炭纤维增强热塑性复合材料高效的成型特点和独特的焊接方式,使其在规模化、低成本化和高效修复及回收方面具有很大优势。炭纤维复合材料的力学性能高度依赖于增强纤维和基体间的界面结构和性能。然而从高温炭化炉中出来的原炭纤维表面化学活性低、物理结合点少,且丝束缺乏抱合,难以满足界面构筑和后续加工的需要,因此,必须进一步处理。上浆法作为一种炭纤维表面处理技术,具有同时满足复合材料界面性能和丝束可加工性的独特优势。然而目前专门针对热塑性树脂基复合材料开发的上浆剂,不仅供应少、价格高,且与热塑性树脂基体的化学反应性低、相容性差,从而导致炭纤维增强热塑性树脂基复合材料的界面性能较低。此外,一些上浆工艺还存在大量使用有机溶剂、工艺复杂且耗时严重的问题,难以匹配炭纤维的在线生产线。因此,本文通过对上浆剂的化学结构进行设计,来满足炭纤维与聚酰胺66基体间界面构筑的需求,同时开发新的上浆技术达到上浆工艺的环保性和高效性要求。（1）从市场上供应充足且成本较低的环氧上浆炭纤维（ESCF）出发,针对其应用于热塑性树脂基体时相容性差的问题,开发表面改性技术,即在空气气氛中进行氧化,使ESCF表面基团转变为匹配于热塑性树脂聚酰胺66基体的结构。主要的研究成果和结论如下:ESCF在280℃下氧化15 min时,其增强聚酰胺66复合材料的层间剪切强度达到80.4 MPa,比ESCF提高426%,比氮气热处理提高93%。进一步研究表明,氮气气氛中热处理可以去除ESCF表面与基体相容性差的环氧基团,从而提高复合材料的界面性能。在空气气氛下,环氧上浆剂的部分亚甲基和羟基被氧化成了羧基,能够进一步与炭纤维表面原有羧基基团产生交联,形成新的酸酐基团。这些酸酐基团不仅增强了炭纤维与上浆剂的界面结合,而且可与聚酰胺66分子上的氨基发生化学反应,从而显著提高炭纤维与基体的共价键合力。此外,氧化改性ESCF丝束在毛丝量、悬垂因子、幅宽和单丝强度方面与改性前水平相当。结果表明,ESCF在空气中氧化改性后,表面基团转变为适应于热塑性树脂聚酰胺66基体的结构,从而大幅度提升界面性能,并保留了商业炭纤维丝束的可加工性。（2）为适应热塑性树脂基复合材料快速发展的需求,开发与之匹配的上浆剂便显得尤为重要。本文针对聚氨酯上浆剂在应用于热塑性树脂基体时存在的反应性低及相容性差的问题,优选了四种不同刚柔性和反应性基团的聚氨酯,剖析了其化学结构与其界面增强的相关性。主要的研究成果和结论如下:四种聚氨酯上浆剂中,只有可交联聚醚型聚氨酯上浆达到了氧化炭纤维的水平,层间剪切强度强度为47.8 MPa,其它的均比氧化炭纤维低。聚酯型聚氨酯上浆氧化炭纤维后层间剪切强度下降到38.2 MPa,但相比于原炭纤维提高14%。然而采用聚碳酸酯型聚氨酯和封闭异氰酸酯上浆后层间剪切强度均比原炭纤维低,这主要与上浆剂分子的刚柔性和反应性基团的活性有关。可交联聚醚型聚氨酯不仅含有充足的柔性链结构,还具有高活性的末端反应性基团异氰酸酯,因此能够改善上浆剂与基体的相容性,而且提高炭纤维与上浆剂的共价键合力,从而增强了炭纤维与基体间的界面结合力。其它聚氨酯的分子的刚性大或基团反应活性低,不能有效提高炭纤维与基体的相互作用力。除界面性能外,可交联聚醚型聚氨酯上浆剂可以满足炭纤维丝束的应用加工性。研究表明,上浆剂含有与基体相容的高活性基团是增强聚酰胺66界面性能的关键要素。