通过上浆改性增强石墨烯纤维的界面和力学性能

《Composites Communications》：Enhancing the interfacial and mechanical properties of graphene fibers through sizing modification

　　

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  上浆改性通过增加纤维表面活性和修复石墨结构，从而增强界面和机械性能，进而强化界面化学键合和结构完整性。
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  最优稀释比为1:7的水溶性上浆剂使拉伸强度提高31.6%（达到828 MPa），实现界面剪切强度（IFSS）为83.6 MPa，O/C比为0.58，I_D/I_G比为0.84。
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  最优稀释窗口为1:7和1:6的乳液型上浆剂使拉伸强度提高34.3%（达到845 MPa），IFSS约为83 MPa，O/C比为0.57，I_D/I_G比为0.88，同时表现出更好的浓度变化耐受性。

引言

继Gao等人于2011年的开创性工作[1]、[2]、[3]、[4]、[5]之后，石墨烯纤维（GFs）作为一种新型碳质纤维材料应运而生，凭借其卓越的多功能特性（包括低密度、高柔韧性、优异的电导率和出色的热导率）引起了大量研究关注。然而，与传统碳纤维相比，高热导率的GFs具有晶体各向异性特征，拥有大石墨晶域和低缺陷密度，并具有独特的表面形貌，其分级褶皱从100到500 nm不等[6]、[7]。这些内在结构特征导致在大束生产时容易产生毛丝现象，并增加其在复合材料制造过程中受损的敏感性，从而限制了其优异性能在最终复合材料中的有效转化。因此，GFs的表面改性对于促进其在工业环境中的可扩展性和实际应用具有重要意义[8]、[9]、[10]。

碳质纤维表面改性的常用方法包括等离子处理、微波照射和纳米颗粒修饰等物理技术，以及电化学处理、化学接枝和上浆/涂层等化学方法[11]、[12]、[13]、[14]。例如，Ceregatti等人^[15]采用N₂/H₂等离子体对碳纤维织物进行功能化，使后续聚苯胺接枝成为可能，并显著提高了界面粘附力。Yuan等人^[16]利用微波处理在水介质中蚀刻碳纤维表面，创建纳米凸起，增强了与环氧树脂的界面剪切强度。Liu等人^[17]通过聚醚酰亚胺中间层在碳纤维上生长ZIF-67晶体，在不降低纤维拉伸强度的情况下，实现了40.5%的界面剪切强度提升。Andideh等人^[18]电化学氧化碳纤维并接枝超支化聚氨酯，引入丰富的官能团，提高了环氧复合材料的层间剪切强度。Ahmadi等人^[19]用巯基官能团修饰MoS₂纳米片，并通过巯基-烯烃点击化学共价连接到碳纤维表面，界面剪切强度提高了74%。与经常损害纤维完整性的剧烈氧化或蚀刻技术相比，上浆/涂层在温和条件下形成保护性聚合物层，具有独特的优势，既保持了碳纤维的固有拉伸强度，又通过与基体的化学相容性增强了界面粘附力。Lyu等人^[20]开发了一种水基磷酸化PEEK上浆剂，在碳纤维上形成柔性保护层，改善了CF/PEEK复合材料的可加工性和界面键合。

最新进展进一步证明了上浆策略在解决纤维表面缺陷和提高复合材料性能方面的有效性。Ma等人^[21]通过点击化学将季铵盐基团引入碳纤维表面，开发了一种离子型水基聚酰胺酰亚胺上浆剂，无需表面活性剂即可自乳化，显著提高了CFRP复合材料的层间剪切强度和弯曲性能，同时不损害纤维。Qiu等人^[22]将纳米羧甲基纤维素上浆剂应用于碳纤维，多功能基团自动吸附到表面缺陷上；在最佳载荷为0.075 g时，复合材料的层间剪切强度达到49.21 MPa，展示了有效的缺陷修复和界面增强。Liu等人^[23]合成了一种环保的水溶性可交联聚芳醚上浆剂用于CF/PEEK复合材料，与未经处理的复合材料相比，层间剪切强度提高了42.7%，弯曲强度从668 MPa提高到956 MPa。Liu等人^[24]还提出了一种针对GFs的分子偶联界面工程策略，证明接枝改性复合材料实现了协同的热机械性能提升，界面剪切强度达到89.2 MPa（增加了61.6%），面内热导率达到571.1 W/m·K。尽管GFs具有优异的固有热导率，但GF束的可扩展和连续制造仍然是满足工业复合材料制造需求的先决条件[25]、[26]、[27]、[28]。

本文中，我们系统地研究了不同类型和配方的上浆剂对纤维表面特性和机械性能的影响。该策略旨在解决当前阻碍GFs增强复合材料性能的基本挑战，如大束生产过程中的毛丝现象和受损敏感性。具体而言，我们阐明了上浆剂的分散状态如何影响GFs的表面改性机制和最终界面性能。GFs可制造性的近期突破缩小了实验室创新与工业规模应用之间的差距，使其能够集成到用于航空航天、能源和高通量热管理领域的大规模纤维增强复合材料中。

章节摘要

材料

从杭州高希科技有限公司（https://www.gaoxitech.com）购买的线性密度为97.3 Tex、体密度为1.89 g/cm³的GFs。这些GFs是通过连续纺丝和还原工艺制备的湿纺还原氧化石墨烯（rGO）纤维。它们是通过在凝固浴中湿纺氧化石墨烯（GO）液晶分散体，然后经过多级洗涤和拉伸，使用氢碘酸进行化学还原来制造的。水溶性上浆剂和

上浆剂对GFs表面特性和界面性能的影响

GFs具有独特的多孔微槽结构。图2a和2b展示了原始GFs和用水溶性上浆剂（GF-S1-17，上浆剂:水=1:7）改性纤维的微观形貌。原始GF表面覆盖着随机褶皱和交叉形凹沟，为纤维与基体之间的机械互锁提供了有利条件。用水溶性上浆剂改性后，观察到明显的涂层填充沟槽

结论

本研究系统地研究了水溶性上浆剂和乳液型上浆剂对GFs表面特性和机械性能的影响，旨在解决阻碍其在高性能复合材料中应用的基本挑战，即毛丝现象和受损敏感性。两种体系的最佳稀释比均为1:7。在此比例下，水溶性上浆剂使拉伸强度提高31.6%，从629提高到828 MPa，并实现IFSS为

CRediT作者贡献声明

周琦：调查、资金获取。李豪朋：形式分析、数据整理、概念构思。邢飞：写作 – 审阅与编辑、写作 – 原稿、可视化、验证、监督、软件、资源、项目管理、方法论、调查、资金获取、形式分析、数据整理、概念构思

利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。

致谢

国家自然科学基金委员会（编号52272046）、浙江省"尖兵"和"领雁"研发计划（编号2026C02A1055）。

邢飞|李豪朋|周琦