碳纤维表面处理与改性

碳纤维表面处理与改性碳纤维很少单独使用，主要用作复合材料的增强体，其力学性能优势通过复合材料发挥出来。但复合材料的性能不仅取决于碳纤维本身，更取决于碳纤维与基体之间的界面。良好的界面结合才能将载荷有效传递给碳纤维，从而充分发挥碳纤维的高强度、高模量特性。反之，如果碳纤维与基体之间的界面性能较差，应力无法在界面有效传递，则碳纤维的力学性能优势难以发挥出来，将导致复合材料的性能下降。碳纤维经过高温炭化处理后，大部分非碳元素被脱除，纤维表面呈现较高的惰性，导致在制造复合材料时基体对碳纤维的浸润性变差。通过对碳纤维进行表面改性，可以改善其表面活性以及与基体的浸润性，增强纤维与基体之间的相互作用，从而有利于复合材料力学性能的提高。因此，表面处理工艺是碳纤维制备过程中的重要环节之一。碳纤维的表面改性处理方法有很多，如气相氧化法（包括空气氧化、臭氧氧化）、等离子体处理、液相氧化法（包括酸液氧化、阳极氧化）、表面涂层法、表面接枝法等。每种处理方法都有自己的优缺点，如气相氧化法流程短，碳纤维经过气相氧化处理后可直接上浆，不需要配套水洗和干燥设备，但是其氧化程度不易控制。而阳极氧化法具有氧化程度易于控制、氧化过程缓和、氧化效果显著等特点，但该方法需要配套水洗和干燥设备，流程较长。阳极氧化法的最大优点是处理时间短，能够满足连续生产的要求，因而成为目前国内外碳纤维生产线在线配套的主要方法。此外，近几年表面涂层法和表面接枝法也发展迅速，特别是基于纳米材料和高分子材料的碳纤维表面改性方法研究较多，在实验室取得了良好的效果，有望成为新一代在线配套的表面处理方法。1、阳极氧化法阳极氧化法通常是在电解质溶液中以碳纤维为阳极、石墨板为阴极对碳纤维表面进行电化学处理。电解质溶液种类较多，主要可以分为酸性、碱性及中性三种。酸性电解质主要为无机含氧酸,如硫酸、硝酸、磷酸、硼酸等;碱性电解质有氢氧化钠、氢氧化钡、氢氧化钙、氢氧化镁磷酸钾、磷酸钠等;中性电解质主要有硝酸钾、硝酸钠以及碳酸氢铵、碳酸铵、磷酸铵等铵盐类电解质。在酸性介质中电解氧化碳纤维时，虽然氧化效果比较显著，但会使得碳纤维力学性能下降严重，且酸性介质易腐蚀设备;使用碱性电解质氧化处理碳纤维后,碳纤维之间和碳纤维表面残留的金属离子不易洗净，而残留碱性金属离子会导致碳纤维的抗氧化性能下降。因此，目前国内外大多使用铵盐溶液作为电解质，如碳酸氢铵、碳酸铵等,其优点在于:一是对设备无损伤,二是铵盐类电解质在后续干燥过程中易于分解，不会残留在碳纤维表面。在碳纤维阳极氧化处理过程中,可通过调整电流密度和处理时间来控制碳纤维的表面氧化程度。由于处理时间往往受到设备尺寸和丝束运行速度的限制，不易调节。因此，电流密度成为最重要的工艺参数。我们在不同的电流密度下对碳纤维表面进行阳极氧化处理，采用SEM、原子力显微镜(AFM)、X射线光电子能谱仪(XPS)等手段表征处理后碳纤维表面的物理化学结构，并分析表面结构的变化对其增强树脂基复合材料性能的影响，进而获得合适的电流密度参数。随着电流密度和处理时间的增加，碳纤维表面的碳结构逐渐发生氧化反应，石墨化程度降低，碳元素含量降低，氧氮元素含量增加，表面活性官能团增加。2、纳米碳材料改性纳米碳材料因其多样的结构以及优越的物理、化学和力学特性，成为国内外众多科学家关注和研究的热点,其中以一维结构的碳纳米管(carbonnanotube,CNT)和二维结构的石墨烯(graphene)为典型代表。由于纳米碳材料与碳纤维具有良好的相容性，在碳纤维增强复