導(dǎo)語(yǔ)

碳纖維 (CF) 具有質(zhì)輕、高強(qiáng)度、高模量、耐腐蝕、耐疲勞、耐高溫、導(dǎo)熱、散熱性好和熱膨脹系數(shù)小等特點(diǎn), 經(jīng)常用作復(fù)合材料的增強(qiáng)體。一般CF增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料 (CFRP)的抗拉強(qiáng)度都在3 500 MPa以上, 是鋼的7～9倍, 抗拉彈性模量為23～43 GPa, 亦高于鋼。因此, CF增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料廣泛應(yīng)用在體育器械、紡織、化工機(jī)械及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。

在飛機(jī)和汽車(chē)上, 越來(lái)越多地使用CF替代金屬, 目的是減輕質(zhì)量、改善燃效性能[2]。隨著火箭、宇航及航空等尖端科學(xué)技術(shù)的需要, 對(duì)CF增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的技術(shù)性能要求日益嚴(yán)苛, 但是, CF表面化學(xué)性呈惰性, 缺少具有活性的官能團(tuán), 所以使用未經(jīng)任何處理的CF制備復(fù)合材料, 纖維無(wú)法與基體緊密地結(jié)合, 基體的負(fù)載也就不能有效地傳遞到纖維上,CF的優(yōu)異性能得不到充分的發(fā)揮, 極大地限制了復(fù)合材料整體力學(xué)性能的提高。因此, 必須對(duì)CF進(jìn)行表面處理, 用處理過(guò)的CF增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料, 可以提高其性能, 滿(mǎn)足某些科學(xué)領(lǐng)域?qū)ζ湫阅艿木C合要求。對(duì)CF表面進(jìn)行處理, 提升纖維與基體的結(jié)合度, 充分發(fā)揮纖維的增強(qiáng)體作用, 對(duì)提升復(fù)合材料性能具有重大的意義。下面介紹幾種常用的碳纖維表面處理方法。

1 CF的表面處理技術(shù)

1 電化學(xué)氧化法

電化學(xué)氧化是利用碳纖維的導(dǎo)電性能, 以碳纖維為陽(yáng)極, 石墨、銅板或鎳板等為陰極, 在直流電場(chǎng)的作用下, 以不同的酸堿鹽的溶液作為電解液, 對(duì)碳纖維進(jìn)行表面處理的方法。表面電化學(xué)氧化處理的作用為逐層氧化刻蝕與官能團(tuán)變化的復(fù)合作用過(guò)程。處理后的碳纖維表面含碳 (C) 量降低含氧 (O) 量提高, 碳纖維表面羥基和羰基明顯增加;隨著處理時(shí)間的增加, 碳纖維/樹(shù)脂復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度呈現(xiàn)先下降后上升的變化趨勢(shì), 但是相對(duì)于未處理的碳纖維/樹(shù)脂復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度均有提高。

2 偶聯(lián)劑涂層處理

偶聯(lián)劑是一類(lèi)具有兩種不同性質(zhì)官能團(tuán)的物質(zhì), 其分子結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是:一部分是親無(wú)機(jī)物的基團(tuán), 可與無(wú)機(jī)填充劑或增強(qiáng)材料作用; 另一部分是親有機(jī)物的基團(tuán), 可與合成樹(shù)脂作用。先用濃硫酸/濃硝酸混合酸對(duì)碳纖維進(jìn)行表面氧化處理得到氧化碳纖維 (OCF) , 再利用偶聯(lián)劑KH-570與OCF進(jìn)一步反應(yīng)得到KH-570接枝改性碳纖維 (KCF) , 隨后將其應(yīng)用于乙烯-醋酸乙烯共聚物 (EVA) 復(fù)合泡沫材料中, KCF表面無(wú)序度增加, 使得其表面粗糙度提高, 比表面積增大, 改善碳纖維與EVA基體之間的浸潤(rùn)性和粘結(jié)性, 從而使復(fù)合泡沫材料的力學(xué)性能得到提高。

3 氣相氧化法

氣相氧化法是采用熱空氣、氧氣 (O2) 、二氧化碳 (CO2) 、臭氧 (O3) 等氣體為介質(zhì)對(duì)CF進(jìn)行氧化處理, 處理后CF比表面積和表面粗糙度增加, 表面含氧官能團(tuán)的種類(lèi)和數(shù)量也有所增加, 從而提高CF增強(qiáng)復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能。)復(fù)合材料相對(duì)于未添加CF的復(fù)合材料,拉伸模量、拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量、沖擊強(qiáng)度都有所提高。

