熱可塑性炭素繊維の製造において、業界では通常、これら 4 つのサイジング剤が使用されます。

サイジング剤と熱可塑性樹脂ベースの複合材料との相溶性を改善するために、業界は、サイジング剤と熱可塑性樹脂の間の構造の類似性と強力な相互作用を達成することを目的として、さまざまな熱可塑性樹脂用のさまざまな新規サイジング剤について広範な研究を行ってきました。 。数多くの実験と比較データ評価の結果、ポリアミド (PA)、ポリウレタン (PU)、ポリアリールエーテル、およびポリイミド (PI) の 4 つのサイジング剤が特に適していることがわかりました。

1.ポリアミド(PA)サイズ剤

ナイロンとしても知られるポリアミド (PA) は、優れた化学的安定性、耐摩耗性、機械的特性を備えています。特殊繊維、エンジニアリングプラスチック、熱可塑性樹脂をベースとした複合マトリックス樹脂によく使用されます。 PAは熱可塑性樹脂ベースの複合材料のマトリックス樹脂として広く利用されており、サイジング剤の成分としてPAを選択することにより、熱可塑性樹脂ベースの複合材料の界面適合性を高めることができます。

溶媒ベースのサイジング剤は、変性 PA をポリオールに溶解し、サイジングされた T300 炭素繊維に塗布することによって調製されました。これにより、CF/PA66 複合材料の製造が可能になりました。サイジング剤とナイロン66マトリックス樹脂との相溶性が良好なため、化学結合と物理吸着の相乗効果により、複合材料の引張強度と衝撃強度をそれぞれ40.87％、43.59％向上させることに成功した。

しかし、この方法では大量の有機溶剤が必要であり、環境と生産の安全性に対して重大な脅威をもたらし、溶剤の乾燥にかなりのエネルギー消費を要します。したがって、PA サイズ剤研究の焦点は、より環境に優しい水ベースのサイズ剤システムに徐々に移行しています。現在、界面活性剤を使用して安定に分散した PA エマルションを得る方法と、親水性修飾によって PA 水性サイズ剤を調製する方法が、より成熟したアプローチとなっています。

2.ポリウレタン(PU)サイズ剤

ポリウレタン（PU）は、その独特な化学構造により、各種熱可塑性樹脂との相溶性や接着強度に優れ、サイジング剤として広く使用されています。ウレタン構造とカーボネート構造の類似性と相溶性を利用して、PU を溶媒法で炭素繊維 (CF)/熱可塑性ポリカーボネート (PC) 複合材料の繊維をサイジングするためのサイジング剤として使用できます。

ポリウレタン (PU) サイズ剤の熱安定性は優れています。 270度までの温度でのみ重量が減少し始めます。これにより、ポリカーボネート (PC) マトリックス内のカーボネート構造との化学結合が可能となり、複合材料の層間せん断強度が 38.1 MPa から 62.9 MPa に増加し、65% の向上に相当します。

しかし、環境問題がますます重視されるようになり、溶剤ベースの PU サイズ剤は水ベースのサイズ剤システムに徐々に置き換えられています。乳化分散は、水性 PU サイズ剤を調製するために一般的に使用される方法の 1 つです。水ベースのエマルジョン PU サイズ剤は、常温乾燥条件下で最大 6 か月間保存でき、耐熱性は 280 ～ 300 度に達し、CF/PA66 複合材料の層間せん断強度を 78 MPa 以上に高めることができ、より優れた強度を実証します。大幅な強化。

ポリアリールエーテルサイジング剤

ポリアリールエーテルは、芳香環とエーテル結合を含むポリマーです。よく知られている例には、ポリエーテル エーテル ケトン (PEEK)、ポリフェニレン スルフィド (PPS)、およびポリエーテルスルホン (PES) が含まれます。硬いベンゼン環と柔軟なエーテル結合により、これらの材料は優れた機械的および熱的特性を備えていると同時に、一部のシステムを結晶化できるため、高温多湿の条件下での連続使用が可能になります。高機能エンジニアリングプラスチックや熱可塑性樹脂として、航空宇宙、エレクトロニクス、エネルギー、医療分野で幅広く使用されています。

