改性，可以顯著提高復合材料的強度和剛性，除此之外，碳纖維的加入對PP材料的流動性和結晶性也有比較大的影響。
碳纖維改性PP材料通常采用熔融共混的加工方式實現(xiàn)，加工工藝主要包括：雙螺桿擠出工藝和長纖維增強工藝兩種。碳纖維改性之后的材料性能受到碳纖維的添加量、纖維長度、相容劑、纖維的表面處理等因素的影響。
目前，通過長纖維增強的PP復合材料已經廣泛應用于汽車、船舶等領域。然而由于PP基材與碳纖維之間的相容性較差，要得到力學性能優(yōu)異的復合材料需要對碳纖維進行復雜的表面處理工藝，這極大的增加了加工成本和加工難度。
2、碳纖維改性聚氯乙烯樹脂復合材料
聚氯乙烯(PVC)是我國產量最大的通用樹脂之一，它的主要優(yōu)點包括：成本低、電絕緣性好、耐化學性好、成型工藝簡單等。但它的本身的一些缺點如：韌性不好、沖擊強度及熱穩(wěn)定性低、加工性能差等一系列問題限制了其在一些條件要求嚴格領域的應用。
經過碳纖維改性的PVC材料可以有效的提高PVC基材的拉伸強度、表面硬度和彎曲強度等，適合于制備各種PVC板材和管材。
碳纖維絲與PVC基材的相容性更好，所得到復合材料的拉伸強度、彎曲強度和沖擊強度都比PVC基材很大程度的提高。由于PVC基材的熱穩(wěn)定性差，熔融浸漬或者共混的加工方式容易使基材發(fā)生降解，因此，碳纖維改性的PVC材料目前都通常采用層壓的加工方式。
3、碳纖維改性聚碳酸酯樹脂復合材料
聚碳酸酯(PC)是一種應用廣泛的工程塑料，它具有沖擊強度高、透明性好等特點，將碳纖維與PC復合后，可進一步提高PC的各種性能，擴展它的應用領域。
有研究表明，碳纖維添加量在20%以下時對材料的拉伸強度、彎曲強度和彎曲模量都有顯著的增強作用，材料的沖擊強度在碳纖維含量為6%左右達到最大值。碳纖維含量在10%一20%之間時材料的表面電阻率可以達到8×10Q·cm,具有優(yōu)異的抗靜電性能。
聚碳酸酯(PC)與碳纖維復合后還可以賦予聚合物基材以電磁屏蔽的作用，但是屏蔽效率并不高，需要加入其他一些導電率高的金屬纖維或粉末以達到標準電磁屏蔽材料所需要的屏蔽效能。碳纖維或者金屬鍍層的碳纖維與金屬粉末、石墨烯、導電炭黑等復配后可以在復合材料中起到搭橋作用提高材料的電磁屏蔽性能。
4、碳纖維改性聚酰胺樹脂復合材料
聚酰胺（PA）本身就是性能優(yōu)異的工程塑料，但由于這個材料的結晶度高、吸濕性大，制品尺寸穩(wěn)定性差，強度和硬度也不如金屬，實際應用過程中這類材料同常需要采用玻璃纖維或者碳纖維進行增強處理。
采用碳纖維增強改性后，可以極大的提高PA的力學性能，改性后既可作為結構材料承受載荷，又可作為功能材料發(fā)揮作用。目前，對于碳纖維改性PA的研究大部分都集中在碳纖維表面改性對復合材料界面和性能的影響上。
有研究表明，碳纖維表面氧化處理提高了碳纖維與PA1010的粘結力；隨著碳纖維體積分數的增加，復合材料的抗拉伸強度和洛氏硬度先增加后下降，當碳纖維體積分數為20%時，材料的抗拉伸強度達到最大值；除此之外，材料的摩擦系數隨著碳纖維的體積分數的增加而降低，當CF體積分數達到20%時，摩擦系數穩(wěn)定在0.24左右。
5、碳纖維改性特種工程塑料復合材料
特種工程塑料是指綜合性能更高，長期使用溫度在150℃以上的工程塑料，這類材料主要包括：PEEK、PPS、TPI等。大部分的特種工程塑料可以作為玻璃纖維、碳纖維和芳綸纖維增強熱塑性復合料的基體材料。碳纖維增強特種工程塑料具有優(yōu)良的力學性能和加工性能，可以在航天、海洋或者醫(yī)療等應用領域完全取代熱固性樹脂甚至金屬材料。
A、碳纖維增強的聚醚醚酮(PEEK)是目前極限耐熱溫度最高的熱塑性塑料，其長期使用溫度可以達到250℃，即使溫度高達到300℃時，仍可保持非常好的力學性能。碳纖維改性聚醚醚酮材料不但可以提高材料的強度和剛性，還能賦予這類材料導電性和耐磨性的特性。
B、熱塑性聚酰亞胺(TPI)具有突出的熱穩(wěn)定性，良好的抗沖擊、抗輻射和耐溶劑性能等特點，除此之外，這類材料在高溫、高低壓和高速等極端環(huán)境下具有優(yōu)異的耐摩擦磨損性能，采用碳纖維進行增強后，可進一步提高這類材料的應用性能，擴大應用范圍。
C、聚苯硫醚(PPS)是一種半結晶熱塑性樹脂，具有卓越的力學性能、耐化學侵蝕性、自阻燃性等特點，除此之外，這類材料對無機礦物和有機纖維的相容性較好，適合制備各種填充量比較高的復合材料。熱塑性碳纖維聚苯硫醚復合材料有很好的力學性能及優(yōu)良的耐溶劑性，PPS與碳纖維之間的粘結性能優(yōu)良，不過的各項力學性能受到碳纖維布體積分數的影響很大。當碳纖維布體積分數低于50%時，復合材料的各項力學性能均隨著碳纖維布體積分數的增大有很大程度的提高。
