碳纖維表面的氧化處理：氣相和液相
日期：2020-08-08
來源：《纖維復(fù)合材料》
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(1)氣相氧化法氣相氧化是用氧化性氣體來氧化纖維表面，從而引入極性基團，并給予適宜的粗糙度來提高復(fù)合材料的抗剪強度。將碳纖維暴露在氣相氧化劑(如空氣、臭氧、氧氣、二氧化硫和3氧化碳等)中，在加溫、加催化劑等特殊條件下使其表面氧化生成一些活性基團(如羥基和羧基)。處理溫度一般在400~ 600°C，反應(yīng)時間根據(jù)碳纖維種類和所需氧化程度而定。碳纖維處理后所形成的活性基團與所使用的氣氛有關(guān)，如采用臭氧對碳纖維進行氧化處理能夠增加碳纖維表面的羥基和醚基官能團的數(shù)量，而氨氣氧化法處理碳纖維可以在碳纖維表面生成大量的氨基基團，其與水和環(huán)氧樹脂的環(huán)氧基團形成氫鍵鍵合作用,能明顯改善纖維在環(huán)氧樹脂中的浸潤性。這些活性基團有效地提高了碳纖維與基體樹脂界面處的結(jié)合力。采用空氣氧化時，氧化溫度對處理效果有顯著影響。對惰性氣體的研究表明氬氣環(huán)境中，高溫處理會對纖維表面造成刻蝕，致使纖維表面溝槽加深,從而有利于提高碳纖維和基體樹脂界面處的機械結(jié)合力。氣相氧化法設(shè)備簡單, 反應(yīng)時間短, 易和碳纖維I業(yè)生產(chǎn)線銜接，實現(xiàn)連續(xù)處理。其中,臭氧氧化法的工藝參數(shù)易于控制,處理效果顯著，已得到實際應(yīng)用。碳纖維在氣相氧化的過程中，隨時間的延長和溫度的升高，強度會有損失，但只要內(nèi)部結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯變化，其表面刻蝕程度及比表面積會隨之增加，有利于復(fù)合材料的界面結(jié)合。同時，化學(xué)狀態(tài)的變化也會提高復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能。經(jīng)氣相氧化法處理的碳纖維所制成的復(fù)合材料,其彎曲強度、彎曲模量、界面抗剪強度和層間抗剪強度等力學(xué)性能均可得到有效提高，但材料的沖擊強度降低較大。但是，由于氧化反應(yīng)激烈,反應(yīng)條件難以控制，若溫度不能得到精確控制就有可能導(dǎo)致強度損失過大，影響碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能。液相氧化法是將碳纖維浸泡在液相介質(zhì)中，利用液相物質(zhì)的強氧化性能,在室溫或加熱的條件下對惰性的碳纖維表面氧化刻蝕,形成氧活性官能團(如羥基和羧基)。常用的液相介質(zhì)有濃硝酸、混合酸等強氧化劑等。硝酸、次氯酸鈉、過氧化氫、過硫酸銨、酸性高錳酸鉀、酸性重鉻酸鉀和過硫酸鉀等都可以用于碳纖維的表面處理，其中硝酸是液相氧化中研究較多的一種氧化劑，用硝酸氧化碳纖維，可使其表面產(chǎn)生羧基、羥基和酸性基團，這些基團的量隨氧化時間的延長和溫度的升高而增多。研究表明，當(dāng)使用一定濃度的硝酸對碳纖維進行表面處理時，碳纖維表面所含的各種含氧基團將隨著氧化時間的延長和氧化溫度的升高而明顯增多;當(dāng)采用強酸的混酸溶液對碳纖維進行表面處理時,除了表面含氧官能團增多外，碳纖維表面粗糙程度也明顯增加，從而使得碳纖維在樹脂中的浸潤性得到改善，并在提高纖維與樹脂基體的鍵合反應(yīng)的同時，也表現(xiàn)出較強的錨固效應(yīng);而采用10%氯酸鈉和25%硫酸混合溶液等強氧化劑與高濃度含氧酸組合的水溶液對碳纖維加熱處理,對復(fù)合材料的性能提升為明顯。液相氧化法對改善碳纖維樹脂復(fù)合材料的層間抗剪強度效果明顯。采用液相氧化法氧化后的碳纖維表面所含的各種含氧極性基團和溝壑增多，有利于提高纖維與樹脂之間的界面結(jié)合力。該法與氣相氧化法相比，氧化情況較為溫和，不易使纖維產(chǎn)生過度的刻蝕和裂解，而且在一定條件下含氧基團數(shù)量比氣相氧化法多,所以處理效果比氣相氧化法好。但由于采用的氧化劑均為強酸或強堿及其鹽類，對設(shè)備的腐蝕嚴(yán)重，處理時間較長，與碳纖維生產(chǎn)線匹配難，多用于間歇表面處理。
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