盖克静
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摘要：碳纤维复合材料具有良好的比模量、比强度、耐烧蚀性和耐疲劳强度等诸多优越性能，已被广泛应用到各个领域。本文着重分析了在碳纤维增强热塑性树脂复合材料制备过程中所用的增塑剂、固化剂、润滑剂、热稳定剂等各种助剂的作用及作用机理，并阐述了各种助剂选用时的注意事项。
关键词：助剂；碳纤维；复合材料
0引言
由于碳纤维复合材料具有良好的比模量、比强度、耐烧蚀性和耐疲劳强度等诸多优越性能，已被广泛应用到航空航天、轨道交通、新能源、汽车制造、军事等领域。特别是科学技术飞速发展的今天，关于碳纤维复合材料的研究与开发越来越深入，并且在未来具有广阔的市场前景。目前，在碳纤维增强热塑性树脂复合材料的应用实践过程中，制件依然会出现各种问题。为了更好地对碳纤维增强热塑性树脂复合材料的制造工艺等各方面因素对材料性能的影响，文中，分析了在材料制备过程中各种助剂对材料性能的影响。
1增塑剂
能够和树脂均匀融合在一起，化学性能相对稳定，与树脂和其他助剂不产生化学反应，或产生有利于改善材料性能的化学反应，并能稳定材料性能。其主要作用是降低树脂的玻璃化温度和熔体粘度。增塑剂通常为具有上述性能的液体或溶点较低的固体。
1.1增塑剂的类型
⑴根据功能特殊性的不同，增塑剂可分为特殊增塑剂和通用型增塑剂。通用型增塑剂应用较为广泛的有邻苯二甲酸酷类。
⑵根据增塑剂的化学性能不同划分：氯化径化合物、磷酸醋、脂肪族二元酸脂、有苯甲酸脂、环氧化合物、聚酷、石油脂、梓檬酸脂、邻苯二甲酸酷等。
⑶根据增塑剂分子结构不同可分为聚合型和单体型两大类。所应用的增塑剂中大多是单体增塑剂，具有固定分子量，如邻苯二甲酸酷，应用广泛。通过聚合反应得到的最具较大分子量的增塑剂通常不易挥发，具有良好的耐迁移性和耐热性，但缺点是增速效率较低。
1.2增塑剂的作用及作用机理
采用增塑剂的主要目的是削弱树脂分子间的范德华力，增强了分子间的热流动性，降低了分子链结晶的能力，从而最终提高了树脂的塑性、柔韧性和伸长率。加入增塑剂后可以降低树脂的玻璃化温度、溶体粘度及弹性模量，且由于增塑剂化学性能相对稳定而不改变材料自身的化学特性。使用增塑剂的作用：
⑴改善树脂材料的加工工艺性能。如增加润滑性、降低加工温度和溶融状态下的粘度等。
⑵改善产品性能。当增塑剂达到一定用量时可改变材料的特性，如提高材料的塑性和断裂伸长率，降低拉伸强度和弹性模量，降低玻璃化温度，提高材料在低温环境下的应用范围等。
目前，关于增塑剂作用机理的研究主要有三套理论，包括凝胶、润滑和自由体积：
⑴凝胶理论：认为在聚合物增塑过程中，在一定的温度下，聚合物某两个大分子之间会因温度作用试图彼此分开，而分开后的大分子又会与其他分子重新结合在一起，而这种分开与重新结合会处于一种动态平衡状态。这种动态平衡说明分子和分子之间建立了某种意义上的物理“连接链”，并且此“连接链”不是固定不变的，会在分子之间不断地进行连接、分开和再建立。增塑剂的介入后，会在聚合物分子与分子之间进行连接、分开的过程中阻断这些“连接链”，使其失去再次建立连接的作用。该理论能够很好的解释增塑剂用量在极性聚合物增塑中的作用，但在非极性聚合物增塑中，增塑剂加入量的变化并不能明显改变聚合物“连接链”比例。
⑵润滑理论：认为聚合物材料之所以具有刚性和抵抗形变的能力，是因为分子与分子这间存在一种作用力（摩擦力），增塑剂介入后能够起到分子间润滑的作用，能够促进分子间“连接链”转移，甚至当材料中部分大分子缔结为凝胶网时，增塑剂依然能够促使“连接链”转移。虽然此理论能够很好的解释采用增塑剂后，能够降低材料的粘度，提高其流动性，且不会明显改变材料的原有基体性能，有利于复合材料的成型加工艺，但仅凭简单的润滑理论来解释增塑的复杂过程未免过于浅显。此外，该理论还容易与助剂中的润滑剂相混淆。
⑶自由体积的理论：认为所有聚合物在时的自由体积是一定的。然而，随着增塑剂加入，聚合物的自由体积会有所增加，點度和会有所降低，塑性得到改善。据此，增塑作用的好坏和聚合物的自由体积呈现正比状态，但它对很多聚合物在增塑剂含量较低时，存在的反增塑现象，不能做出很好的解释。
