碳纖維的表面處理

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1、碳纖維的表面處理復材1201班宋潔瑤0121201060133碳纖維是近代發(fā)展起來的一種增強材料，具有高比強度和高比模量以及較高的抗蠕變性能，且耐疲勞、耐腐蝕，已成為最重要的增強材料之一，廣泛應用于制備纖維增強樹脂基材料。但是，碳纖維的表面惰性大，缺乏有化學活性的官能團，與基體的浸潤性差，往往導致其與基體的界面結合強度低，影響復合材料性能的提高。因此，對碳纖維進行適當?shù)谋砻骖A處理，對于形成與基體間的有效界面結合、實現(xiàn)基體和纖維間載荷的傳遞、充分發(fā)揮碳纖維的增強效應和提高復合材料的力學性能及耐高溫性能具有重要的意義。1、碳纖維的表面物理化學特點纖維的表面活性存很大程度上取決于其表面的表面

2、能，活性官能團的種類和數(shù)量，酸堿交互作用和表面微晶結構等因素。從表面形態(tài)上看，碳纖維的表面有很多孔隙、凹槽、雜質(zhì)及結晶，這些對復合材料的粘結性能有很大影響。從化學組成來看,碳纖維整體主要是碳、氧、氮、氫等元素，未經(jīng)表面處理的碳纖維表面羥基、羰基等極性基團的含量較少，不利于其與基體樹脂的粘結。碳纖維的類石墨結構決定了其表面呈化學惰性，不易被犟體樹脂所浸潤以及發(fā)生化學反應，與基體樹脂的粘結性能較差，表現(xiàn)為CFRP的偏軸強度較低。因此，要改善CFRP的界而性能，必須改善碳纖維的表面性能。2、表面處理的方法和效果碳纖維表面處理的方法很多，各種方法的目的是清除碳纖維表面雜質(zhì)，在碳纖維表面刻蝕溝槽

3、或形成微孔以增大表面積，從類似石墨層面改性成碳結構以增強碳纖維表面能，或者引入具有極性或者反應性的官能團以形成與樹脂起作用的中間層。2.1碳纖維表面涂層法表面涂層法包括偶聯(lián)劑處理和聚臺物涂層兩種，前者是先清洗再涂層，而后者是先氧化，再涂層。2.1.1偶聯(lián)劑處理法偶聯(lián)劑分子具有雙官能團，一部分官能團能與纖維表面反應形成化學鍵．另一部分官能團與基體反應形成化學鍵。這樣偶聯(lián)劑就在基體和增強纖維之間起到中間“橋”的作用，將二者牢固地連在一起。用硅氧烷偶聯(lián)荊處理低模量碳纖維，同樣可提高碳纖維增強材料的界面強度。但碳纖維表面的官能團含量少，用偶聯(lián)劑處理的效果往往不理想。2.1.2聚合物涂層法聚合物

4、涂層法是在經(jīng)其它表面處理后的碳纖維表面再附著一薄層聚合物，這種方法也稱為上漿處理。涂覆層既可保護碳纖維表面，又可提高纖維對基體的浸潤性。常用的涂覆層聚合物有聚乙烯醇、聚醋酸乙烯、聚縮水甘油醚及酯環(huán)族環(huán)氧化合物等，這些聚合物都含有兩種基團，能同時與碳纖維表面及基體結合。聚合物涂層法工藝簡便，便于連續(xù)生產(chǎn)，且對纖維表面的損傷小，并可根據(jù)性能要求進行界面設計。2.2碳纖維表面氧化法2.2.1潮濕空氣氧化法碳纖維在360℃的空氣中開始緩慢氧化，隨著溫度的提高，氧化反應逐步增強，實驗表明，最佳表面處理溫度在400℃左右。盡管400℃左右時的處理效果比較好，但若溫度的波動較大，碳纖維的拉伸強度會急

5、劇下降，因此處理時應盡量保持溫度的穩(wěn)定；另外溫度過高也會使碳纖維表面過度氧化而降低碳纖維的力學性能?？諝庋趸に嚨牟僮鲝椥苑浅Ｐ。朔ㄔO備簡單，成本低，且無公害，因此是目前較為常用的一種方法。2.2.2臭氧氧化法臭氧的半衰期短，對溫度十分敏感，因而很不穩(wěn)定，極易自行分解成氧分子和新生態(tài)活潑氧原子。臭氧是強氧化荊．氧化能力僅次于氟。利用其氧熱分解生成的活性極強的新生態(tài)氧原子氧化碳纖維，能使其表面不飽和碳原子生成含氧官能團，表面含氧量增加數(shù)倍，提高纖維表面活性。臭氧氧化表面處理工藝先進，具有設備簡單，操作方便，處理速度快，效果好等特點。2.2.3酸和鹽溶液處理液相氧化比氣相氧化溫和，一般

6、對碳纖維不會產(chǎn)生過度蝕刻。常用氧化劑有硝酸、硫酸、酸性過錳酸鹽、酸性重鉻酸鹽、次氯酸鹽、過氧化氫、過硫酸鹽等。液相氧化的時間較長，因此適用于間歇表面處理和研究表面處理的機理。液相氧化劑中常用的是濃硝酸，硝酸對高強度和高模量碳纖維的表面處理效果不一致，對后者的處理效果要好于前者。液相氧化處理可消除纖維表面裂紋或使裂紋尖端鈍化，提高其拉伸強度，但若處理時間過長，則深度氧化將使碳纖維表面產(chǎn)生刻蝕斑，導致拉伸強度逐漸下降。同時，碳纖維經(jīng)液相氧化表面處理后，比表面積增大，表面含氧官能團的濃度增加，且氧化劑的刻蝕作用也使纖維表面微觀裂紋邊緣、棱角處的不飽和活性碳原子數(shù)目增加，進一步提高了纖維表面活

7、性。2.2.4電化學氧化法電化學氧化法也叫陽極電解氧化法，該法以碳纖維作陽極，以浸在電解質(zhì)中的碳電極充當陰極，電解液中含氧陰離子在電場作用下向陽極碳纖維表面遷移，放電生成新生態(tài)氧繼而氧化纖維表面活性碳原子生成羥基、羧基、羰基等含氧官能團。同時碳纖維也會受到一定程度的刻蝕。電解氧化處理效果與電解質(zhì)的pH值、濃度、陽極電位、電流量和氧化時間等有很大關系。陽極電解氧化法具有氧化反應速度快、處理時間短、易與碳纖維生產(chǎn)線相匹配、氧化緩和、反應均勻、且易于