聚酰胺（PA）树脂具有耐摩擦、耐热和耐非物理性腐蚀以及易加工等优点，其中聚酰胺 6（PA6）被大范围的应用于建筑、服装、包装、体育和电子等领域。然而，PA 存在尺寸稳定性较差和强度较低等缺陷，限制其在特定领域的应用。

  碳纤维（CF）具有高强度、低密度、耐高温等优点，利用 CF 增强 PA6 可以拓宽 PA6 的应用领域。

  PA6/CF 复合材料兼具两者的优点，具备优秀能力的力学性能、耐高温性能等，且可回收利用，在航空、建筑、汽车、体育、电子和医疗等领域应用前景广阔。

  PA6/CF 复合材料主要由 CF、PA6 和界面层构成，界面层承担着连接 CF 和 PA6 以及传递外力的作用，CF 和 PA6 两相之间良好的相容性是保证界面层性能优异的前提，能增加 CF 和 PA6 的接触面积和物理、化学嵌合，并且减少缺陷产生，直接影响 PA6/CF 的力学性能。然而，CF 的表面十分光滑且呈化学惰性，与 PA6 界面结合能力较弱，容易成为黏结薄弱区域，难以充分的发挥其力学性能优势。因此，改善 CF 表面活性、提高 CF 与 PA6 的界面性能对提升 PA6/CF 力学性能具备极其重大意义。

  氧化法会使 CF 表面极性官能团数量增加，但是强氧化作用会对 CF 有所损伤；

  上浆剂在 CF 表面引入活性基团的同时不会损伤 CF，上浆剂与基体还可通过相似相容、物理化学作用和诱导结晶等方式提高复合材料界面性能；上浆法工艺简单，是一种简单有效的改性 CF 的方法。

  聚氨酯（PU）与 PA6 化学结构相近，热稳定性良好，是一种较为理想的改性 CF 与 PA6 相容性的上浆剂。

  KARSLI 等研究不同上浆剂改性 CF 对 CF/PA66 力学性能的影响，根据结果得出：PU 作为上浆剂对复合材料拉伸模量提高效果最大。ZHAO 等用水性 PU 上浆剂改性 CF，明显地增加 CF 表面的极性官能团，CF/PA6 的弯曲强度比未加 CF 时提高 28.6%。

  本实验以 PU 为上浆剂改性 CF 并制备 PA6/CF 复合材料，研究 CF 与 PA6 的相容性以及 CF/PA6 的力学性能和耐热性，旨在制备性能优异的 PA6/CF 复合材料。

  为减少 CF 在生产运输中因摩擦碰撞而出现毛丝断裂等缺陷，商用 CF 表面也会进行上浆处理，但是不同的上浆剂与基体的性质有差异，并且商用上浆剂的浓度难以达到最优的效果，因此对 CF 表明上进行去胶处理。将 CF 放入丙酮溶液中浸泡 12h 除去原有上浆剂，然后取出在 80℃烘箱中烘干备用。未处理和处理的 CF 分别记为 NCF 和 DCF。

  将 PU 上浆剂与去离子水混合配制成质量浓度为 0.2g/mL 的溶液，并将上述处理后的 DCF 在 PU 溶液中浸渍 5min 进行上浆；将上浆后的 CF 在 100℃条件下干燥 10min，除去水分，放入干燥器中备用。上浆后的 CF 记为 SCF。

  表 1 为纯 PA6 和 PA6/CF 复合材料的配方。按表 1 将称取 PA6 和 SCF 加入高速混合机充分混合；再用挤出机挤出造粒，挤出机各区温度设置 180~280℃；挤出料经过水槽冷却后切成 5mm 的粒料；然后在 80℃烘箱中干燥 6h；最后注塑成型，注射温度 280℃，模具的温度 90℃，自然冷却至室温，制成所需尺寸样品。

