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尼龙用碳纤维表面改性方法汇总

作者: 时间:2020-01-07

信息摘要:气相氧化法是直接将碳纤维(CF)置于氧化性气体中进行表面氧化处理的一种方法 。气相氧化法操作简单 、经济实用 ,对纤维改性效 果较好 。此方法主要是通过对CF表面进行氧化,使CF表 面变得更加粗糙 ,提高CF与尼龙(PA)树脂基体间的机械嵌锁力 。 同时引入活性官能团增加CF表面能,增加与PA基体间化 学键合力 。另外 , 经氧化处理改 性的CF表面易 生成羧基(—COOH) 和羟基 (—OH) 官能团 ,其易与PA基体中的酰胺键发生化学反应 , 在CF与树 脂基体之间形成化学键 ,使CF 与PA 树脂基体间的相互作 用力增强。除了空气外 ,臭氧(O3) 也可以作为氧化剂对CF表面进行氧化 ,用O3对PA6/CF复合材料进行氧化可以引入— COOH ,纤维与基体界面粘结力增强 。

干法改性


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气相氧化法

气相氧化法是直接将碳纤维(CF)置于氧化性气体中进行表面氧化处理的一种方法 。气相氧化法操作简单 、经济实用 ,对纤维改性效 果较好 。此方法主要是通过对CF表面进行氧化 ,使CF表 面变得更加粗糙 ,提高CF与 尼龙 (PA)树脂基体间的机械嵌锁力 。 同时引入活性官能团增加CF表面能,增加与PA基体间化 学键合力。另外 , 经氧化处理改 性的CF表面易 生成羧基(—COOH) 和羟基 (—OH) 官能团 ,其易与PA基体中的酰胺键发生化学反应 , 在CF与树 脂基体之间形成化学键 ,使CF 与PA 树脂基体间的相互作 用力增强 。除了空气外 ,臭氧(O3) 也可以作为氧化剂对CF表面进行氧化 ,用O3对PA6/CF复合材料进行氧化可以引入— COOH ,纤维与基体界面粘结力增强 。

02

等离子体氧化法

等离子体氧化法是一种重要的CF改性方法 。CF经等离子体处理后在其表面生成了含氧官能团如—OH 、醚基和 羰基等活性官能团。目前最常用的是利用低温等离子体对 CF表面进行改性 。如 利用空气等离子体对CF 表面进行改性,可使 CF表面生成 大量含氧极性官能团 , 高了CF与PA基体润湿性和相互作用力 ,同时此改 性方法不会对CF自身强度产生不利影响 。

03

辐照处理法

辐照处理作为聚合物改性的一种高新技术 ,具有环保 、节能 、高效和工艺简单等优点 。此技术可以有效增强CF与 PA基体的界面粘合力,又不会对CF本身强度造成损失 。辐 照光源有X射线、γ射线 、电子束 、微波和紫外光 。其中γ 射线最常用来对CF表面进行改性 ,经γ射线辐照的CF表 面较未改性CF变得更加粗糙,使得CF与PA基体之间的 机械嵌锁力增加 。


与其它表面处理方法相比,辐照处理具有明显的优势 。该方法高效节能 、操作简单,不会在CF 表面引进其它杂质, 最重要的是适当的辐照处理不会破坏纤维本身的内部结构 和力学特性 。但是,辐照处理还存在其它不足的地方,如设 备比较昂贵 ;对CF的改性的机理还不能完全掌握 ,改性结 果存在不确定性 。


湿法改性


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液相氧化法

液相氧化法是通过将CF置于强酸(如浓硝酸)溶液 ,使得纤维表面发生氧化生成—COOH和—OH等基团 ,提高了CF的表面 活性 。同时强酸会腐蚀CF表面 ,使其表面的粗糙度增加 , 甚至会在其表面形成蚀孔 ,增加CF与PA基体间的机械嵌锁力 。 CF在强酸氧化过程中表面粗糙度有所增加 ,同时会在 其表面形成坑槽和微裂缝等缺陷 ,但这会导致单根CF的强度降 低 。 除浓硝酸氧化外,也可以采用甲酸对CF表面进行氧 化处理 。

02

阳极电解氧化法

电化学改性是另一种重要的CF表面改性方法 。在阳极电解氧化法中 ,CF作为阳极 ,而阴极通常为石墨 。通过电 解使得CF表面发生氧化反应,生成含氧官能团 ,提高了CF 的表面能和粗糙度 。 但阳 极氧化法在提高CF与PA界面结合的同时 ,也会对单根CF的 强度造成损害 。

03

上浆处理

上浆处理可以在纤维表面引入大量活性官能团 ,提高CF的表面活性 ,产生的官能团会进一步与基体发生化学反 应 ,进而使纤维与树脂基体结合得更加紧密 。该方法不会使 纤维表面产生缺陷 ,同时不会影响其拉伸强度 。 上浆剂的选择很重要 ,其与CF的相容性直接决定了 CF与基体界面的粘结性 ,故CF上浆是一个十分复杂的过 程 。当上浆剂扩散到聚合物基体中会对复合材料的界面强 度产生影响 ,界面强度增强还是降低取决于它们之间的相容 性 。若上浆剂中的官能团对CF具有优先选择性 ,则不利于 纤维在基体中的均匀分散 ,导致纤维与基体之间形成薄弱界 面 。


纳米材料多尺度改性


CF表面附着“多尺度”纳米材料是一种有效的改性方法 ,可以提高纤维表面化学活性 ,增加纤维与树脂基体的 浸润性 ,改善CF与PA之间的界面粘结性 。纳米材料改性 纤维表面主要有两种方法 。一种方法是通过简单的浸涂方 法 ,将纤维浸入含有纳米材料的悬浮液中 ;另一种方法是通 过沉积技术 ,如化学气相沉积(CVD ) 和注入化学气相沉积 ( ICVD) 将这些纳米材料直接接枝到纤维表面 。这两种技术 都有其优点和局限性 ,例如后者可以提高纤维/基体界面粘 结强度 ,但却会使单纤维强度降低。而采用浸涂法在CF表 面引入纳米材料,可增加CF表面粗糙度 ,同时改变纤维表 面活性 ,进而增强CF与PA界面间的化学键合力 。


碳纳米管(CNTs)因其优异的力学性能和导电性常被用作添加剂来改善复合材料的力学性能和导电性 。 将CNTs接枝到CF表面可以有效地提高其表面积,增 强CF与PA基体界面的机械嵌锁力,有利于应力在基体和 纤维之间传递;在CNTs接枝到CF表面过程中会引入大量 活性官能团 ,改善了CF与PA基体的浸润性 ,纤维与基体间 大量化学键的生成 ,使得复合材料的界面粘结性改善 。CF 表面接枝CNTs ,最终的改性效果取决于CNTs 在CF表面均 匀分布程度和CNTs与CF之间结合的强弱 。 CNTs/CF作为增强相可以使CF增强PA复合材料达到多 尺度增强的效果 ,CNTs为复合材料提供纳米级增强,同时 CF为复合材料提供微尺度增强。两者协同作用于PA基体 , 极大地改善了复合材料界面粘结性 ,达到多尺度增强效果 。

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