碳纤纤维的表面改性处理方法分析

  作为增强材料的无机纤维( 如碳纤维、玻璃纤维、硼纤维等)与聚合物基体之间的亲和性都较差,复合时容易在界面上形成空隙和缺陷,增强与基体材料之间难于形成有效的粘结。为解决这一问题,可以通过对纤维的表面改性来改善纤维与基体的润湿性,甚至在纤维与基体之间形成化学键粘合,从而提高纤维与树脂之间的界面粘结强度,获得抗剪切强度的复合材料。处理的方法主要有:化学偶联剂处理、纤维表面涂层、等离子体处理、气相氧化、化学接枝、电聚合、电沉积等中。

  (1)化学偶联剂处理法。

  许多关于复合材料的界面理论:化学健理论、界面浸润理论、变形层理论、拘束层理论、可逆水解理论和扩散层理论,其中,化学键理论是最古老也是最重要的理论。这一理论认为偶联剂一端以化学键与纤维表面结合,另一端溶解扩散于树脂基体中与其大分子链发生纠缠或形成化学键,因此偶联剂充当“分子桥”的作用,这样在复合材料的界面区域就产生最强最稳定的界面结合。

(2) 纤维表面涂层法。

  将某种聚合物涂覆在纤维表面,目的是为了改变复合材料界面层的结构与性能,并提供一层可塑层,以消除界面内应力。通常涂覆涂层均在纤维表面处理后进行。一方面,聚合物涂层使纤维毛丝多、集束性差、不耐折等缺点得以避免,从而提高了纤维强度的发挥程度不同。另一方面,聚合物的涂层溶液对处理后的纤维表面起到保护作用,或引入功能基团改善了界面粘结性。

(3) 等离子体处理方法。

  用等离子体对碳纤维表面进行辐射,可以使碳纤维表面发生化学反应,从而引入活性基团,改善碳纤维的表面性能。等离子体处理包括高温和低温处理两种。高温处理时温度为4000~8000℃,设备功率为8MHz下10kW,在含有5%~15%氢气的混合气体中产生等离子体。低温处理是在惰性气体中,0~15090、1x10^5~3x10^5Pa下产生等离子体。等离子体处理能明显改善碳纤维表面与树脂基体的结合力,且不影响其它强度性能。

  近年来对纤维增强聚合物基复合材料界面性能的研究已经越来越受到学者的重视,通过控制界面层结构来调整界面性能以适应不同环境的需要,是纤维增强聚合物基复合材料的研究目的之一,由于界面相的复杂性,关于纤维增强复合材料界面理论和界面优化的研究,还存在许多有待于进一步研究和解决的问题,但在指导复合材料的工艺和性能改善上已经起到十分明显的作用。