（3）为了进一步提升与基体相匹配的上浆剂分子的高活性基团含量,同时兼顾上浆工艺的环保性和高效性要求,本文采用水溶性的甘油和马来酸（MA）在炭纤维表面原位聚合的方式,合成了含有大量活性羟基基团的超支化聚酯（HBPE）上浆剂。研究了炭纤维氧化程度对单体聚合机理的影响以及HBPE上浆剂的结构对炭纤维增强聚酰胺66基体界面性能的影响。主要的研究成果和结论如下:在200℃以上,原炭纤维表面的单体通过酯化和加成反应的协同作用,形成了富含末端羟基的HBPE上浆层。原炭纤维经过电化学氧化后,表面增加的羧基基团可以催化其表面单体的羧基与羟基进一步酯化,从而提高HBPE上浆剂的酯化程度。其中6 A/m~2下的氧化炭纤维表面的羧酸含量较多,对其表面单体间的酯化反应催化效果显著,因此形成的HBPE上浆剂的支化点和末端羟基含量较高。这不仅有利于提高上浆剂与炭纤维共价键合,也可以改善上浆剂与基体的相容性,从而显著增强了炭纤维与基体间的界面结合。通过评价复合材料的层间剪切强度,获得6 A/m~2下的氧化炭纤维原位聚合上浆后增强聚酰胺66复合材料的层间剪切强度达到了77.9 MPa,比氧化炭纤维提高46%。结果表明,甘油与MA在炭纤维表面的原位聚合上浆,凭借合成的充足活性基团的上浆剂,可大幅度提升炭纤维增强聚酰胺66的界面性能,同时可以满足工业上对炭纤维上浆的环保性和高效性要求。（4）为了平衡界面处的化学交联和分子链变形能力,为界面相中引入更多的分子缠结和形变,本文进一步选用官能度较低且分子量更大的聚乙二醇（PEG）与MA进行原位聚合,旨在增加产物HBPE上浆剂分子的链长。进而通过调整PEG的分子量,研究了HBPE上浆剂分子的活性和链长对界面性能的影响。主要的研究成果和结论如下:首先通过调整聚合温度,合成了具有充足末端羟基含量的HBPE上浆剂。然后在235和280℃下,研究了不同分子量PEG与MA原位聚合对上浆剂的结构和界面性能的影响。发现PEG分子量小于2000时,其与MA原位聚合形成的上浆剂不受分子量影响,均具有较高的支化点和末端羟基含量,而且随着分子量的提高,上浆剂的链长增加。然而PEG分子量过高时,其末端基团活性的降低,则会抑制其与MA的聚合反应,从而使得形成的HBPE上浆剂的支化点和末端羟基含量降低。因而,PEG分子量在2000时,与MA原位聚合可以实现上浆剂分子末端羟基含量和链长的均衡控制。进一步通过表征复合材料的层间剪切强度,发现2000分子量的PEG与MA在280℃下原位聚合上浆炭纤维增强聚酰胺66的层间剪切强度达到了90.5 MPa,相比氧化炭纤维提高了70%,相比高官能度甘油与MA的原位聚合上浆炭纤维提高了16%。这归因于分子量为2000的PEG与MA合成了充足活性和链长的HBPE上浆剂,进而通过界面处化学连接、分子缠结和形变的协同作用实现炭纤维增强聚酰胺66复合材料界面性能的进一步优化。此外,分子量为2000的PEG与MA原位聚合上浆后的炭纤维丝束,其悬垂度接近商业化炭纤维,可满足炭纤维丝束的应用加工性能。上述研究表明PEG与MA单体在炭纤维表面的原位聚合上浆,通过优化上浆剂分子活性和链长,实现了炭纤维增强聚酰胺66界面性能的进一步提高。本文通过对环氧上浆剂的改性和对上浆剂分子活性、刚柔性和链长的调控,显著提高了炭纤维与聚酰胺66基体的界面性能,并兼顾了工业上对炭纤维上浆的环保性和高效性要求,从而为热塑性树脂基复合材料用炭纤维上浆剂的结构设计提供了新的思路和方法。