碳纖維表面處理技術(shù)的進(jìn)展

《碳纖維表面處理技術(shù)的進(jìn)展》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。

1、碳纖維表面處理技術(shù)的進(jìn)展7碳纖維表面處理技術(shù)的進(jìn)展材碩114班（030110586）張濤摘要：碳纖維是有機(jī)纖維經(jīng)固相反應(yīng)而成的纖維狀聚合物碳[1]。目前國產(chǎn)高性能碳纖維，其抗張強(qiáng)度、抗張模量及斷裂伸長基本上與國外T300碳纖維相當(dāng)，但制成碳纖維復(fù)合材料后，但性能卻低于相應(yīng)進(jìn)口碳纖維制成的復(fù)合材料，特別是層間剪切強(qiáng)度很低，嚴(yán)重影響了其在高技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣。所以碳纖維的表面處理技術(shù)對于復(fù)合材料的性能至關(guān)重要。碳纖維的改性處理，大致可分為表面氧化法、表面涂層處理、超聲處理技術(shù)和γ射線輻射處理等。關(guān)鍵詞：碳纖維，表

2、面處理，研究進(jìn)展1.前言碳纖維是六十年代初期，由于高分子化學(xué)和炭素科學(xué)的飛速發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型特種纖維。碳纖維既可作為結(jié)構(gòu)材料承載負(fù)荷，又可作為功能材料發(fā)揮作用，因此近年來發(fā)展十分迅速，在航空航天、汽車、化工、能源、交通、建筑等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[2]。眾所周知，纖維的表面活性在很大程度上取決于其表面的表面能，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，這些對復(fù)合材料的粘結(jié)性能有很大影響。故采用合理的表面處理技術(shù)對復(fù)合材料的綜合性能顯得至

3、關(guān)重要，從而改善碳纖維與基體樹脂之間的粘結(jié)強(qiáng)度，充分發(fā)揮碳纖維的優(yōu)異力學(xué)性能。近年來對碳纖維表面進(jìn)行改性處理，改善碳纖維與基體樹脂之間的粘結(jié)強(qiáng)度，以充分發(fā)揮碳纖維的優(yōu)異力學(xué)性能，一直是人們關(guān)注的問題。目前常用的表面處理方法，都是在碳纖維表面發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，增加其表面形貌的復(fù)雜性和極性基團(tuán)的含量，從而提高碳纖維與基體樹脂的界面性能，實(shí)現(xiàn)提高復(fù)合材料整體力學(xué)性能的最終目的。2.常用的碳纖維表面處理技術(shù)2.1氧化法2.1.1氣相氧化法氣相氧化使用的氧化劑有空氣、氧氣、臭氧等含氧氣體[3]。具有代表性的實(shí)例有：

4、在空氣中氧化處理.如把碳纖維在450℃下空氣中氧化10min，所制備的復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度都有提高[4]。其原因是：氧化處理后，碳纖維表面積增大，官能基團(tuán)增多，可以提高復(fù)合材料界面的粘接強(qiáng)度和材料的力學(xué)性能。但是，高溫氧化或急速氧化會(huì)使碳纖維表面顯著地起凹坑而降低碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能[5]。概括說來，碳纖維表面處理技術(shù)的進(jìn)展7氣相氧化是用氧化性氣體來氧化纖維表面而引入極性基團(tuán)(如—OH等)，并給予適宜的粗糙度來提高復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度。氣相氧化雖易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，但它對纖維拉伸強(qiáng)度的損傷比液相氧化大。

5、另外隨纖維種類的不同(高模量碳纖維、高強(qiáng)度碳纖維)、處理溫度的不同，氣相氧化處理效果也不盡相同。2.1.2液相氧化法液相氧化法主要是將碳纖維浸入到某種氧化性溶液中，通過氧化劑來氧化刻蝕碳纖維表面。液相氧化中使用的氧化劑種類很多，如高錳酸鉀、過硫酸銨、次氯酸鈉和硫酸混合溶液、硝酸等。液相氧化法對于碳纖維∕復(fù)合材料性能的提高，尤其是層間剪切強(qiáng)度的提高具有重要的意義。究其原因，主要是液相氧化法可使碳纖維表面產(chǎn)生羧基、羥基和酸性基團(tuán)，這些基團(tuán)的量隨氧化時(shí)間的延長和溫度的升高而增多，氧化后的碳纖維表面所含的各種含氧極性基

6、團(tuán)和溝壑明顯增多，利于提高纖維與基體材料之間的結(jié)合力。另外，和前面提到的氣相氧化法相結(jié)合，稱作氣液雙效法，這種雙管齊下的處理方法在提高復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度的同時(shí)還能提高碳纖維本身的抗拉強(qiáng)度。西北工業(yè)大學(xué)李鐵虎等[6]采用液相氧化法對PAN聚丙烯腈基碳纖維進(jìn)行了表面處理，發(fā)現(xiàn)碳纖維表面氧化處理的時(shí)間以24h為最佳，處理液的濃度越大，處理效果越顯著。中南大學(xué)李慶余等[7]研究了不同工藝的液相碳纖維表面氧化處理，結(jié)果表明，采用10%HNO3，80℃、恒溫，超聲波、處理時(shí)間5min的工藝對碳纖維進(jìn)行表面處理最合理，處理

7、后碳纖維表面含氧基團(tuán)的含量最高。液相氧化法相比氣相氧化法較為溫和，一般不使纖維產(chǎn)生過多的起坑和裂解。但是其處理時(shí)間較長，與碳纖維生產(chǎn)線匹配難，多用于間歇表面處理[8]。2.1.3電化學(xué)氧化法電化學(xué)氧化法即陽極電解氧化法。是把碳纖維作為電解池的陽極、石墨作為陰極，在電解水的過程中利用陽極生成的“氧”，氧化碳纖維表面的碳及其含氧官能團(tuán)，將其先氧化成羥基，之后逐步氧化成酮基、羧基和CO2的過程[9]。但在電化學(xué)氧化的過程中，碳纖維也會(huì)受到一定程度的刻蝕，并且不同的電解質(zhì)氧化和刻蝕的程度也不一樣。另外，電解質(zhì)的PH不同

8、，對于碳纖維表面的氧化作用也會(huì)有不同。對于這一點(diǎn)，曾經(jīng)有實(shí)驗(yàn)證明[10]，對碳纖維用不同PH的電解質(zhì)作氧化處理以后，用X光電子能譜(XPS)分析后發(fā)現(xiàn)在較高pH值的電解質(zhì)中，碳纖維被氧化的程度較低，而在酸性電解質(zhì)中氧化程度較高，這是由于在堿性電解質(zhì)中只能將碳纖維表面已經(jīng)存在的經(jīng)基和醛基進(jìn)一步氧化，但不能氧化石墨晶格。上述幾種方法概括起來就是碳纖維的氧化法處理技術(shù)，在非氧化法領(lǐng)域，碳纖維