2 碳纖維表面改性

碳纖維與聚合物基體之間的界面粘附力在控制復(fù)合材料的整體性能方面起著至關(guān)重要的作用。眾所周知，強(qiáng)大的界面附著力增加了復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)完整性，并有效地將應(yīng)力從纖維傳遞到基體。然而，碳纖維表面的光滑和惰性特性通常會(huì)導(dǎo)致纖維與基體之間的潤濕性較差和粘附力，這阻礙了碳纖維及其復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)。為了解決這一問題，對(duì)碳纖維的表面處理進(jìn)行了***的研究，如等離子處理、濕化學(xué)氧化、電化學(xué)氧化和聚合、氣相氧化,使用納米材料或化學(xué)接枝進(jìn)行表面修飾等，有助于提高纖維與基體之間的潤濕性、化學(xué)鍵合性和機(jī)械互鎖性，形成過渡層，促進(jìn)應(yīng)力均勻傳遞，緩解應(yīng)力集中，從而具有優(yōu)異的性能，滿足某些科學(xué)領(lǐng)域的綜合要求。

2.1等離子體處理

等離子處理具有操作簡(jiǎn)單、效率高、無污染等優(yōu)點(diǎn)，是一種表面改性方法，利用足夠高能量的等離子體沖擊CF表面，導(dǎo)致表面化學(xué)鍵斷裂和重組，以達(dá)到CF與樹脂之間良好的附著力。Zhang等發(fā)現(xiàn)等離子體處理時(shí)間和聚合條件對(duì)接枝率有明顯影響，尤其是90s等離子體處理時(shí)間和6g/L接枝濃度。傅里葉變換紅外光譜顯示，馬來酸酐消失，MAH接枝在碳纖維上，吸光度為1800cm-1.等離子體處理明顯提高了碳纖維的表面能，隨著接枝處理的增加，碳單鍵酸濃度降低，而活化基團(tuán)濃度增加。碳纖維/環(huán)氧樹脂的IFSS隨著處理方法的改變而增加，尤其是等離子接枝處理。同時(shí)，表明界面粘附力的增加主要是由于表面活化基團(tuán)的增加。此外，與等離子體處理相比，等離子接枝處理的碳纖維性能有合理的改善。Yuan等通過對(duì)碳纖維表面微波進(jìn)行輻照改性，這是一種簡(jiǎn)單、快速和有效的方法。在處理過程中，通過激發(fā)碳纖維產(chǎn)生高反應(yīng)性的微等離子體，從而在碳纖維表面引入大量的含氧基團(tuán)。檢測(cè)出的氮元素來自碳纖維塊體的氮雜環(huán)，富含碳纖維表皮層。微等離子體的氧化和單層GO的剝落極大地改變了處理后的碳纖維的表面形貌，導(dǎo)致表面粗糙度增加。處理后的碳纖維表面化學(xué)和物理性質(zhì)的變化有利于增強(qiáng)碳纖維與環(huán)氧樹脂基體之間的界面鍵。

2.2氧化處理

主要的氧化處理是通過氣相、液相和電化學(xué)技術(shù)對(duì)CF表面進(jìn)行剝離、粗糙化和活化，可顯著提高CF表面的活性官能團(tuán)和粗糙度。然而，與施膠表面改性相比，纖維的內(nèi)在強(qiáng)度往往會(huì)因不溫和的氧化條件而受損。Jiang等通過電化學(xué)氧化結(jié)合電泳沉積技術(shù)對(duì)碳纖維(CF)進(jìn)行表面改性。氧化石墨烯(GO)沉積在電化學(xué)氧化的CF表面，提高了碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料的力學(xué)性能。電泳沉積技術(shù)對(duì)CF進(jìn)行電化學(xué)氧化處理后，表面粗糙度和潤濕性均有所提高，被證明是一種可行的方法。結(jié)果表明，GO涂層分布均勻，GO通過共價(jià)附著牢固地涂覆在CF表面。此外，力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別提高了59.4%和12.8%。所提出的連續(xù)制造工藝不涉及較長(zhǎng)的加工時(shí)間或復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，為制備多尺度GO/CF增強(qiáng)材料提供了一種潛在的行業(yè)兼容方法。

2.3施膠涂層改性

施膠/涂層改性是通過施膠或浸漬形成CF和樹脂之間具有良好相容性的涂層。這種纖維表面涂層可以賦予CF表面對(duì)不同基體的特定性能，具有設(shè)計(jì)靈活性高、成本低、實(shí)施性好等優(yōu)點(diǎn)。

He等開發(fā)了一種簡(jiǎn)單的涂層工藝，即將碳纖維浸入酚醛樹脂(NR)中，在其表面涂上NR層。通過測(cè)量ILSS測(cè)試了NR尺寸對(duì)碳纖維界面性能的影響，并采用短梁剪切試驗(yàn)進(jìn)行了測(cè)量。在比較好條件下，粘接強(qiáng)度顯著提高。Liu通過真空成型工藝獲得CFRP,并將MWCNT引入CF表面，構(gòu)成CF-MWCNT多尺度增強(qiáng)材料。酸化后的MWCNT與含極性含氧官能團(tuán)附著在CF表面，可以增強(qiáng)CF與樹脂基體的相容性，從而改善界面化學(xué)鍵合。此外，MWCNT附著在CF表面并構(gòu)建了活性納米級(jí)粗糙表面，增強(qiáng)了界面機(jī)械結(jié)合。通過施膠處理，改性復(fù)合材料的強(qiáng)度均高于未改性復(fù)合材料。

2.4化學(xué)接枝

化學(xué)接枝改性主要是在CF表面產(chǎn)生所需的活性官能團(tuán)，繼續(xù)與小分子或大分子反應(yīng)，從而將更多的活性官能團(tuán)接枝到CF表面，以提高界面強(qiáng)度。該方法可選擇性地將各種小分子、聚合物和納米材料接枝在CF表面。Tang等為了提高碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的界面附著力，將支鏈聚乙烯亞胺(PEI)嫁接到經(jīng)過混合酸處理的CF上，并優(yōu)化了工藝時(shí)間。結(jié)果表明，低分子量PEI修飾的CFs優(yōu)于高分子量PEI修飾的CFs。PEI修飾CFs的IFSS在低功能化程度下比較高可達(dá)107.2±14.3MPa,而未修飾CFs的IFSS為78.1±11.6MPa。PEI鏈上活性胺基團(tuán)的支化結(jié)構(gòu)和高密度是提高界面強(qiáng)度的原因。

（未完待續(xù)）

來源：紡織科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，四川大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院，四川環(huán)龍技術(shù)織物有限公司，邁愛德編輯整理