碳纤维的表面处理

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1、碳纤维的表面处理复材1201班宋洁瑶0121201060133碳纤维是近代发展起来的一种增强材料，具有高比强度和高比模量以及较高的抗蠕变性能，且耐疲劳、耐腐蚀，已成为最重要的增强材料之一，广泛应用于制备纤维增强树脂基材料。但是，碳纤维的表面惰性大，缺乏有化学活性的官能团，与基体的浸润性差，往往导致其与基体的界面结合强度低，影响复合材料性能的提高。因此，对碳纤维进行适当的表面预处理，对于形成与基体间的有效界面结合、实现基体和纤维间载荷的传递、充分发挥碳纤维的增强效应和提高复合材料的力学性能及耐高温性能具有重要的意义。1、碳纤维的表面物理化学特点纤维的表面活性存很大程度上取决于其表面的表面

2、能，活性官能团的种类和数量，酸碱交互作用和表面微晶结构等因素。从表面形态上看，碳纤维的表面有很多孔隙、凹槽、杂质及结晶，这些对复合材料的粘结性能有很大影响。从化学组成来看,碳纤维整体主要是碳、氧、氮、氢等元素，未经表面处理的碳纤维表面羟基、羰基等极性基团的含量较少，不利于其与基体树脂的粘结。碳纤维的类石墨结构决定了其表面呈化学惰性，不易被犟体树脂所浸润以及发生化学反应，与基体树脂的粘结性能较差，表现为CFRP的偏轴强度较低。因此，要改善CFRP的界而性能，必须改善碳纤维的表面性能。2、表面处理的方法和效果碳纤维表面处理的方法很多，各种方法的目的是清除碳纤维表面杂质，在碳纤维表面刻蚀沟槽

3、或形成微孔以增大表面积，从类似石墨层面改性成碳结构以增强碳纤维表面能，或者引入具有极性或者反应性的官能团以形成与树脂起作用的中间层。2.1碳纤维表面涂层法表面涂层法包括偶联剂处理和聚台物涂层两种，前者是先清洗再涂层，而后者是先氧化，再涂层。2.1.1偶联剂处理法偶联剂分子具有双官能团，一部分官能团能与纤维表面反应形成化学键．另一部分官能团与基体反应形成化学键。这样偶联剂就在基体和增强纤维之间起到中间“桥”的作用，将二者牢固地连在一起。用硅氧烷偶联荆处理低模量碳纤维，同样可提高碳纤维增强材料的界面强度。但碳纤维表面的官能团含量少，用偶联剂处理的效果往往不理想。2.1.2聚合物涂层法聚合物

4、涂层法是在经其它表面处理后的碳纤维表面再附着一薄层聚合物，这种方法也称为上浆处理。涂覆层既可保护碳纤维表面，又可提高纤维对基体的浸润性。常用的涂覆层聚合物有聚乙烯醇、聚醋酸乙烯、聚缩水甘油醚及酯环族环氧化合物等，这些聚合物都含有两种基团，能同时与碳纤维表面及基体结合。聚合物涂层法工艺简便，便于连续生产，且对纤维表面的损伤小，并可根据性能要求进行界面设计。2.2碳纤维表面氧化法2.2.1潮湿空气氧化法碳纤维在360℃的空气中开始缓慢氧化，随着温度的提高，氧化反应逐步增强，实验表明，最佳表面处理温度在400℃左右。尽管400℃左右时的处理效果比较好，但若温度的波动较大，碳纤维的拉伸强度会急

5、剧下降，因此处理时应尽量保持温度的稳定；另外温度过高也会使碳纤维表面过度氧化而降低碳纤维的力学性能。空气氧化工艺的操作弹性非常小，但此法设备简单，成本低，且无公害，因此是目前较为常用的一种方法。2.2.2臭氧氧化法臭氧的半衰期短，对温度十分敏感，因而很不稳定，极易自行分解成氧分子和新生态活泼氧原子。臭氧是强氧化荆．氧化能力仅次于氟。利用其氧热分解生成的活性极强的新生态氧原子氧化碳纤维，能使其表面不饱和碳原子生成含氧官能团，表面含氧量增加数倍，提高纤维表面活性。臭氧氧化表面处理工艺先进，具有设备简单，操作方便，处理速度快，效果好等特点。2.2.3酸和盐溶液处理液相氧化比气相氧化温和，一般

6、对碳纤维不会产生过度蚀刻。常用氧化剂有硝酸、硫酸、酸性过锰酸盐、酸性重铬酸盐、次氯酸盐、过氧化氢、过硫酸盐等。液相氧化的时间较长，因此适用于间歇表面处理和研究表面处理的机理。液相氧化剂中常用的是浓硝酸，硝酸对高强度和高模量碳纤维的表面处理效果不一致，对后者的处理效果要好于前者。液相氧化处理可消除纤维表面裂纹或使裂纹尖端钝化，提高其拉伸强度，但若处理时间过长，则深度氧化将使碳纤维表面产生刻蚀斑，导致拉伸强度逐渐下降。同时，碳纤维经液相氧化表面处理后，比表面积增大，表面含氧官能团的浓度增加，且氧化剂的刻蚀作用也使纤维表面微观裂纹边缘、棱角处的不饱和活性碳原子数目增加，进一步提高了纤维表面活

7、性。2.2.4电化学氧化法电化学氧化法也叫阳极电解氧化法，该法以碳纤维作阳极，以浸在电解质中的碳电极充当阴极，电解液中含氧阴离子在电场作用下向阳极碳纤维表面迁移，放电生成新生态氧继而氧化纤维表面活性碳原子生成羟基、羧基、羰基等含氧官能团。同时碳纤维也会受到一定程度的刻蚀。电解氧化处理效果与电解质的pH值、浓度、阳极电位、电流量和氧化时间等有很大关系。阳极电解氧化法具有氧化反应速度快、处理时间短、易与碳纤维生产线相匹配、氧化缓和、反应均匀、且易于