4 液相氧化法

液相氧化法是以濃硝酸、濃硫酸、過(guò)氧化氫等氧化劑與CF長(zhǎng)時(shí)間接觸, 在纖維表面形成羧基、羥基等基團(tuán), 增強(qiáng)與樹(shù)脂的結(jié)合力。處理后的CF增強(qiáng)的環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度都得到提高。

5 等離子體處理

等離子處理是指用放電、高頻電磁振蕩、沖擊波及高能輻射等方法使惰性氣體或含氧氣體產(chǎn)生等離子體, 對(duì)材料的表面進(jìn)行處理。在空氣條件下采用低溫等離子體技術(shù)對(duì)CF進(jìn)行表面改性, 處理后的CF表面引入了新官能團(tuán), 表面粗糙度增加, 提高了CF和樹(shù)脂基體的界面粘結(jié)。

2 CF表面處理技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

在電化學(xué)氧化表面處理中, 由于細(xì)晶化和氧化刻蝕的作用, CF表面和樹(shù)脂基體間的薄弱環(huán)節(jié)減少, 使CF增強(qiáng)的樹(shù)脂基復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度提高, 并且這種方法操作起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單,進(jìn)行表面處理時(shí)處理環(huán)境比較容易控制, 可連續(xù)化在線操作;但是, 這種方法會(huì)使CF的拉伸強(qiáng)度受到影響或折損。在用偶聯(lián)劑涂層處理CF時(shí), 一般使用最多的就是硅烷偶聯(lián)劑, 硅烷偶聯(lián)劑可以讓兩種性能差異很大的材料界面偶聯(lián)起來(lái), 以提高復(fù)合材料的性能, 從而獲得性能優(yōu)異的新型復(fù)合材料;但是, 在選擇硅烷偶聯(lián)劑時(shí), 一般要求選擇的硅烷偶聯(lián)劑必須帶有能與基體樹(shù)脂起反應(yīng)的基團(tuán), 所以不同的樹(shù)脂基體必須選擇相應(yīng)的硅烷偶聯(lián)劑, 從而增加了處理過(guò)程中的復(fù)雜性和限制性。。氣相氧化法一般使用空氣或O3對(duì)CF進(jìn)行氧化處理, 沒(méi)有污染排放, 處理綠色化, 而且設(shè)備簡(jiǎn)單, 成本較低, 是目前比較常用的一種方法。液相氧化處理可消除CF表面裂紋或使裂紋尖端鈍化,從而提高其拉伸強(qiáng)度;但是, 由于液相氧化處理過(guò)程中經(jīng)常要使用到濃硝酸, 而濃硝酸具有腐蝕性從而使該處理方法帶有一定的危險(xiǎn)性;另外,用這種方法處理CF需要特別注意濃硝酸處理的時(shí)間, 太低會(huì)使復(fù)合材料達(dá)不到預(yù)期性能要求, 太高會(huì)使CF表面產(chǎn)生刻蝕斑, 導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度下降。等離子體處理CF最常用的是低溫等離子體技術(shù), 該技術(shù)是一種干式工藝, 具有節(jié)能、無(wú)公害、處理時(shí)間短、效率高以及能滿(mǎn)足環(huán)境保護(hù)要求等優(yōu)點(diǎn), 但是無(wú)法滿(mǎn)足大型CF生產(chǎn)過(guò)程中CF表面處理環(huán)節(jié)連續(xù)化生產(chǎn)的實(shí)際要求, 并且該技術(shù)對(duì)設(shè)備的要求較高。

結(jié)語(yǔ)

近年來(lái), 由于碳納米材料可顯著增加CF的表面粗糙度、彌補(bǔ)其表面缺陷并且對(duì)纖維無(wú)損傷, 因此, 采用碳納米管和石墨烯等 還有能量束處理法、稀土處理法等新型處理技術(shù)也因?yàn)閷?duì)CF本體傷害較小而成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)。隨著科技的發(fā)展, 改性方法的不斷進(jìn)步和改性工藝的日趨成熟,碳納米材料對(duì)CF進(jìn)行表面處理已成為CF處理的熱點(diǎn), CF增強(qiáng)復(fù)合材料在性能方面呈整體快速上升趨勢(shì)。

目前, 隨著環(huán)境問(wèn)題的日益突出以及我國(guó)航天事業(yè)的發(fā)展, 使用高強(qiáng)度、高模量、質(zhì)輕的CF增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料已越來(lái)越多, 各種CF表面處理技術(shù)將獲得更高的關(guān)注,今后CF表面處理技術(shù)的低成本化、綠色化和連續(xù)生產(chǎn)化將是重點(diǎn)研究方向。

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