  SEM 测试：采用扫描电子显微镜观察微观形貌，加速电压设置为 15kV。

  接触角测试：采用光学接触角测定测试 PA6 熔体在 NCF、DCF 和 SCF 表面的接触角。

  耐热性能测试：采用热重分析仪来测试，取约 5mg 样品，氮气环境，升温速率为 10℃/min。

  图 1 为不同解决方法下 CF 的 SEM 照片。从图 1 能够准确的看出，未处理的 NCF 表面比较光滑，虽能看到部分小颗粒，但是数量较少，这些小颗粒是 CF 原有的上浆剂。经过丙酮处理的 DCF 漏出 CF 的原有表面，其表面出现少量较浅的沟槽，但是总体上还是表面比较光滑。经过丙酮处理并用 PU 上浆后的 SCF 表面有大量的浆料小颗粒，并且还有许多沟槽和褶皱。

  表 2 为不同解决方法下 CF 与 PA6 之间的接触角。从表 2 可以看出：

  经过丙酮去除原有上浆剂的 DCF 与 PA6 的接触角为 108.6°；

  经过丙酮处理后再用水性 PU 上浆剂处理的 SCF 与 PA6 的接触角为 46.3°；

  说明表面未包覆其他改性剂的 CF 与 PA6 的接触角最大，经过 PU 上浆剂改性的 CF 与 PA6 的接触角最小，相比 DCF 降低 62.3°，表明经过 PU 上浆剂改性的 CF 与 PA6 的相容性最好。

  这是因为未经过任何改性剂改性或包覆的 CF 表面呈惰性，极性低，与 PA6 相容性较差；上浆剂包覆的 CF 表面极性提高，与 PA6 的相容性提高，接触角变小；CF 原有上浆剂与 PA6 的相容性较差或原有上浆剂的包覆量有限，导致 PU 上浆剂包覆 CF 后，其与 PA6 相容性较好，因此 SCF 与 PA6 的接触角最小，NCF 与 PA6 的接触角次之。

  图 2 为不同解决方法下 CF 的单丝拉伸强度。从图 2 能够准确的看出，DCF 的单丝拉伸强度为 4.9GPa，NCF 的单丝拉伸强度为 5.1GPa，SCF 的单丝拉伸强度 5.3GPa，说明 SCF 的单丝拉伸强度最高，DCF 的单丝拉伸强度最低。

  这是因为上浆剂在 CF 表明产生一层紧密的包裹层，能够填充 CF 原有的沟槽和缺陷，使 CF 的完整性更好，来提升 CF 的拉伸强度，并且水性 PU 上浆后对 CF 的表面包裹更充分和紧密（如图 1 所示），导致 SCF 的拉伸强度最高。因此，水性 PU 上浆剂改性 CF 效果较好。

  图 3 为 PA6/CF 的层间剪切强度。从图 3 能够准确的看出，随着 SCF 掺量的增加，PA6/CF 的层间剪切强度先大幅度提高后略有下降，当 SCF 的质量分数为 15% 时达到最大。

  这是因为上浆剂在 SCF 表面带有大量活性基团，能够使 SCF 均匀分散于 PA6 中，SCF 表面的 PU 上浆剂分子与 PA6 相互缠绕、机械结合或分子间氢键等作用，使 SCF 与 PA6 有效结合，SCF 均匀承担和传递剪切荷载，因此在一定掺量下，随着 SCF 掺量的增加，PA6/CF 的层间剪切强度提高；但当 SCF 掺量过高时，SCF 可能非间接接触或团聚，导致应力集中，工艺流程中产生内部缺陷，使 SCF 无法充分的发挥高强力学性能优势，因此 PA6/CF 的层间剪切强度反而略有下降。

