【技术干货】一文了解ORNL实验室碳纤维间歇上浆技术
编者按：橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory - 缩写为ORNL）是隶属于美国能源部的大型国家实验室，位于田纳西州橡树岭，在碳纤维领域长期致力于低成本碳纤维制备技术的研发，详细内容可延伸阅读《碳纤维的低成本化之路》。
SMC（片材成型复合材料）是一种常用的复合材料成型加工技术，在SMC过程中经过上浆处理的碳纤维与树脂结合以形成复合材料。
碳纤维表面进行上浆处理的积极意义体现在可以防止制造过程中脆性的碳纤维产生毛丝，并改善制造过程工艺性。
但是由于经上浆处理后碳纤维具有优异的抱合力，因此SMC过程中不利于纤维丝束间分散，进而导致复合材料的性能下降。
基于上述缺陷，ORNL-CSP团队提出了一种碳纤维表面改性技术，即：采用间歇喷涂技术对纤维丝束进行间歇上浆处理。
经过表面处理后，对于未上浆的碳纤维表面具有较高的表面能，可促进基体聚合物对碳纤维丝束浸润性；而间歇喷涂点喷涂的上浆剂又具有一定集束性。
ORNL碳纤维间歇上浆过程示意图如图1所示，图中蓝色三角为喷涂装置，经过喷涂后在碳纤维表面形成蓝色上浆点，而点之间的间隔是未上浆的碳纤维。
图1 间歇上浆过程示意图
ORNL碳纤维表面处理采用气相氧化处理技术（图2），而在图2侧面可以看到用于间歇上浆处理的喷涂装置。
图2 ORNL碳纤维气相氧化处理及间歇喷涂上浆装置
图3中上方丝束为未上浆12k碳纤维丝束，下方丝束为经过间歇上浆处理后丝束，可以看到在喷涂点上浆后，纤维具有一定集束性。
图3 间歇喷涂上浆纤维与未上浆纤维对比
以间歇上浆碳纤维为原料，进行了SMC工艺试验，结果显示间歇喷涂上浆碳纤维与SMC生产工艺相适应，但是实际的生产过程中需要关注装置产生静电现象。
随后ORNL利用ABB公司提供的P4工业应用自动化系统对纤维复合材料进行切割（图4），系统切割速度为64m/min。
图4 P4系统对碳纤维复合材料进行切割
按照ASTM 790-92标准对切割好样品进行了弯曲性能测试（图5），经过测试表明，与传统处理过程相比，采用间歇上浆处理后复合材料弯曲破坏时应力峰值提高了110%，弯曲模量提高了60%。
图5 碳纤维复合材料力学性能测试
该项研究重点集中在：复合材料成型加工时改善了碳纤维与树脂基体之间的界面性能，尤其是对于片状复合材料（SMC）成型工艺更具吸引力。