ただし、ポリアリールエーテルの硬くて安定した構造は多くの利点をもたらす一方で、他の活性基との反応が難しくなり、炭素繊維 (CF) との界面結合が弱くなります。したがって、ポリアリールエーテル系を改質し、CF および熱可塑性マトリックスとの結合強度を高めるサイジング剤を調製することが、取り組むべき優先課題となっています。強酸処理はポリアリールエーテル分子に活性基を導入する効果的な方法です。

PEEK系にスルホン化処理によりスルホン酸ナトリウム構造（-SO3Na）を導入し、サイジング剤を調製した。スルホン酸基は繊維表面の基と水素結合を形成することができ、サイジング剤は PEEK マトリックスと相溶性があり、マトリックス樹脂の CF への濡れと浸透を促進します。複合材料の層間せん断強度は７８．２ＭＰａに達した。

さらに、酸化グラフェン（GO）をポリエーテルスルホン（PES）と同様のジアミン構造で修飾することにより、溶媒ベースのハイブリッドサイジング剤を調製しました。これにより、活性アミノ基が導入されただけでなく、系の熱安定性も向上しました。化学結合、水素結合、極性引力、ファンデルワールス力、機械的結合などのさまざまな相互作用により、サイジング剤、GO、CF、PES マトリックス間の強力な結合が達成され、界面特性が 74.1% 向上します。 CF/PES コンポジットの。

4.ポリイミド(PI)サイジング剤

ポリイミド (PI) は、分子骨格にイミド環を含む高性能ポリマーです。これらは非常に剛性の高い鎖構造と優れた機械的特性を備えており、最高温度定格のポリマー材料の 1 つとなっています。 PI は、航空宇宙、軍事機器、電子通信、その他の分野で広く応用されています。中でも、柔軟なエーテル結合を有するポリエーテルイミド（PEI）サイジング剤は、その優れた熱安定性、柔軟性の向上、溶解性の向上、熱可塑性樹脂との相溶性などにより、高温用サイジング剤として近年注目を集めています。

PI サイジング剤は高温に耐えることができ、高性能熱可塑性樹脂ベースの複合材 (CF/PES や CF/PEEK 複合材など) の成形条件や使用条件を満たします。しかし、ポリアリールエーテルサイジング剤と同様に、PIサイジング剤の分子構造は硬く安定しているため、炭素繊維（CF）との結合力が低く、加工性が悪く、化学修飾が必要です。

PI サイジング剤の修飾は、多層カーボン ナノチューブ (MWCNT) を PEI のジクロロメタン溶液に分散させることにより、ナノ粒子を使用して実行されました。 T300グレードのCF生地を溶剤法で表面処理しました。研究の結果、混合サイジング剤中の MWCNT が多数の活性基を効果的に導入し、繊維表面を均一にカバーできることが判明しました。サイジング後、PEI のイミド環は極性相互作用を形成し、MWCNT 表面のヒドロキシル基およびカルボキシル基と水素結合を形成する一方、MWCNT の芳香環と PEEK マトリックス樹脂の間には π-π スタッキング相互作用が発生しました。この修正により亀裂の伝播が大幅に抑制され、最終的に複合材料の層間せん断強度が 90.7 MPa になりました。

厳密に言うと、ポリアミド (PA)、ポリウレタン (PU)、ポリアリールエーテル、およびポリイミド (PI) は 4 つのカテゴリーのサイジング剤を表し、それぞれが異なる種類の熱可塑性樹脂に合わせて調整されています。これらのサイジング剤システムは通常、熱可塑性炭素繊維複合材の性能特性を効果的に高めるために、使用中にさまざまな修飾を受けます。さらに、実験プロセスが環境に重大な悪影響を与える可能性があるかどうかを考慮することが不可欠です。最適な解決策を見つけるために、国内外の多くの専門家や学者が最適なアプローチを特定するために努力しています。