1.3增塑剂的选择
若想制备综合性能良好的制品，在增塑剂的选择方面，有如下条件：与基体的相容性良好、耐寒性好、增塑效率较好、低挥发性、耐有机溶剂、耐水、耐热性好、耐油、无毒、无色、无嗅等特点。
2固化剂
2.1固化剂的作用及作用机理
常用的固化剂有六亚甲基四胺、聚甲醛等，加入的目的主要是使热塑性酚醛树脂固化。例如热塑性酚醛树脂加入六亚甲基四胺后，在热熔状态下能够分解出亚甲基，并与树脂分子活性点结合，从而使其固化。同时反应过程中释放出的氨具有催化作用，能够加快固化速度。
2.2固化剂使用时的注意事项
⑴固化剂的用量应适当。固化剂过少，树脂固化时间过长，且耐热性能降低；固化剂加入量过多，固化速度加快，但会降低制件的耐水性，易出现膨胀。对于六亚甲基四胺的用量，通常为树脂的10～15%。
⑵使用前需进行研磨加工。常用的六亚甲基四胺为结晶状粉末，晶粒较粗，为了加入后混合更均匀，必须对其进行磨细。
3润滑剂
在对树脂材料进行机械加工时，树脂与加工设备及树脂分子之间会产生摩擦力，摩擦力过高会产生过多的摩擦热，会使熔体流动性下降，不利于加工，流动阻力过大时还会使制品表面产生流纹或生成毛面。因此，为了降低这一过程中的摩擦作用需向材料中加入润滑剂。
3.1润滑剂的作用机理
依据润滑剂的作用机理，润滑剂可分为外润滑剂和内润滑剂。内润滑剂在常温下与聚合物的相容性一般较小，但在高温下与聚合物的相容性会大大提高，起到增塑的作用，而且可以削弱聚合物分子之间的内聚力，聚合物间的内摩擦得到减少，粘度降低，流动性增加。这种作用称为内部润滑作用。与此相比，外润滑剂与聚合物的相容性较小，加工过程中易从聚合物的内部析出到表面。在界面处，润滑剂分子是取向排列的，其中极性基团面向金属表面，通过化学键合或物理吸附，形成润滑剂分子层，由于润滑剂分子具有较低的内聚能，因此能降低聚合物与设备表面之间的摩擦力，防止其与机械表面发生黏附，这种作用被称为外部润滑作用。
3.3 选用润滑剂时的注意事项
在选用润滑剂时应根据制备材料的性能、加工工艺及方法、所用设备、产品的用途、润滑剂的特性等多方面因素综合考虑。通常情况下选用的润滑剂须符合以下要求。
⑴首先不能降低材料的基本性能，包括耐候性、耐高温性及电性能等，不影响材料的加工性能；
⑵润滑剂自身须具有较高的耐高温性能、化学稳定性和物理稳定性，不易分解和挥发，遇高温能保持良好的稳定性，且不与树脂材料或其它助剂产生不利反应；
⑶无毒无害、无污染、无腐蚀性；
⑷具有显著的润滑效果，且作用稳定持久；
⑸和树脂的相容性差异较小，兼备内润滑剂和外润滑剂的双重作用；
⑹具有较低的表面张力和粘度，具有良好的扩展性，能够在界面部位形成界面层。
4热稳定剂
影响树脂材料热降解的因素主要有：指支链、链结构、头头结构、烯丙基氯、双键、分子量及共辄双键等。此外，氧、氯化氢等部分添加剂也会对树脂材料的热降解性能产生影响。热稳定剂的选用应具备以下特点：
⑴能与聚稀结构进行双键加成反应，破坏大共轭体系的形成，防止继续降解，消除或减缓制品变色；
⑵捕捉自由基，阻止聚稀结构的氧化作用。
⑶置换聚氯乙烯分子中不稳定的稀丙基氯原子或叔碳基氯原子，抑制脱氯化氧反应。
⑷中和或钝化树脂中的杂质，催化剂残基、端基等。实验证明，双键常存在于降解后的聚氯乙稀分子结构中。这种双键还能移动对光线吸收的波长范围。而显现各种颜色；随着降解的继续进行，双键增多，颜色由浅变深。因此，消除双键对聚合物的降解和变色起抑制作用。
⑸能吸收或中和使用过程中所脱出的氯化氢，终止其自动催化作用。
5 讨论
复合材料技术开发与应用的关键在于复合材料成型工艺技术的研究，近年来，随着成型工艺技术研究的不断深入和完善，新的成型工艺不断涌现，复合材料技术得到了飞速发展。树脂基碳纤维复合材料具有高模量、高强度、抗蠕变、耐疲劳、耐腐蚀、耐高温等一系列优点，综合了树脂和碳纤维两者的优点，两者结合在一起后，得到了单一材料不具备的特殊性能，融这些优点为一身，是理想的复合材料组元。
参考文献：
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