導語

碳纖維 (CF) 具有質輕、高強度、高模量、耐腐蝕、耐疲勞、耐高溫、導熱、散熱性好和熱膨脹系數小等特點, 經常用作復合材料的增強體。一般CF增強樹脂基復合材料 (CFRP)的抗拉強度都在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增強樹脂基復合材料廣泛應用在體育器械、紡織、化工機械及醫學等領域。

在飛機和汽車上, 越來越多地使用CF替代金屬, 目的是減輕質量、改善燃效性能[2]。隨著火箭、宇航及航空等尖端科學技術的需要, 對CF增強樹脂基復合材料的技術性能要求日益嚴苛, 但是, CF表面化學性呈惰性, 缺少具有活性的官能團, 所以使用未經任何處理的CF制備復合材料, 纖維無法與基體緊密地結合, 基體的負載也就不能有效地傳遞到纖維上,CF的優異性能得不到充分的發揮, 極大地限制了復合材料整體力學性能的提高。因此, 必須對CF進行表面處理, 用處理過的CF增強樹脂基復合材料, 可以提高其性能, 滿足某些科學領域對其性能的綜合要求。對CF表面進行處理, 提升纖維與基體的結合度, 充分發揮纖維的增強體作用, 對提升復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

1 電化學氧化法

電化學氧化是利用碳纖維的導電性能, 以碳纖維為陽極, 石墨、銅板或鎳板等為陰極, 在直流電場的作用下, 以不同的酸堿鹽的溶液作為電解液, 對碳纖維進行表面處理的方法。表面電化學氧化處理的作用為逐層氧化刻蝕與官能團變化的復合作用過程。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;隨著處理時間的增加, 碳纖維/樹脂復合材料層間剪切強度呈現先下降后上升的變化趨勢, 但是相對于未處理的碳纖維/樹脂復合材料層間剪切強度均有提高。

2 偶聯劑涂層處理

偶聯劑是一類具有兩種不同性質官能團的物質, 其分子結構的特點是:一部分是親無機物的基團, 可與無機填充劑或增強材料作用; 另一部分是親有機物的基團, 可與合成樹脂作用。先用濃硫酸/濃硝酸混合酸對碳纖維進行表面氧化處理得到氧化碳纖維 (OCF) , 再利用偶聯劑KH-570與OCF進一步反應得到KH-570接枝改性碳纖維 (KCF) , 隨后將其應用于乙烯-醋酸乙烯共聚物 (EVA) 復合泡沫材料中, KCF表面無序度增加, 使得其表面粗糙度提高, 比表面積增大, 改善碳纖維與EVA基體之間的浸潤性和粘結性, 從而使復合泡沫材料的力學性能得到提高。

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) 等氣體為介質對CF進行氧化處理, 處理后CF比表面積和表面粗糙度增加, 表面含氧官能團的種類和數量也有所增加, 從而提高CF增強復合材料的綜合力學性能。)復合材料相對于未添加CF的復合材料,拉伸模量、拉伸強度、彎曲強度、彎曲模量、沖擊強度都有所提高。

4 液相氧化法

液相氧化法是以濃硝酸、濃硫酸、過氧化氫等氧化劑與CF長時間接觸, 在纖維表面形成羧基、羥基等基團, 增強與樹脂的結合力。處理后的CF增強的環氧樹脂復合材料的拉伸強度和彎曲強度都得到提高。

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生等離子體, 對材料的表面進行處理。在空氣條件下采用低溫等離子體技術對CF進行表面改性, 處理后的CF表面引入了新官能團, 表面粗糙度增加, 提高了CF和樹脂基體的界面粘結。

2 CF表面處理技術的優缺點

在電化學氧化表面處理中, 由于細晶化和氧化刻蝕的作用, CF表面和樹脂基體間的薄弱環節減少, 使CF增強的樹脂基復合材料層間剪切強度提高, 并且這種方法操作起來相對簡單,進行表面處理時處理環境比較容易控制, 可連續化在線操作;但是, 這種方法會使CF的拉伸強度受到影響或折損。在用偶聯劑涂層處理CF時, 一般使用最多的就是硅烷偶聯劑, 硅烷偶聯劑可以讓兩種性能差異很大的材料界面偶聯起來, 以提高復合材料的性能, 從而獲得性能優異的新型復合材料;但是, 在選擇硅烷偶聯劑時, 一般要求選擇的硅烷偶聯劑必須帶有能與基體樹脂起反應的基團, 所以不同的樹脂基體必須選擇相應的硅烷偶聯劑, 從而增加了處理過程中的復雜性和限制性。。氣相氧化法一般使用空氣或O3對CF進行氧化處理, 沒有污染排放, 處理綠色化, 而且設備簡單, 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,從而提高其拉伸強度;但是, 由于液相氧化處理過程中經常要使用到濃硝酸, 而濃硝酸具有腐蝕性從而使該處理方法帶有一定的危險性;另外,用這種方法處理CF需要特別注意濃硝酸處理的時間, 太低會使復合材料達不到預期性能要求, 太高會使CF表面產生刻蝕斑, 導致拉伸強度下降。等離子體處理CF最常用的是低溫等離子體技術, 該技術是一種干式工藝, 具有節能、無公害、處理時間短、效率高以及能滿足環境保護要求等優點, 但是無法滿足大型CF生產過程中CF表面處理環節連續化生產的實際要求, 并且該技術對設備的要求較高。

結語

近年來, 由于碳納米材料可顯著增加CF的表面粗糙度、彌補其表面缺陷并且對纖維無損傷, 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也因為對CF本體傷害較小而成為當前研究熱點。隨著科技的發展, 改性方法的不斷進步和改性工藝的日趨成熟,碳納米材料對CF進行表面處理已成為CF處理的熱點, CF增強復合材料在性能方面呈整體快速上升趨勢。

目前, 隨著環境問題的日益突出以及我國航天事業的發展, 使用高強度、高模量、質輕的CF增強聚合物復合材料已越來越多, 各種CF表面處理技術將獲得更高的關注,今后CF表面處理技術的低成本化、綠色化和連續生產化將是重點研究方向。

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