碳纤维的表面处理

碳纤维的表面处理

(Carbon fibre surface treatment)

作者（writer）：夏杨（Xia Yang）

摘要(Abstract)：碳纤维是制备高性能纤维增强复合材料的一种主要的增强纤维。通过对碳纤维进行适当的表面预处理，有利于形成其与基体间的有效界面，实现两者间载荷的传递，充分发挥碳纤维的增强效应，从而有效提高复台材料的力学性能及耐高温性能。本文阐述了碳纤维表面处理的作用和目的，较详细地介绍了几种常用的碳纤维表面处理工艺及其机理，为在橡胶基复合材料制备过程中确定碳纤维的高效表面处理方法奠定了基础，对新型高性价比碳纡维增强橡胶基复合材料的开发具有重要意义。

关键词(keywords)：碳纤维表面处理

正文(Text)：在过程工业中，设备、管道等的密封问题一直受到人们的关注。泄漏一旦发生。轻则浪费原材料和能源，重则造成严重的经挤损失和环境污染。甚至酿成重大人身伤害事故。密封装置的密封能力主要取决于密封材料和元件的性能。长期以来，石棉橡胶板作为一种常用密封材料广泛应用于各行各业。然而，由于石棉是一种公认的致癌物质，近年来，西方许多发达国家相继开始禁用石棉制品。因此寻求适用的非石棉纤维替代石棉纤维，研制高性价比的非石棉纤维增强密封复合材料，成为当前密封研究领域的一个热点ｏ“３。

碳纤维是近代发展起来的一种增强材料，具有高比强度和高比模量以及较高的抗蠕变性能“１５３且耐疲劳、耐腐蚀，已成为最重要的增强材料之一＋广泛应用于制备纤维增强树脂基材料“１。在密封技术领域，近年来。碳纤维也逐渐成为开发耐高温橡胶基密封材料的首选增强纤维”“…。但是，碳纤维的表面情性大，姥乏有化学活性的宵能团，与基体的浸润性茬，往往导致其与基体的界面结合强度低，影响复合材料性能的提高，限制了材料在严苛工况下的使用。因此对碳纤维进行适当的表面预处理，对于形成与橡胶基体间的有效界面结合、实现基体和纤维间载荷的传递、充分发挥碳纤维的增强效应和提高复台材料的力学性能及耐高温性能具有重要的意义。

１碳纤维表面处理的目的

纤维增强复合材料的性能，主要取决于增强纤维和基体材料以及两者之间的结合界面性能““。而界面结合性能受纤维与基体间的机械摩擦力和化学键结合力强弱的影响ｏ“。其中机械摩擦力与纤维的比表面积、表面形态等因素有关；化学键合作用力则与纤维和基体的化学活性以及二者的化学交互作用有关。碳纤维表面处理的目的就是为了增大纤维的比表面积，增强纤维表面的化学与物理活性。

碳纤维表面处理的作用主要体现在以下几个方面ｏ““〕。

①清洁碳纤维表面，并防止弱界面层的生成。其中弱界面层包括：生产时附

的杂质、脱模剂等；界面老化时形成的氧化层、水合物层等；与基体的

不充分浸润而所束缚的空气层等。

②去除最初弱连接的碳层，在纤维表面形成微孔和刻蚀沟槽，增大比表面积，

产生适合于粘接的表面形态。从而在纤维、基体问产生抛锚效应，增强

两者的物理聚台程度。

③在碳纤维表面引进或嫁接具有极性或反应性的基团，增强表面活性，增太

纤维和基体问的化学键合力。

２碳纤维表面氧化法

２．１气相氧化通过氧化性气体氧化碳纤维表面，增强表面活性。其中最具代

表性的是空气氧化和臭氧氧化法。

（１）空气氧化ｏ““３碳纤维在３６０℃的空气中开始缓慢氧化，随着温度的提高，氧化反应逐步增强，实验表明，最佳表面处理温度在４００”Ｃ左右。尽管４００”Ｃ左右时的处理效果比较好，但若温度的波动较大，碳纤维的拉伸强度会急剧下降，因此处理时应尽量保持温度的稳定；另外温度过高也会使碳纤维表面过度氧化而降低碳纤维的力学性能，如表１所示。空气氧化工艺的操作弹性非常小，但此法设备简单，成本低，且无公害，因此是目前较为常用的一种方法。寰ｌ不同丑度下，空气氯化碳野堆对其抗拉强度的影响

