表面处理方式对碳纤维表面元素含量的影响

  碳纤维环氧树脂复合材料具有较高的比强度、比模量耐疲劳强度以及耐烧蚀性能,广泛应用于军用和民用领域。碳纤维的类石墨结构使其表面呈化学惰性,不易被树脂浸润和发生化学反应。这种化学惰性导致其与基体树脂的粘结性能差气,不利于制备性能优异的碳纤维增强树脂基复合材料。对碳纤维表面进行改性可增加表面的极性官能团和粗糙度,使碳纤维与树脂的润湿性和反应性改善,从而提高复合材料的界面结合强度。碳纤维表面改性的常用方法有氧化法、等离子体法、表面涂层法、化学接枝法等。

  用不同方式处理的碳纤维表面元素含量数据如表1所示。

  可以看出:脱除上浆剂的碳纤维表面的C元素含量较高而O元素含量较低。而分别经60去离子水超声、60℃浓硝酸浸泡以及60℃浓硝酸超声处理后的碳纤维表面C元素含量依次逐渐降低而O元素含量逐渐增加,从而使碳纤维表面的0/C的比例逐渐升高。其原因是,脱除上浆剂后的碳纤维表面含氧官能团数量较少。在60℃水超声2 h后,在超声波“空化效应"作用下水溶液中产生.OH等自由基,使碳纤维表面发生了一定程度的氧化。

  在60℃浓硝酸浸泡2h后,碳纤维表面受到的浓硝酸氧化作用使纤维表面的羟基、羰基、羧基和内酯基等含氧官能团含量增加,从而使碳纤维表面的0元素含量增加到11.29%。在60℃浓硝酸超声2 h后,超声波的协助强化了浓硝酸对纤维表面的氧化作用,使碳纤维表面的O元素含量进一步升高达到12.96%,比脱除上浆剂后的碳纤维表面0元素含量增大了2倍。以上结果表明:浓硝酸的氧化对碳纤维表面O元素含量的增大作用突出,而超声波的“空化效应"进一步促进了碳纤维表面的氧化刻蚀,二者的协同作用使得碳纤维表面的O/C比例得到较大程度地提高、表面活性基团增加更多。