碳纤维表面改性是提高碳纤维与树脂基体相容性,制备出性能优异碳纤维复合材料最有效的方法之一。通过上浆法、化学接枝法、化学沉积法、等离子体法、电泳法以及纳米增强体改性等方法对碳纤维进行改性。也说明了表面光滑惰性的碳纤维与树脂基体结合性差,须通过碳纤维表面改性来改变碳纤维表面的物理化学状态,进而提高活性官能团种类和数量,比表面积和粗糙度来设计改进碳纤维界面结构提高复合材料性能。
本次将介绍氧化法在碳纤维表面改性中的应用状况:
电化学氧化法:是氧化法中常用的一种方法,它具有简单、可控、处理效率高和对纤维本身损伤小的特点。因此,在工业上得到了广泛的应用。经电化学氧化处理后的碳纤维其表面粗糙度增加,有利于纤维与基体之间的机械锚接。同时碳纤维表面含氧官能团(如羧基和羟基)增多,也会促进纤维与基体之间的化学键接,有利于 CFRP 复合材料界面性能的提高。
需要指出的是电化学氧化法须根据不同的情况选择相应的电解质,电解质不仅起到增加电解质溶液导电性的作用, 而且会对碳纤维和基体树脂基体之间的界面性能产生不同的影响。常用的电解质有硫酸、氢 氧化钠、碳酸氢铵等,而酸性电解质溶液具有更高的氧化效果。
但是电化学氧化法在一定程度上会对碳纤维造成破坏,使用时须把握好电压大小和电流强度。也可以与其他改性方法搭配,以期达到更好的效果,或减小电化学改性对碳纤维本身的伤害。
气相氧化法在碳纤维表面改性中也比较常见,空气、氧气、臭氧等氧化性气体用来氧化碳纤维,从而使纤维表面产生活性基团。该处理方法的有效性主要依赖于碳纤维的氧化程度、氧化性媒介的浓度以及处理时间和处理环境。如,臭氧氧化碳纤维表面时间越长,其表面的含氧官能团越丰富,但当表面含氧官能团达到饱和后,继续进行臭氧氧化则效果甚微。
液相氧化法优势在于其对设备要求低,流程短,操作简单,投资少,通常和其他氧化法配合使用。通过刻蚀氧化的方式提高碳纤维表面活性官能团增加与基体的界面结合性,氧化产生的缺陷提高了碳纤维的表面粗糙度,能明显的提升碳纤维复合材料的界面性能,制备性能优异的碳纤维复合材料。
酸氧化法概念上可归于液相氧化法,碳纤维的氧化程度受氧化媒介的浓度、处理时间和处理温度等条件影响。在酸氧化场景中,碳纤维表面极性基团的含量与氧化时间呈正相关,而纤维的拉伸强度与氧化时 间呈负相关。氧化处理后的碳纤维表面有凹槽和碎片出现,纤维表面积也大幅度提高。