碳纤维表面处理对碳纤维nr复合材料性能的影响

碳纤维表面处理对碳纤维nr复合材料性能的影响

纤维是由有机纤维或低分子醇气体原料加热至1000c左右，并在残化性气体保护下通过碳化合物固碳获得的碳质量比超过0.9。它具有高强度、高模量、减震吸能、耐疲劳、耐腐蚀、导电、导热及耐磨损等优异性能,应用范围在不断扩大。碳纤维复合材料在航空航天、汽车工业、新能源、医疗器材和体育娱乐器材等领域得到广泛应用。碳纤维补强橡胶复合材料因碳纤维的加入使材料的物理性能提高,而且具有良好的导电和耐磨性能。碳纤维补强橡胶多采用碳短纤维制造,在制造过程中碳短纤维与橡胶的紧密粘合是首先要解决的问题。碳纤维表层结构致密,经不同方法处理后,碳纤维表面不饱和碳原子易于氧化,成为新的活性点,而且能提高碳纤维的比表面积和表面粗糙度;同时碳纤维表面化学结构发生变化。碳纤维经表面处理后,不仅可除去碳纤维生产过程中产生的焦油等表面污染沉积物,而且因表面氧化而引入含氧基团,如羟基、羰基、羧基和酯基等。由于含氧量增大,碳纤维对水的润湿能力大幅度提高,反映出表面亲液性的改善,使得碳纤维与基体界面相容性提高,从而有很好的粘合效果。本工作研究碳纤维表面处理对碳纤维与NR粘合性及复合材料性能的影响。1实验1.1原材料NR,海南省农垦总公司产品;PAN基碳纤维,上海合成纤维研究所产品;其它为市售配合剂。1.2试验计划NR100,氧化锌5,硬脂酸2,硫黄2.5,促进剂DM1.5,促进剂TMTD0.5,碳纤维3.4。1.3原料和硬度计WQB-2500B型拉力机,江都试验机械厂产品;邵尔LX-A型橡胶硬度计,江都市真威试验机械有限责任公司产品;JSM-5900型扫描电子显微镜(SEM),日本电气公司产品。1.4等离子体氧化法常用的碳纤维表面处理方法有气相氧化法、液相氧化法、偶联剂法、阳极电解氧化法和等离子体刻蚀法等。本工作采用高温氧化、浓硝酸、钛酸酯偶联剂法及浸胶法对碳纤维进行表面处理。(1)浓亚硝酸盐处理将碳纤维剪成8～10mm的小段,在浓硝酸中分别浸泡0.5,1,3和6h。(2)氧化温度将碳短纤维在300℃的烘箱中分别加热20,40,60和80min。(3)偶联剂处理钛酸酯在混炼过程中分别加入1.3,2和3份钛酸酯偶联剂。(4)橡胶提取物处理用二甲苯将混炼胶溶解制成胶浆,再将经过浓硝酸处理0.5和1h的碳纤维进行表面上浆,在80℃下烘干待用。1.5混合工艺将经过不同方法处理得到的碳短纤维在开炼机上按常规加料程序加入到NR胶料中进行混炼。1.6性能试验硫化胶的各项物理性能均按相应国家标准进行测试。2结果与讨论2.1高聚物复合材料的微观形貌未经表面处理的碳纤维表面及复合材料断面形貌的SEM照片分别如图1和2所示。从图1可以看到,碳纤维表面光滑,能看到表面浅而窄的沿纤维轴向平行排列的沟槽,这是碳纤维生产过程中原丝自身遗留下来的。由图2可见,复合材料中祼露的碳纤维表面光滑,说明两相界面结合较差。经浓硝酸和高温氧化处理后的碳纤维表面SEM照片分别如图3和4所示,其复合材料断面形貌的SEM照片如图5和6所示。由图3和4可见,经表面处理后碳纤维表面轴向沟槽明显加宽、加深,尤其是高温氧化处理后的碳纤维表面凹凸更明显、更粗糙,使其比表面积增大。比表面积增大有利于碳纤维与橡胶基体间产生物理锲合,即锚定效应,从而提高复合材料的物理性能。由图5和6可见,碳纤维表面有粘附的橡胶,这是由于表面处理使碳纤维表面有一定程度的氧化刻蚀,因而与基体的界面粘合性提高。2.2材料的拉伸性能未处理碳纤维/NR复合材料的物理性能见表1。由表1可见,与未加碳纤维的NR胶料相比,加入未处理碳纤维后,材料的邵尔A型硬度、300%定伸应力和耐磨性明显提高,拉伸强度和拉断伸长率减小。这是由于未处理短纤维与橡胶的界面结合较差。(1)浓苯甲酸法处理浓硝酸表面处理碳纤维/NR复合材料物理性能测试结果见表2。由表2可见,碳纤维表面经过浓硝酸处理后,复合材料邵尔A型硬度、拉伸强度、300%定伸应力和拉断伸长率(处理1和3h)均有所提高。浓硝酸处理时间为3h的复合材料物理性能和耐磨性最佳,较未处理碳纤维/NR复合材料的拉伸强度提高46%,耐磨性提高5%。(2)碳纤维/nr复合材料拉伸性能高温氧化表面处理碳纤维/NR复合材料物理性能测试结果见表3。由表3可知,碳纤维经过300℃×20min高温处理后,复合材料拉伸强度和耐磨性均较未处理碳纤维/NR复合材料提高38%;随着高温氧化时间的延长,材料性能有所下降,因此高温氧化时间不宜太长。(3)未经处理碳纤维偶联剂处理加入钛酸酯偶联剂对复合材料物理性能的影响见表4。由表4可知,未经处理碳纤维中加2份偶联剂效果较好。碳纤维经过浓硝酸处理1h后再加1.3份偶联剂复合材料物理性能较等量未处理碳纤维复合材料有所提高,其中复合材料拉伸强度提高25%。(4)h再浸胶碳纤维/nr复合材料的物理性能碳纤维表面浸胶对复合材料物理性能的影响见表5。由表5可知,经浓硝酸处理1h再浸胶的碳纤维/NR复合材料物理性能与未浸胶碳纤维/NR复合材料相比,300%定伸应力、撕裂强度和拉断伸长率减小,但耐磨性提高34%。这是由于浸胶后碳短纤维易结成块状,混炼时不易分散均匀,但碳纤维浸胶后与橡胶的粘合性能提高。3拉伸强度和耐磨性碳纤维经表面处理后表面沟槽加宽、加深,粗糙度增大,改善了其与橡胶基体的粘合性。与未处理碳纤维/NR复合材料相比,浓硝酸表面处理3h的碳纤维/NR复合材料的拉伸强度提高46%,耐磨性提高