碳纤维表面处理技术的进展

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1、碳纤维表面处理技术的进展7碳纤维表面处理技术的进展材硕114班（030110586）张涛摘要：碳纤维是有机纤维经固相反应而成的纤维状聚合物碳[1]。目前国产高性能碳纤维，其抗张强度、抗张模量及断裂伸长基本上与国外T300碳纤维相当，但制成碳纤维复合材料后，但性能却低于相应进口碳纤维制成的复合材料，特别是层间剪切强度很低，严重影响了其在高技术领域的应用和推广。所以碳纤维的表面处理技术对于复合材料的性能至关重要。碳纤维的改性处理，大致可分为表面氧化法、表面涂层处理、超声处理技术和γ射线辐射处理等。关键词：碳纤维，表面处理，研究进展1.前言碳纤维是六十年代初期，由于高分子化学和炭素科学的飞速发展而

2、出现的一种新型特种纤维。碳纤维既可作为结构材料承载负荷，又可作为功能材料发挥作用，因此近年来发展十分迅速，在航空航天、汽车、化工、能源、交通、建筑等领域得到了广泛应用[2]。众所周知，纤维的表面活性在很大程度上取决于其表面的表面能，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。故采用合理的表面处理技术对复合材料的综合性能显得至关重要，从而改善碳纤维与基体树脂之间的粘结强度，充分发挥碳纤维的优异力学性能。近年来对碳纤维表面进行改性处理，改善碳纤维与基体树脂之间的粘结强度，以充分发挥碳纤维的

3、优异力学性能，一直是人们关注的问题。目前常用的表面处理方法，都是在碳纤维表面发生一系列物理化学反应，增加其表面形貌的复杂性和极性基团的含量，从而提高碳纤维与基体树脂的界面性能，实现提高复合材料整体力学性能的最终目的。2.常用的碳纤维表面处理技术2.1氧化法2.1.1气相氧化法气相氧化使用的氧化剂有空气、氧气、臭氧等含氧气体[3]。具有代表性的实例有：在空气中氧化处理.如把碳纤维在450℃下空气中氧化10min，所制备的复合材料的剪切强度和拉伸强度都有提高[4]。其原因是：氧化处理后，碳纤维表面积增大，官能基团增多，可以提高复合材料界面的粘接强度和材料的力学性能。但是，高温氧化或急速氧化会使碳

4、纤维表面显著地起凹坑而降低碳纤维复合材料的力学性能[5]。概括说来，碳纤维表面处理技术的进展7气相氧化是用氧化性气体来氧化纤维表面而引入极性基团(如—OH等)，并给予适宜的粗糙度来提高复合材料层间剪切强度。气相氧化虽易于实现工业化，但它对纤维拉伸强度的损伤比液相氧化大。另外随纤维种类的不同(高模量碳纤维、高强度碳纤维)、处理温度的不同，气相氧化处理效果也不尽相同。2.1.2液相氧化法液相氧化法主要是将碳纤维浸入到某种氧化性溶液中，通过氧化剂来氧化刻蚀碳纤维表面。液相氧化中使用的氧化剂种类很多，如高锰酸钾、过硫酸铵、次氯酸钠和硫酸混合溶液、硝酸等。液相氧化法对于碳纤维∕复合材料性能的提高，尤其

5、是层间剪切强度的提高具有重要的意义。究其原因，主要是液相氧化法可使碳纤维表面产生羧基、羟基和酸性基团，这些基团的量随氧化时间的延长和温度的升高而增多，氧化后的碳纤维表面所含的各种含氧极性基团和沟壑明显增多，利于提高纤维与基体材料之间的结合力。另外，和前面提到的气相氧化法相结合，称作气液双效法，这种双管齐下的处理方法在提高复合材料层间剪切强度的同时还能提高碳纤维本身的抗拉强度。西北工业大学李铁虎等[6]采用液相氧化法对PAN聚丙烯腈基碳纤维进行了表面处理，发现碳纤维表面氧化处理的时间以24h为最佳，处理液的浓度越大，处理效果越显著。中南大学李庆余等[7]研究了不同工艺的液相碳纤维表面氧化处理，

6、结果表明，采用10%HNO3，80℃、恒温，超声波、处理时间5min的工艺对碳纤维进行表面处理最合理，处理后碳纤维表面含氧基团的含量最高。液相氧化法相比气相氧化法较为温和，一般不使纤维产生过多的起坑和裂解。但是其处理时间较长，与碳纤维生产线匹配难，多用于间歇表面处理[8]。2.1.3电化学氧化法电化学氧化法即阳极电解氧化法。是把碳纤维作为电解池的阳极、石墨作为阴极，在电解水的过程中利用阳极生成的“氧”，氧化碳纤维表面的碳及其含氧官能团，将其先氧化成羟基，之后逐步氧化成酮基、羧基和CO2的过程[9]。但在电化学氧化的过程中，碳纤维也会受到一定程度的刻蚀，并且不同的电解质氧化和刻蚀的程度也不一样

7、。另外，电解质的PH不同，对于碳纤维表面的氧化作用也会有不同。对于这一点，曾经有实验证明[10]，对碳纤维用不同PH的电解质作氧化处理以后，用X光电子能谱(XPS)分析后发现在较高pH值的电解质中，碳纤维被氧化的程度较低，而在酸性电解质中氧化程度较高，这是由于在碱性电解质中只能将碳纤维表面已经存在的经基和醛基进一步氧化，但不能氧化石墨晶格。上述几种方法概括起来就是碳纤维的氧化法处理技术，在非氧化法领域，碳纤维