电化学处理对碳纤维表面改性的研究

电化学处理对碳纤维表面改性的研究

摘要：简要介绍了碳纤维表面电化学处理的作用和工艺，分析了电化学处理效

果的影响因素，及其对纤维力学性能和层间剪切强度的影响。

关键词：电化学处理；电解；层剪；刻蚀

引言

碳纤维表面经过电化学处理，可以提升其与树脂基体的结合牢固性，但同时会牺牲一定

的力学性能。

1 电化学处理的作用

纤维经过高温炭化工序后，表面缺少活性基团，导致其与树脂的结合效果差，表现为层

间剪切强度（以下简称“层剪”）低。当纤维-树脂复合材料受力时，由于纤维与树脂结合力弱，外力并不能很好地从树脂传递到纤维上，使得整体承载能力降低。经电化学处理后，纤维表

面发生氧化反应，生成羰基、羧基等不饱和含氧官能团，增强了纤维与树脂之间的化学键合力，使两者结合得更牢固。另外，电化学处理对纤维表面有刻蚀作用，增加了粗糙度，从物

理方面增强了纤维与树脂的结合性。

2 电化学处理的原理

电化学处理过程实际上是一个将电能转化为化学能的过程，利用碳纤维的导电性，将其

作为阳极，发生氧化反应，在纤维与阴极之间充满电解液，然后通入直流电构成完整回路。

在电压作用下，水或OH-在纤维表面放电（酸性和中性电解液主要是水，碱性电解液主要是OH-），产生活性氧对纤维表面进行氧化，最终生成所需的含氧官能团。

3 影响电化学处理的因素

影响电化学处理效果的因素有很多，如电解质的种类、浓度、温度，处理时间和电流密

度等。其中处理时间可通过走丝速度来调节，各纤维生产商工艺定型后走丝速度一般就已固定，不再做调整，因此处理时间在此不再讨论。

3.1 电解质种类

不同种类电解质对纤维表面的电化学处理效果有较大差异，即使浓度相同，电导率不同，则电流密度不同；另外，酸/碱度不同，则氧化效果不同，一般酸性电解质的氧化效果强于碱性电解质。

3.2 电解液温度

电解液温度会影响电化学反应的难易程度和反应速度，且温度越高，反应越容易发生，

反应速度越快。经研究发现，温度的升高会使水的析氧、析氢反应更早、更快地发生，单位

时间产生出更多的活性氧，使得纤维表面的氧化反应更为剧烈。

3.3 电解液浓度

电解液浓度会影响电化学反应的速度，且浓度越大，反应速度越快，但不会影响其发生

的难易程度。经研究发现，浓度越高，电解液的析氧、析氢反应越剧烈，单位时间产生的活

性氧越多，表现为氧化反应的速度快。

3.4 电解液电流密度

3.4.1 电流密度对纤维表面含氧官能团的影响

经研究发现，未经电化学处理的纤维表面O的存在形式主要是C-O；而经过电化学处理

的纤维表面碳环被打开，C-C先被氧化成C-O，再被氧化成C=O和-O-C=O，生成羰基、羧基

等含氧官能团，即C-O的数量先增加后减少，C=O的数量持续在增加。我们可用C-O和C=O

的比例来判断纤维表面的氧化程度，也可用来评估电解质的氧化能力。

需要注意的是，随着电流密度增加，酸性电解液单位时间在纤维表面生成的C=O和-O-

C=O等不饱和官能团多于碱性电解液，即酸性电解质的氧化效果强于碱性电解质。纤维厂商

往往根据自身产品特点选用合适的电解质，如石墨纤维因表面质地紧密，需采用NH4H2P04

等酸性电解质提供更强的氧化效果，而普通碳纤维则采用NH4HC03等弱碱性电解质即可。

3.4.2 电流密度对纤维表面刻蚀的影响

若采用碱性电解液，氧在较低的电流密度作用下即可析出，OH-在纤维表面产生大量的活

性氧。OH-因体积小可以进入纤维表面的石墨片层之间，并在该处发生析氧反应。随着氧的

聚集和逸出，纤维表面会产生鼓起和塌陷，石墨片层在此类反复运动中发生脱落，形成沟槽

和凹陷。可见，碱性电解液中的刻蚀主要是物理作用的结果。

若采用酸性电解液，水中析出的活性氧对纤维表面的不饱和碳原子和结构边缘处的孤立

碳原子进行氧化，将六边形碳环打开，使其结构不再稳定，继而让更多的碳原子被氧化。可见，酸性电解液中的刻蚀主要是化学作用的结果。

4 电化学处理工艺

电化学反应需要阳极、阴极和电解液，三者缺一不可，然后在直流电作用下使三者成为

一个完整的回路。其中，阳极辊与电源正极相连，由不锈钢、石墨等导电材质制成，丝束运

行时与之接触，因碳纤维具有导电性，成为阳极。阳极辊下方的电解槽盛放电解液，槽底安

装石墨板，石墨板与电源负极相连，成为阴极。纤维由四氟辊导入电解槽，浸没于电解液中，运行方向与石墨板平行。调节电压可改变电流密度，调节走丝速度可改变反应时间，电解液

浓度需定时监控并及时补加电解质。

5 电化学处理对碳纤维性能的影响

5.1 对力学性能的影响

纤维表面存在缺陷时，反应过程中更容易受到刻蚀作用，使原有缺陷被放大，或者产生

新的缺陷点。纤维受力时，缺陷处将产生应力集中，容易造成断裂，降低了断裂伸长率和拉

伸强度等力学性能。

5.2 对复合材料界面结合强度的影响

电化学处理能大幅提高纤维的层剪，可从化学和物理两方面来分析。电化学处理可以在

碳纤维表面引入大量的含氧官能团，提高表面极性，增加碳纤维与基体树脂之间的化学键合力；另外，纤维表面沟槽加深，与基体树脂能很好地嵌合成一体，树脂本身并不具备良好的

承载能力，但其受力时，能将负载大部分传递给纤维，分摊负载。因此，层剪的提升是含氧

官能团数量增多和粗糙度两者共同作用的结果。

综上所述，碳纤维-树脂复合材料的承载能力主要受纤维力学和层剪两者的影响，但两者

往往顾此失彼，需要寻求最佳结合点才能发挥复合材料的优势，寻求方法就是电化学处理。

好的处理效果是电解质种类、电解液温度、电解液浓度、走丝速度和电流密度共同作用的结果，而在实际生产中，改变电流密度只需调整电源电压，方便快捷，是首选的调节方式。

6 结语

（1）电解质种类对电化学处理效果影响很大，酸性电解液比碱性电解液氧化能力强。

（2）电解液温度越高，电化学反应越容易发生，反应速度越快。

（3）电解液浓度不会影响电化学反应的难易程度，但浓度越高，氧化反应速度越快。

（4）碱性电解液中，纤维表面刻蚀主要是物理作用，酸性电解液中，则主要是化学氧化作用。

（5）电化学处理后，纤维力学性能会下降，但层剪会增加，实际生产中需根据需要选择合适的电化学处理工艺。

参考文献

[1]贺福，碳纤维及石墨纤维[M]。北京：化学工业出版社，2010。

[2]藤骞昭，电化学测定方法[M]。北京：北京大学出版社，1995。