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碳纤维表面处理

2022-11-30 来源:高分子物理学公众号 浏览数:1

 

碳纤维具有高模量、高强度和优良的耐热性, 与高聚物复合可得到力学性能极为优异的复合材料, 被广泛应用于航空、航天、运动器材等领域。

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为使碳纤维表面易于与树脂基体结合,往往需要对碳纤维表面进行处理,清除碳纤维表面杂质,在碳纤维表面刻蚀沟槽或形成微孔以增大表面积,来改变碳纤维表面性质,以增加碳纤维表面的极性官能团及表面活化,进而更容易浸润和发生化学反应,使复合材料界面更紧密连接而增加强度。

碳纤维表面处理的方法有很多,主要包括表面清洁处理、气相氧化法、液相氧化法、阳极氧化法、表面涂层法、表面沉积元机物、电聚合处理、冷等离子处理等。

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不同的表面处理后CF的SEM图像

a) 未处理 b) 空气处理 C)浓HNO3处理 d)上浆处理 e)等离子处理 

方法一

表面清洁处理

碳纤维吸附性强,表面易吸附水分及有机污染物,影响与基体的结合。故而对其进行表面清洁处理,具体做法为:将碳纤维在惰性气体保护下加热到一定高温并保温一定时间,以清除吸附水,净化表面。

方法二

气相氧化法

在加热下用空气、氧气、CO2、臭氧等处理碳纤维,处理后CF比表面积和表面粗糙度增加, 使表面产生胺基、羟基、羰基等含氧极性基团,以利于碳纤维与基体树脂界面结合,从而提高CF增强复合材料的综合力学性能。

空气氧化法:

Cu或Pb盐催化剂,400~500℃,氧气或空气氧化处理。在空气中,500℃加热16h,碳纤维的层间剪切强度会提高45%,纤维大量失重分解;在纯氧中,需适当引入二氧化硫、四氯化碳等气体来控制氧化处理进程。

臭氧氧化法:

王影用O3处理CF,处理后的CF表面粗糙度增加,表面的O元素和含氧极性官能团的相对含量增加;用O3处理后的CF来增强氰酸酯树脂(CE)基体,制备CF/CE复合材料,复合材料层间剪切强度达到62.91 MPa,比未处理的提高了32.65%。

气相氧化法的优点是设备简单、反应时间短、易连续化,缺点是反应难控制、重复性差、纤维严重损伤。

方法三

液相氧化法

液相氧化法是以浓HNO3、H3PO4、HClO、KMnO4、NaClO等氧化剂与CF长时间接触, 在纤维表面形成羧基、羟基等基团, 增强与树脂的结合力。宋晨晨对CF表面进行硝酸处理后用于增强聚偏氟乙烯(PVDF),在添加处理后的CF质量分数为30%时,相对处理前复合材料弯曲强度和模量分别提高125%和439%。

液相氧化法优点是氧化效果好,损伤较小;缺点是液相氧化法仅限于纤维表面,且伴随着环境污染问题。

方法四

阳极氧化法

阳极电解氧化也叫电化学氧化法,这种表面处理的方法已在碳纤维工业生产中得到了普遍的应用。

研究发现,对碳纤维进行阳极氧化表面处理后,碳纤维的浸润性有一定程度的增强,碳纤维与水的接触角也有一定程度的降低;碳纤维强度出现了一定程度的下降,强度离散性也略有增大。

方法五

表面涂层法

碳纤维表面涂层的制备不仅能够提高碳纤维抗氧化性,也是提高碳纤维与基体润湿性,改善复合材料界面结构性能的主要方法。近年碳纤维表面涂层研究种类很多, 主要有金属涂层、陶瓷涂层、氮化物涂层、氮化物涂层和复合涂层。

金属涂层能够有效地改善纤维与基体的润湿性,但亦容易被氧化,形成表面氧化物后会降低与金属液的润湿性。陶瓷涂层的高温稳定性好,实际使用效果佳,促进界面润湿,有效降低界面扩散和界面反应,但是陶瓷涂层相较之碳纤维热膨胀系数较高,高温或受到热冲击时涂层容易开裂剥落,失去保护碳纤维的作用。复合涂层可以有效增强碳纤维增强体的抗氧化性,但制备工艺较为复杂。

方法六

表面沉积元机物

金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术的沉积温度低、沉积速度快、沉积灵活性强、成膜面积大,合成材料的成分可控;通过对MOCVD工艺参数的控制,可精确控制薄膜生长的厚度、组成和掺杂浓度。在碳纤维表面镀覆一层金属或金属化合物膜能够改善纤维与基体间的界面结合,优化界面,充分发挥碳纤维增强体在复合材料中的作用。

方法七

电聚合处理

电化学聚合法作为近年来发展起来的一种新型聚合方法,碳纤维表面经电化学处理后能够形成较为均匀的聚合物层,形成的环氧树脂复合材料断面较为平整,纤维拔出量少。

采用该方法处理碳纤维表面具有处理时间短,可控性强,能够在碳纤维表面均匀接枝聚合物的特点。

方法八

冷等离子处理

等离子处理是指用放电、高频电磁振荡、冲击波及高能辐射等方法使惰性气体或含氧气体产生等离子体, 对材料的表面进行处理。

低温等离子体技术是20世纪60年代出现的一种新的材料表面处理技术。低温等离子体技术是一种干式工艺, 具有节能、无公害、处理时间短、效率高以及能满足环境保护要求等优点。

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(a) 低温等离子体处理的碳纤维表面形貌; (b) 阳极电解氧化法处理的碳纤维表面形貌

电化学氧化法、偶联剂涂层处理、气相氧化法、液相氧化法和等离子体处理等方法均能使CF增强树脂复合材料性能得到提升,但是也存在缺点。新型改性技术具有很大的发展前景,今后CF表面处理技术的低成本化、绿色化和连续生产化将是重点研究方向。

 

 

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