热塑性碳纤维复合材料可能是未来20年内复合材料技术研究的重要方向，凭借高断裂韧性、快速加工成型、可重塑加工和可回收重塑等优势，可能将碳纤维及相关产业推向更高效和更环保的高度。智上新材结合国外专业论文，以热塑性碳纤维聚丙烯（CF/PP）复合材料为主，介绍在碳纤维表面涂覆处理剂，和使用马来化处理的聚丙烯树脂，通过特殊编织工艺，再经过压缩成型后，测试其界面性能的变化，以及树脂浸润碳纤维的效果变化。
　　
 
　　不同类型处理剂的CF和马来化PP，制备对应CF/PP并测试性能
　　
　　1、基础材料：增强体方面选择表面涂覆不同类型和用量的处理剂的碳纤维，树脂选择聚丙烯（PP）纤维和马来化处理的聚丙烯（MAPP）。
　　
 
　　2、微滴测试：采用微滴测试的方式评估CF/PP复合材料的界面剪切强度，界面剪切强度（τ）通过公式1计算： τ = F / πdl 。其中，F为最大载荷，πd为纤维周长，l 为嵌入纤维长度。通过显微镜图像表征纤维周长和嵌入长度的值。
　　
 
　　3、CF/PP浸润测算：通过特殊编织技术，将表面有处理剂的碳纤维和聚丙烯（PP）纤维编织起来，形成微编织纱（MBY），将CF/PP MBY中的体积分数（Vf）调整为40%左右，利用设备制备成单向热塑性碳纤维CF/PP复合材料，然后沿垂直纤维方向切割，通过光学显微镜观察复合材料的横截面，并利用软件计算未浸润的比例。
　　
　　CF表面处理剂和马来化PP对界面性能和浸润的影响结果
　　
 
　　1、界面剪切强度和表面处理剂：测试发现，界面剪切强度会随着碳纤维表面处理剂含量的增加而逐步下降，这是因为表面处理剂抑制了CF和PP之间的界面粘结能力。
　　
 
　　2、界面剪切强度与PP/MAPP：测试中对比了CF/PP、CF/MAPP和CF/PA这3种热塑性碳纤维，3种热塑性碳纤维的界面剪切强度都随着表面处理剂的增加而下降，界面剪切强度数据上从弱到强依次为：CF/PP、CF/MAPP和CF/PA。
　　
 
　　3、浸润效果与处理剂含量/成型时间：上图中所示，透明圆圈环状为树脂浸润碳纤维部分，圆圈中黑色区域为未浸润部分。表面处理剂含量1.1%，成型时间5分钟，观察到未浸润部分，随着成型时间逐步提升至40分钟，未浸润部分仍然存在，说明浸润不彻底。表面处理剂含量0.2%，成型时间5分钟，观察到未浸润部分，随着成型时间逐步提升至10分钟，黑色部分消失，说明充分浸润了碳纤维。浸润效果随着表面处理剂含量降低而提升，随着成型时间增加而提升。
　　
 
　　4、CF/PP和CF/MAPP浸入效果：上图中展示了CF/PP和CF/MAPP在不同成型时间下的横截面，CF/MAPP观察到比CF/PP更大的未浸渍区域，说明前者的浸润效果更差，但对应的界面剪切强度也更高。
　　
 
　　5、接触角和润湿能力：上图中展示了CF/PP和CF/MAPP的接触角，CF/MAPP的接触角高于CF/PP的接触角，表明使用马来化聚丙烯的润湿能力较差，对应的浸润效果也较差。
　　
 
　　在对热塑性CF/PP复合材料的研究中发现，碳纤维表面处理剂含量越低，界面剪切强度越高，树脂浸润效果越好；而马来化聚丙烯树脂会提升界面剪切强度，但会降低树脂浸润效果。通过实验数据，智上新材发现不管是对碳纤维进行表面处理，还是对树脂进行化学处理，都需要适度，否则只会制备出性能更差的热塑性碳纤维复合材料。