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碳纤维表面的氧化处理:气相和液相

   日期:2020-08-08     来源:《纤维复合材料》    浏览:817    
核心提示:(1)气相氧化法气相氧化是用氧化性气体来氧化纤维表面,从而引入极性基团,并给予适宜的粗糙度来提高复合材料的抗剪强度。将碳纤
 (1)气相氧化法
气相氧化是用氧化性气体来氧化纤维表面,从而引入极性基团,并给予适宜的粗糙度来提高复合材料的抗剪强度。将碳纤维暴露在气相氧化剂(如空气、臭氧、氧气、二氧化硫和3氧化碳等)中,在加温、加催化剂等特殊条件下使其表面氧化生成一些活性基团(如羟基和羧基)。处理温度一般在400~ 600°C,反应时间根据碳纤维种类和所需氧化程度而定。碳纤维处理后所形成的活性基团与所使用的气氛有关,如采用臭氧对碳纤维进行氧化处理能够增加碳纤维表面的羟基和醚基官能团的数量,而氨气氧化法处理碳纤维可以在碳纤维表面生成大量的氨基基团,其与水和环氧树脂的环氧基团形成氢键键合作用,能明显改善纤维在环氧树脂中的浸润性。这些活性基团有效地提高了碳纤维与基体树脂界面处的结合力。采用空气氧化时,氧化温度对处理效果有显著影响。对惰性气体的研究表明氩气环境中,高温处理会对纤维表面造成刻蚀,致使纤维表面沟槽加深,从而有利于提高碳纤维和基体树脂界面处的机械结合力。气相氧化法设备简单, 反应时间短, 易和碳纤维I业生产线衔接,实现连续处理。其中,臭氧氧化法的工艺参数易于控制,处理效果显著,已得到实际应用。碳纤维在气相氧化的过程中,随时间的延长和温度的升高,强度会有损失,但只要内部结构未发生明显变化,其表面刻蚀程度及比表面积会随之增加,有利于复合材料的界面结合。同时,化学状态的变化也会提高复合材料的综合力学性能。经气相氧化法处理的碳纤维所制成的复合材料,其弯曲强度、弯曲模量、界面抗剪强度和层间抗剪强度等力学性能均可得到有效提高,但材料的冲击强度降低较大。但是,由于氧化反应激烈,反应条件难以控制,若温度不能得到精确控制就有可能导致强度损失过大,影响碳纤维复合材料的力学性能。

(2)液相氧化法
液相氧化法是将碳纤维浸泡在液相介质中,利用液相物质的强氧化性能,在室温或加热的条件下对惰性的碳纤维表面氧化刻蚀,形成氧活性官能团(如羟基和羧基)。常用的液相介质有浓硝酸、混合酸等强氧化剂等。硝酸、次氯酸钠、过氧化氢、过硫酸铵、酸性高锰酸钾、酸性重铬酸钾和过硫酸钾等都可以用于碳纤维的表面处理,其中硝酸是液相氧化中研究较多的一种氧化剂,用硝酸氧化碳纤维,可使其表面产生羧基、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。研究表明,当使用一定浓度的硝酸对碳纤维进行表面处理时,碳纤维表面所含的各种含氧基团将随着氧化时间的延长和氧化温度的升高而明显增多;当采用强酸的混酸溶液对碳纤维进行表面处理时,除了表面含氧官能团增多外,碳纤维表面粗糙程度也明显增加,从而使得碳纤维在树脂中的浸润性得到改善,并在提高纤维与树脂基体的键合反应的同时,也表现出较强的锚固效应;而采用10%氯酸钠和25%硫酸混合溶液等强氧化剂与高浓度含氧酸组合的水溶液对碳纤维加热处理,对复合材料的性能提升最为明显。液相氧化法对改善碳纤维树脂复合材料的层间抗剪强度效果明显。采用液相氧化法氧化后的碳纤维表面所含的各种含氧极性基团和沟壑增多,有利于提高纤维与树脂之间的界面结合力。该法与气相氧化法相比,氧化情况较为温和,不易使纤维产生过度的刻蚀和裂解,而且在一定条件下含氧基团数量比气相氧化法多,所以处理效果比气相氧化法好。但由于采用的氧化剂均为强酸或强碱及其盐类,对设备的腐蚀严重,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。
 
 
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