碳纤维（ＣＦ）具有比重轻、模量高、导电、导热及膨胀系数小等突出优点，被广泛应用于航天、航空、汽车、电子、机械、化工及轻纺等领域。但碳纤维单独应用场合较少，绝大部分以复合材料的形式使用，其中，碳纤维增强树脂基复合材料是其主要品种之一。
由于碳纤维是由有机纤维在惰性气氛中经高温碳化而成的，碳纤维表面的活性基团较少，表面呈惰性，与树脂基体的结合性能较差，从而影响复合材料的使用性能。为此，通常需要利用上浆剂对碳纤维表面进行改性处理。一方面，利用上浆剂中的活性官能团促进碳纤维与树脂基体之间的结合；另一方面，可以减少碳纤维在加工过程中由于反复摩擦而产生的毛丝现象。近年来，以水为溶剂或为分散剂的水性上浆剂由于对环境无污染、在生产中能耗低等优点而日益受到了人们的重视。本课题组在前期通过对表面活性剂曲拉通Ｘ－１００（ＴｒｉｔｏｎＸ－１００，ＴＸ－１００）进行改性，得到了使纳米碳管在水中具有良好分散性的分散剂。
为此，本研究在前期分散剂研究的基础上，以４，４’－亚甲基双（异氰酸苯酯）（ＭＤＩ）为扩链剂，将水溶性的ＴＸ－１００引入到环氧树脂中常见的双酚Ａ二缩水甘油醚（ＤＧＥＢＡ）中，合成水性碳纤维上浆剂，并利用合成的上浆剂对碳纤维进行表面处理，期望通过上浆剂在碳纤维的表面引入环氧基团。在此基础上，以环氧树脂为基体，制备碳纤维／环氧树脂（ＣＦ／ＥＰ）复合材料；研究水性碳纤维上浆剂处理对碳纤维表面性能及其复合材料界面性能的影响。
一、实验材料及方法
１．１ 原材料
实验原材料为聚丙烯腈碳纤维（Ｔ３００Ｂ，直径６．５μｍ），日本东丽集团，实验时，先用丙酮超声清洗３ｈ后用无水乙醇清洗数次，放置于６０℃的烘箱中烘干（命名为ＣｌｅａｎｅｄＣＦ）；ＤＧＥＢＡ，东京化成工业株式会社；ＭＤＩ，上海阿拉丁试剂；曲拉通－１００（ＴＸ－１００），上海阿拉丁试剂；Ｅ５１（６１８）环氧树脂、低分子６５０聚酸胺固化剂和６６０Ａ环氧树脂活性稀释剂，杭州五会港胶粘剂有限公司；聚乙二醇２００，天津科密欧化学试剂有限公司。
１．２水性碳纤维上浆剂ＤＧＥＢＡ－ＭＤＩ－ＴＸ－１００的合成
ＤＧＥＢＡ（３．７２０ｇ，８ｍｍｏｌ）加入三角锥瓶中，在７０℃下，真空度在－０．０８ＭＰａ下搅拌３０ｍｉｎ除去水分。冷却至室温下加入ＭＤＩ（１．２５０ｇ，５ｍｍｏｌ），在氮气保护下７０℃反应８ｈ，加入ＴＸ－１００（３．９００ｇ，６ｍｍｏｌ）７０℃反应１６ｈ。合成水性碳纤维上浆剂ＤＧＥＢＡ－ＭＤＩ－ＴＸ－１００，合成路线如图１所示。图１ＤＧＥＢＡ－ＭＤＩ－ＴＸ－１００的合成路线Ｆｉｇ．１ＳｙｎｔｈｅｓｉｓｐａｔｈｏｆＤＧＥＢＡ－ＭＤＩ－ＴＸ－１００１．３碳纤维的表面改性
将实验合成的ＤＧＥＢＡ－ＭＤＩ－ＴＸ－１００溶于１００ｍＬ的水中，高速搅拌３０ｍｉｎ后，将丙酮清洗后的碳纤维束浸润在改性剂溶液中３ｍｉｎ，然后慢速提拉，放置阴凉处自然晾干（命名为ＭｏｄｉｆｉｅｄＣＦ）。
１．３碳纤维的表面改性
将实验合成的ＤＧＥＢＡ－ＭＤＩ－ＴＸ－１００溶于１００ｍＬ的水中，高速搅拌３０ｍｉｎ后，将丙酮清洗后的碳纤维束浸润在改性剂溶液中３ｍｉｎ，然后慢速提拉，放置阴凉处自然晾干（命名为ＭｏｄｉｆｉｅｄＣＦ）。
１．４碳纤维／环氧树脂复合材料的制备
将环氧树脂、低分子６５０聚酸胺固化剂和６６０Ａ环氧树脂活性稀释剂按照１０∶７∶１质量比混合均匀，放置于真空烘箱中除去气泡，缓慢地浇注在事先固定碳纤维的模具中，再将其置于７０℃下固化３ｈ得到碳纤维／环氧树脂复合材料，脱模后，将其在液氮中脆断，在显微镜下，观察复合材料的脆断面形貌。其中用于界面剪切强度（ＩｎｔｅｒｆａｃｉａｌＳｈｅａｒＳｔｒｅｓｓ，ＩＦＳＳ）的测试的试样为单纤维复合材料。为了比较，也制备了碳纤维复合材料。另外，为了满足临界断裂长度法测试的要求，在环氧树脂基体中加入了与稀释剂相同量的低分子量的聚乙二醇２００。
１．５性能表征
采用美国热电公司的Ｎｉｃｏｌｅｔ３２５７００型傅里叶变换红外（ＦＴＩＲ）谱图对合成的改性剂和ＤＧＥＢＡ进行分析；利用德国ＺＥＩＳＳ，ＵＬＴＲＡ５５型场发射电子显微镜（ＦＥ－ＳＥＭ）对改性前后碳纤维表面形貌进行观察和能谱分析。使用Ｅ５１（６１８）环氧树脂和６６０Ａ环氧树脂活性稀释剂按照质量比１０∶１配比，喷涂在碳纤维表面，放置在７０℃烘箱中固化２４ｈ后，用ＬｅｉｃａＤＭ２７００Ｐ型偏光显微镜测量改性剂处理前后碳纤维表面的环氧树脂液滴的形态，并观察单纤维复合材料中单丝在拉伸过程中的断裂情况测量断裂长度，样本容量为５，求平均值。