一文了解碳纖維表面改性技術

發布時間 | 2018-11-14 18:15 分類 | 粉體加工技術點擊量 | 7530

石墨石墨烯

導讀：碳纖維以其優異的比強度、比模量、耐腐蝕、吸能等性能，在航空航天、國防軍工、軌道交通、汽車等領域得到廣泛應用，碳纖維增強復合材料的力學性能與碳表面形貌結構及化學組成直接相關。通過對碳...

碳纖維以其優異的比強度、比模量、耐腐蝕、吸能等性能，在航空航天、國防軍工、軌道交通、汽車等領域得到廣泛應用，碳纖維增強復合材料的力學性能與碳表面形貌結構及化學組成直接相關。通過對碳纖維表面進行改性，改變碳纖維表面活性及形貌，改善其浸潤性，提高界面結合作用，能夠充分發揮碳纖維高強度、高模量等優異性能。

圖1 聚丙烯腈基碳纖維

碳纖維表面改性主要分為“表面化學改性”、“表面形貌改變”和“表面進行重建。” 表面化學改性是指：向表面引入官能基團或分子鏈，可提高表面活性和表面自由能。改變表面形貌是指：適度增加表面粗糙度，增加比表面積，可提高與樹脂浸潤的接觸面積，同時可在碳纖維/樹脂間形成機械鎖鏈作用。表面進行重建是指：將微納米顆粒吸附或生長在碳纖維表面，對表面進行重建，得到全新的碳纖維表面三維結構，可提高碳纖維/樹脂界面粘合性，同時避免對碳纖維本體的損傷。下文將對不同的改性方法做解析。

一、碳纖維表面化學改性

1、表面引入官能基團

碳纖維含碳量超過95%，表面呈現化學惰性，不利于與基體材料的化學鍵連接。對碳纖維表面進行含氧、氮等基團改性，可提高碳纖維表面活性、提升碳纖維復合材料層間剪切強度等力學性能。

研究者采用連續氣相熱化學法處理碳纖維，實現碳纖維表面羥基和羧基含量發生變化，氧含量達14%-24%。碳纖維表面初始氧基團含量與碳纖維微觀晶粒大小相關，而結晶與原絲等級和表面微觀結構有關，通過熱化學處理法可更好地調控碳纖維表面氧含量，從而使碳纖維表面化學組成具有可設計性。

2、碳纖維表面接枝分子鏈

在碳纖維表面基團改性基礎上，通過接枝等化學反應可將設定結構分子鏈引入碳纖維表面，改善碳纖維與樹脂基體間的界面粘結性,從而提高復合材料的性能。

中科院寧波材料所采用石墨烯納米粒子接枝到碳纖維表面，可以有效提高碳纖維復合材料的界面性能。為了實現石墨烯改性碳纖維的規模化路線，采用石墨烯改性上漿劑對碳纖維表面進行改性，以提高碳纖維復合材料的界面性能。

二、碳纖維表面形貌改變

改變碳纖維表面粗糙度及微觀結構，使表面形成凹凸、孔洞等結構，與樹脂基體產生機械鎖鏈，從而改善界面粘合作用，提高碳纖維復合材料力學性能。

研究者采用連續氣相熱化學法處理碳纖維，處理后纖維表面出現10nm以下的凹凸結構，這些結構可與基體材料形成機械鎖鏈，進一步提高碳纖維復合材料力學性能。

福州大學研究者采用濃H2SO4/濃HNO3混合酸對碳纖維進行表面氧化處理得到氧化碳纖維，再利用γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷（KH-570）與氧化碳纖維進一步反應得到KH-570接枝改性碳纖維，碳纖維在氧化反應后表面溝槽加深加寬，粗糙度顯著提升，接枝KH-570后碳纖維表面粗糙度進一步提升; 氧化反應、接枝KH-570能夠有效改善碳纖維與乙烯-醋酸乙烯共聚物基體之間的相容性，其中接枝KH-570對碳纖維與乙烯-醋酸乙烯共聚物基體之間相容性的改善更為顯著。

圖2 改性后碳纖維SEM（來自福州大學）

三、碳纖維表面微納米顆粒3D結構重建與改性

采用化學生長或鍵合吸附等方式在碳纖維表面構建有機、無機、有機G無機復合微納米顆粒、線等結構，在不改變碳纖維本體性質的同時，可有效提高碳纖維的活性和比表面積，提高纖維與樹脂的相容性，即實現碳纖維無損表面改性。

（1）碳纖維表面構建有機顆粒

碳纖維表面構建有機顆粒工藝過程是首先采用無皂乳液聚合制備表面帶正電荷的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）微球，然后將碳纖維浸漬在PMMA微球懸浮液中，采用電泳方法，將直徑為160nm的PMMA微球吸附在碳纖維表面，吸附時間僅為30s，調節電壓，可在短時間內改變微球吸附量。在碳纖維表面構建不同的3D結構，可實現碳纖維表面的可控改性，以此調控纖維與基體樹脂間的界面剪切強度。

（2）碳纖維表面構建無機顆粒

研究者采用兩步法（首先將碳纖維浸入鋅化物溶液中采用浸漬涂覆法形成種子層，并加熱提高附著力；接著再浸入鋅化物溶液中采用水熱法進行ZnO 生長）在碳纖維表面生長 ZnO 納米線，調節納米線生長條件，可改變碳纖維比表面積。提高納米線覆蓋率，碳纖維表面由親水變為疏水，阻礙樹脂滲透、潤濕纖維，液態樹脂在碳纖維增強體中流動速度提高。

中科院寧波材料所將氧化石墨烯引入環氧基上漿乳液中，采用浸漬法對碳纖維進行表面改性，可以有效調控碳纖維復合材料的界面微觀結構，進而顯著改善碳纖維復合材料的界面性能。