碳纖維的表面處理

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1、碳纖維的表面處理復(fù)材1201班宋潔瑤0121201060133碳纖維是近代發(fā)展起來(lái)的一種增強(qiáng)材料，具有高比強(qiáng)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(qiáng)材料之一，廣泛應(yīng)用于制備纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基材料。但是，碳纖維的表面惰性大，缺乏有化學(xué)活性的官能團(tuán)，與基體的浸潤(rùn)性差，往往導(dǎo)致其與基體的界面結(jié)合強(qiáng)度低，影響復(fù)合材料性能的提高。因此，對(duì)碳纖維進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻骖A(yù)處理，對(duì)于形成與基體間的有效界面結(jié)合、實(shí)現(xiàn)基體和纖維間載荷的傳遞、充分發(fā)揮碳纖維的增強(qiáng)效應(yīng)和提高復(fù)合材料的力學(xué)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(xué)特點(diǎn)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(tuán)的種類和數(shù)量，酸堿交互作用和表面微晶結(jié)構(gòu)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(jié)晶，這些對(duì)復(fù)合材料的粘結(jié)性能有很大影響。從化學(xué)組成來(lái)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(tuán)的含量較少，不利于其與基體樹(shù)脂的粘結(jié)。碳纖維的類石墨結(jié)構(gòu)決定了其表面呈化學(xué)惰性，不易被犟體樹(shù)脂所浸潤(rùn)以及發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，與基體樹(shù)脂的粘結(jié)性能較差，表現(xiàn)為CFRP的偏軸強(qiáng)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(jié)構(gòu)以增強(qiáng)碳纖維表面能，或者引入具有極性或者反應(yīng)性的官能團(tuán)以形成與樹(shù)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(tái)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(tuán)，一部分官能團(tuán)能與纖維表面反應(yīng)形成化學(xué)鍵．另一部分官能團(tuán)與基體反應(yīng)形成化學(xué)鍵。這樣偶聯(lián)劑就在基體和增強(qiáng)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(qiáng)材料的界面強(qiáng)度。但碳纖維表面的官能團(tuán)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(hù)碳纖維表面，又可提高纖維對(duì)基體的浸潤(rùn)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(tuán)，能同時(shí)與碳纖維表面及基體結(jié)合。聚合物涂層法工藝簡(jiǎn)便，便于連續(xù)生產(chǎn)，且對(duì)纖維表面的損傷小，并可根據(jù)性能要求進(jìn)行界面設(shè)計(jì)。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(kāi)始緩慢氧化，隨著溫度的提高，氧化反應(yīng)逐步增強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)表明，最佳表面處理溫度在400℃左右。盡管400℃左右時(shí)的處理效果比較好，但若溫度的波動(dòng)較大，碳纖維的拉伸強(qiáng)度會(huì)急

5、劇下降，因此處理時(shí)應(yīng)盡量保持溫度的穩(wěn)定；另外溫度過(guò)高也會(huì)使碳纖維表面過(guò)度氧化而降低碳纖維的力學(xué)性能?？諝庋趸に嚨牟僮鲝椥苑浅Ｐ?，但此法設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低，且無(wú)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(duì)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(qiáng)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(qiáng)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(tuán)，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(jìn)，具有設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，處理速度快，效果好等特點(diǎn)。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(duì)碳纖維不會(huì)產(chǎn)生過(guò)度蝕刻。常用氧化劑有硝酸、硫酸、酸性過(guò)錳酸鹽、酸性重鉻酸鹽、次氯酸鹽、過(guò)氧化氫、過(guò)硫酸鹽等。液相氧化的時(shí)間較長(zhǎng)，因此適用于間歇表面處理和研究表面處理的機(jī)理。液相氧化劑中常用的是濃硝酸，硝酸對(duì)高強(qiáng)度和高模量碳纖維的表面處理效果不一致，對(duì)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(qiáng)度，但若處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則深度氧化將使碳纖維表面產(chǎn)生刻蝕斑，導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度逐漸下降。同時(shí)，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(tuán)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(jìn)一步提高了纖維表面活

7、性。2.2.4電化學(xué)氧化法電化學(xué)氧化法也叫陽(yáng)極電解氧化法，該法以碳纖維作陽(yáng)極，以浸在電解質(zhì)中的碳電極充當(dāng)陰極，電解液中含氧陰離子在電場(chǎng)作用下向陽(yáng)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(tuán)。同時(shí)碳纖維也會(huì)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(yáng)極電位、電流量和氧化時(shí)間等有很大關(guān)系。陽(yáng)極電解氧化法具有氧化反應(yīng)速度快、處理時(shí)間短、易與碳纖維生產(chǎn)線相匹配、氧化緩和、反應(yīng)均勻、且易于