应用 | 3D 打印工艺中酚醛树脂浸渍温度如何影响其与碳纤维接触角？

背景

碳酚醛是一种在热固性酚醛树脂( thermosetting phenolic resin, TSPR )基体中加入连续碳纤维( continuous carbon fiber, CCF)增强物的复合材料，由于TSPR热固化形成的三维交联结构具有高强度和高硬度等特性，同时CCF弥补了短纤维力学性能的不足，碳酚醛既满足热防护需求又满足结构强度需求。

本文基于前期已提出的分步式连续纤维增强热固性复合材料3D打印策略，提出了一种连续纤维增强热固性酚醛树脂的3D打印制备工艺，设计了纤维浸渍-树脂原位预固化-打印样件后固化的成型方式，系统研究了酚醛树脂浸渍和固化过程的温度依赖性，分析了打印参数对样件结构和性能的影响规律，成功制备了力学性能良好的连续纤维增强酚醛树脂复合材料。

实验方法

制备

本文采用浸渍-原位预固化-后固化的3D打印成型方法制备连续纤维增强热固性酚醛树脂复合材料，成型工艺如图1所示。

图1 3D 打印 CCF-TSPR 样件成型示意图

分析与表征

采用德国克吕士公司KRüSS K100型表面张力仪测定不同温度下酚醛树脂的表面张力，采用德国克吕士公司KRüSS DSA100 型光学接触角测量仪测量酚醛树脂和碳纤维的静态接触角，分别在 30 ℃ 、40 ℃ 、50 ℃ 和 60 ℃下测定酚醛树脂的表面张力和与碳纤维的接触角。 

图2. K100表面张力仪 

图3.DSA100液滴形状分析仪 

在30 ℃~60 ℃范围内测定酚醛树脂的表面张力和与碳纤维的接触角 ,测试结果如表1所示。在 30 ~ 60 ℃ 温度范围内，酚醛树脂溶液与碳纤维单丝的润湿角小于90°，说明两者之间具有较好的润湿性，可以不采用其他改良剂或者对纤维表面处理。随着温度的升高，酚醛树脂溶液的表面张力减小，树脂与纤维的接触角变小。这是由于随着温度的增加，液体分子更容易在纤维表面铺展，两者之间的润湿性增加。随着浸渍温度的升高，树脂溶液会随着溶剂挥发而黏度增大，不利于浸渍过程。因此综合考虑温度对润湿性和黏度的影响，选择40 ℃为浸渍温度。

表1.不同温度下酚醛树脂的表面张力和与碳纤维接触角

图4为40 ℃酚醛树脂浸渍后碳纤维的 SEM 照片。此温度下浸渍后树脂会产生流动，黏流态的酚醛树脂均匀地包裹在纤维表面，纤维表面平整光滑,未出现翘曲和断裂的情况。在该温度下酚醛树脂的流动性较好，将促进树脂浸渍、包裹纤维，填充内部孔隙缺陷以及调整纤维-树脂的分布。从图 3( b)可以看出树脂将纤维丝束有效地黏结在一起，形成一个整体，没有明显的孔隙和树脂与纤维的不均匀分布现象。SEM结果表明浸渍后复合材料纤维和树脂结合良好。

图4 酚醛树脂浸渍碳纤维的 SEM 照片((b)为(a)的局部放大)

总结

针对连续碳纤维增强热固性酚醛树脂复合材料3D打印成型工艺的技术难题，本文提出了浸渍-原位预固化-后固化的3D打印成型方案，实现了连续碳纤维增强热固性酚醛树脂复合材料的3D打印成型，并研究浸渍温度对酚醛树脂接触角与表面张力的影响规律。结果表明：当浸渍温度为40 ℃ ，纤维-树脂界面结合效果最佳，原料具备成型条件。

本文有删减，详细信息请参考原文：

刘陶欣,鲍崇高,董文彩,等.连续碳纤维增强热固性酚醛树脂复合材料的3D打印工艺及性能研究[J].硅酸盐通报,2022,41(07):2494-2501.

DOI:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2022.07.022.