（２）臭氧氧化ｏ“”〕臭氧的半衰期短，对温度十分敏感，因而很不稳定，极易自行分解成氧分子和新生态活泼氧原子。臭氧是强氧化荆．氧化能力仅次于氟。利用其氧热分解生成的活性极强的新生态氧原子氧化碳纤维，能使其表面不饱和碳原子生成含氧官能团，表面含氧量增加数倍，提高纤维表面活性。臭氧氧化表面处理工艺先进，具有设备简单，操作方便，处理速度快，效果好等特点。氧化处理时，臭氧浓度一般为０．５％～３％（体积），处理温度为室温至２５０℃左右，处理时间３０～２００ｓ。

２．２液相氧化液相氧化比气相氧化温和，一般对碳纤维不会产生过度蚀刻。常用氧化刺有硝酸、硫酸、酸性过锰酸盐、酸性重铬酸盐、次氯酸盐、过氧化氢、过硫酸盐、Ｋ：Ｃｈｎ／Ｈ。Ｓｑ以及ＫＭｎＯ。／Ｈ。ＳＯ。等。液相氧化的时间较长，因此适用于间歇表面处理和研究表面处理的机理。

液相氧化剂中常用的是浓硝酸，硝酸对高强度和高模量碳纤维的表面处理效果不一致，对后者的处理效果要好于前者。液相氧化处理可消除纤维表面裂纹或使裂纹尖端钝化，提高其拉伸强度，但若处理时间过２０７长．则深度氧化将使碳纤维表面产生刻蚀斑，导致拉伸强度逐渐下降.且氧化剂的刻蚀作用也使纤维表面微观裂纹边缘、棱角处的不饱和活性炭原子数目增加，进一步提高了纤维表面活性。衰３液相氧化对纤堆寰面性能的影响〔＋〕①微克当量／克

２．３电化学氧化

电化学氧化法也叫阳极电解氧化法”“”州。该法以碳纤维作阳极，以浸在电解质中的碳电极充当阴极，电解液中含氧阴离子在屯场作用下廊阳极碳纤维表面赶移，放电生成新生态氧继而氧化纤维表面活性碳原子生成羟基、羧基、羰基等含氧官能团。同时碳纤维也会受到一定程度的刻蚀。电解氧化处理效果与电解质的ｐＨ值、浓度、阳极电位、电流量和氧化时间等有很大关系。

如电解质属于酸类，由水分子电解生成的氧原子被碳纤维表面的不饱和碳原子吸附，并与相邻吸附氧原子的碳原子相互作用脱落一个碳原子而产生ＣＯ。，使石墨微晶被刻蚀，活性炭原子数目增加，增大纤维表面能。其反应为：ｃ（面）十Ｈ２０—Ｃ（固）ｏ（吸附）＋２Ｈ＋４－２ｅ２Ｃ（同）Ｏ（吸附）一ＣＯｚ＋ｃ（固）处理过程中，氧化反应产生羧酸类降解物，容易聚集在碳纤维周围，使附近电解质浓度降低，故随氧化过程的进行氧化效果不断减弱。如电解质属于碱类，ＯＨ被碳纤维表面的活性炭原子吸附，并与相邻吸附ｏＨ的碳原子相互作用产生Ｏ：，同样增加了表面活性炭原子数目。其反应为；

Ｃ（同）＋ＯＨ—ｃ（固）ｏＨ（瑕附）＋ｅ

４Ｃ（周）ｏＨ（吸附）一４Ｃ（固）＋２Ｈ２０＋０２可见，氧化产物不会阻止氧化的进一步进行。所以经碱性电解质氧化后，碳纤维的处理效果要好于酸性电解质。

阳极电解氧化法具有氧化反应速度快、处理时间短、易与碳纤维生产线相匹配、