碳纖維等離子體處理
文章出處：等離子清洗機(jī)廠家 | 深圳納恩科技有限公司| 發(fā)表時(shí)間：2025-09-26
當(dāng)前已經(jīng)廣泛采用碳纖維表面改性技術(shù)提升復(fù)合材料的界面剪切強(qiáng)度,基于此類技術(shù)可以提升樹脂和碳纖維間的界面粘結(jié)能力,有助于改善材料的力學(xué)性能。碳纖維表面處理的作用體現(xiàn)在多個(gè)方面,包括提高纖維比表面積、清除表面雜質(zhì)等。隨著對(duì)改性技術(shù)研究的深入,市場(chǎng)中已經(jīng)有多種碳纖維表面處理方法,具體可以劃分為兩大類,分別是物理法、化學(xué)法,二者可以進(jìn)一步細(xì)分為不同的方法,其中前者主要有熱處理涂層法等,此類方法主要對(duì)比表面積以及粗糙度進(jìn)行合理調(diào)節(jié),由此增強(qiáng)了樹脂、碳纖維的界面結(jié)合力。后者在原理上主要是采用增加碳纖維表面化學(xué)官能團(tuán)的方式,使用較多的方法有化學(xué)接枝法改性、等離子改性、碳纖維表面金屬化改性等。
碳纖維的等離子體處理是指放電、高頻電磁振蕩以及沖擊波等方法使空氣、氧氣、惰性氣體等產(chǎn)生等離子體,對(duì)碳纖維表面進(jìn)行處理使其表面進(jìn)行功能化的過程。它具有操作簡單、環(huán)境友好、使用氣體廣泛、對(duì)材料本身損傷小的優(yōu)點(diǎn)。而且反應(yīng)僅在材料表面發(fā)生,而不會(huì)明顯改變材料本身的力學(xué)性能,因此成為一種高效的碳纖維改性方法。根據(jù)所用氣體性質(zhì)的不同,等離子體處理可以在碳纖維表面產(chǎn)生自由基、離子和亞穩(wěn)態(tài)物質(zhì),從而引起蝕刻、交聯(lián)和化學(xué)改性。從氫等離子體處理和氧等離子體處理對(duì)碳纖維表面碳鍵類型及粗糙度的影響對(duì)比中可知,隨著氧氣流速的增加(0-50sccm),碳纖維表面sp2鍵含量從57%下降到41.6%,說明sp2鍵分解并轉(zhuǎn)化成C-O或C=O鍵。而285.6cm-1處的C-C(sp3)鍵消失并在285cm-1處產(chǎn)生sp3鍵,表明通過氧等離子體處理除去了氫化碳。隨著氫氣流速的增加(0-50sccm),碳纖維表面C-C(sp3)鍵含量由未改性碳纖維時(shí)的28%上升到41.3%,碳纖維表面粗糙度從3.39nm提高到5.57nm,提高64%。而氧等離子體處理的碳纖維表面粗糙度從3.39nm提高到295nm,提高了87倍。這說明相對(duì)于氫等離子體處理,氧等離子體處理體現(xiàn)出更強(qiáng)的蝕刻能力。碳纖維表面的形態(tài)和粗糙度會(huì)發(fā)生明顯變化,纖維表面呈現(xiàn)出更深的槽和脊,粗糙度增加。此外,FTIR和XPS分析發(fā)現(xiàn)COOH、C-O、C=O和C-OH等含氧官能團(tuán)成功接枝到碳纖維表面。而這些親水性官能團(tuán)的存在以及粗糙度的增加提高了碳纖維的潤濕性,并改善了纖維與基體的界面結(jié)合。經(jīng)氧或空氣等離子體處理后碳纖維表面會(huì)產(chǎn)生羧基和羥基,它們能夠與環(huán)氧基團(tuán)反應(yīng),因此有利于提高碳纖維與環(huán)氧樹脂基體的界面結(jié)合,但是氧或空氣等離子體處理一定程度上會(huì)降低碳纖維本身的強(qiáng)度。
氮或氨氣等離子體處理對(duì)碳纖維強(qiáng)度的影響幾乎可以忽略,且在碳纖維表面形成的含氮功能化官能團(tuán)能夠與環(huán)氧樹脂反應(yīng),從而提高纖維與基體的界面結(jié)合。氮?dú)獾入x子體處理后,碳纖維直徑和強(qiáng)度幾乎無變化,而纖維與環(huán)氧樹脂之間的界面結(jié)合顯著提高,其界面剪切強(qiáng)度增加。碳纖維進(jìn)行低壓氨氣等離子體處理,處理前后碳纖維的表面形態(tài)和粗糙度并未有明顯差異(如圖1),但碳纖維表面含氮官能團(tuán)含量和表面能均顯著提高。但是經(jīng)等離子體改性后,CF/EP復(fù)合材料的界面斷裂韌性提高不明顯,所以,低壓氨氣等離子體處理對(duì)纖維與環(huán)氧基體的界面結(jié)合提高不明顯。
圖1 不同等離子體處理時(shí)間碳纖維的AFM圖
根據(jù)等離子體的粒子溫度,通常將等離子體改性劃分為兩大類,分別是低溫、高溫等離子改性,而前者在碳材料表面改性方面得到了較多的應(yīng)用。低溫等離子體的能量較小,且其形成不依賴于特定的壓力條件,采用等溫等離子體即可將材料表面有機(jī)大分子鏈斷裂,而基體性能仍然保持較高的穩(wěn)定性。通過等溫等離子體處理之后改變了材料表面的基本特性,可能會(huì)形成富氧極性基團(tuán)或者交聯(lián)層,從而改善材料的光電性能以及親水性等特性。除此之外,等離子處理的優(yōu)勢(shì)還體現(xiàn)在效率高、成本低、安全環(huán)保等方面,因此已經(jīng)成為材料改性的重要手段。
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