  这主要是因为 CF 拉伸强度和弯曲强度远高于 PA6，将 SCF 加入 PA6 中能够传递和承担破坏荷载，尤其是 CF 表面被上浆剂改性后，SCF 与 PA6 界面间黏结性较好，因此 SCF 对 PA6/CF 的拉伸强度和弯曲强度提高效果非常明显。然而，当 SCF 的掺量过多时，其对性能的贡献已基本达到上限。此时，过量的 SCF 有可能会出现分散均匀性变差，发生团聚，导致加工困难，在内部产生缺陷和造成应力集中，致使 SCF 提高 PA6/DCF 拉伸强度和弯曲强度的作用有限，因此增长幅度很小。

  图 5 为 PA6/CF 的拉伸强度试样断面的 SEM 照片。从图 5 可以看出，

  当 SCF 的质量分数增加至 20% 时，部分 SCF 被拔出留下孔洞，且部分 SCF 周围包裹着的 PA6 树脂极少。

  这是因为过量的 SCF 出现团聚，部分 SCF 不能被 PA6 基体完全包裹且容易使复合材料体系出现缺陷，致使 SCF 容易被拔出，这也进一步验证了拉伸强度和弯曲强度先明显地增加再增长缓慢的原因。

  图 6 为纯 PA6 和 PA6/CF 的 TG 曲线 能够准确的看出，未加 SCF 时，纯 PA6 的初始热分解温度（t₀）为 346℃，最大热分解速率对应的温度（tmax）为 451℃，最终质量保留率（wlos）为 1.8%。PA6 的热分解主要是先分解成脂肪族碳氢类物质和低聚物，最后生成 H₂O 和 CO₂。随着 SCF 掺量的持续不断的增加，PA6/CF 的热分解曲线向上平移，t₀、tmax 和 wlos 不断增大，说明 PA6/CF 的耐热性提高。

  出现以上结果的原因是：SCF 包含的 CF 耐热性能远高于 PA6，SCF 加入后提高了 PA6/CF 的耐热性，因此 t₀和 t_max 提高；而 SCF 的质量分数达到 15% 时，SCF 对 PA6/CF 的耐热性提高效果基本达到最大，因此继续增加 SCF 的质量分数至 20%，PA6/CF 的耐热性并没有显著变化；SCF 的加入虽然提高 PA6/CF 的耐热性，但是 PA6 分子在高温下会不断分解，SCF 主要是抑制 PA6 分解的速度，对 PA6 的分解残留影响不大；另外，SCF 表面的 PU 上浆剂在高温下也会发生分解，因此 PA6/CF 的 w_los 增大值接近 SCF 的掺量变化。

  DCF 表面比较光滑；NCF 表面存在原有上浆剂，并有部分小颗粒，但表面也比较光滑；SCF 表面被上浆剂包裹，表面含有大量小颗粒，还形成了许多沟槽和褶皱。DCF 与 PA6 的接触角为 108.6°，NCF 与 PA6 的接触角为 68.9°，SCF 与 PA6 的接触角为 46.3°，说明表面未包覆其他改性剂的 DCF 与 PA6 的相容性最差，PU 上浆剂改性的 SCF 与 PA6 的相容性最好。DCF 的单丝拉伸强度最小，SCF 的单丝拉伸强度最高。

  随着 SCF 掺量的增加，PA6/CF 的层间剪切强度先大幅度提高后略有下降，SCF 的质量分数为 15% 时层间剪切强度达到最大。

  随着 SCF 掺量的增加，PA6/CF 的拉伸强度和弯曲强度均先明显地增加后缓慢增加，当 SCF 的质量分数为 15% 时，拉伸强度和弯曲强度比纯 PA6 提高 316.4% 和 198.8%。

  随着 SCF 掺量的增加，PA6/CF 的耐热性逐渐提高。当 SCF 的质量分数为 5%~15% 时，PA6/CF 的耐热性提高速度较快，与纯 PA6 相比，t₀提高 36℃，t_max 提高 42℃；当 SCF 的质量分数为 20% 时，PA6/CF 的耐热性提高速度变慢。综合考虑成本和性能，SCF 最优添加质量分数为 15%。