碳纖維(CF)作為一種新型的復合增強材料,現在已經廣泛應用于各種行業,因此備受關注。但CF表面比較光滑且無活性基團,纖維表面呈現化學惰性,所以纖維的親水性、與基體粘附性比較差,易脫落。因此,需要改善CF與基體增強界面。
碳纖維涂層改性通過噴涂、物理或化學沉積、聚合物、溶膠-凝膠法和涂層工藝,可以覆蓋多種材料,如金屬鹽、金屬合金、碳納米材料等。涂層后,CFs的表面具有不同的性能。CF復合材料的界面力也可以得到提高。
1、沉積法
沉積法是將性能較好的材料沉積在CF表面,從而起到包覆CF的功能。包括有氣相沉積和液相沉積兩種。由于碳纖維表面光滑、粘附性差,常規的液相沉積難以進行,所以需要電場輔助,常用的液相沉積法有兩種:電化學沉積(ECD)法和電泳沉積(EPD)法,其中電泳沉積具有簡單、高效、可控、沉積均勻等優點,可以大覆蓋率和均勻涂覆任何導電納米填料。
Kyoung等采用CVD方法在CF表面沉積和生長碳納米管,增加了CF表面的晶粒尺寸,有效地抑制了內部裂紋擴展,使改性CF復合材料能吸收更多能量,通過控制催化劑的薄涂層并確保適當的CVD條件,實現了CF的拉伸強度的提高(超過14%)。
Hu等通過簡單的浸涂法,在預涂偶聯劑后,在碳纖維表面沉積了多壁碳納米管(MWCNTs)和一種偶聯劑,改善了碳纖維/樹脂的界面性能。當CF裝載偶聯劑和多WCNT時,纖維與基體之間的界面剪切強度顯著增強。
Yadav等使用原位聚合和電泳沉積(EPD)技術,用原始和功能化的碳納米管(CNT/FCNTs)對碳纖維增強乙烯基酯(CVE)復合材料進行了改性。結果顯示,CNT和FCNT改性的復合材料的最佳彎曲強度比純CVE復合材料高6.2%和9.9%。
2、電化學涂層法
電化學涂層法已被用于CF的表面改性。不同的單體,如丙烯酸、丙烯酰胺、甲基丙烯酸甲酯等,已被報道在CFs上電聚合。電化學涂層具有操作方便,聚合物層厚度可控,聚合物層與CFs之間具有良好的粘附性等優點。
Zhao等設計了一種連續電聚合設備,其表面用環氧樹脂或乙烯醚進行修飾,由光引發UVI-6974引發。通過改變單體的結構、聚合時間、電壓、引發劑的濃度以及CFs與電極之間的距離,可以控制CFs上聚合物層的性能和厚度。
HUNER等在CF表面用環氧樹脂導電聚合物基復合材料進行電聚合。用聚3,4-亞乙基二氧噻吩(PEDOT)和環氧樹脂對表面進行了電化學功能化,它們的電化學性能與商用CFs進行比較。電化學涂層的CFs具有更高的電容性能和表面粗糙度。
3、聚合物涂層
越來越多的研究集中在具有較高粘度和活性基團的分子或聚合物上,它們可以作為與基質進一步相互作用的中間橋梁。聚合物涂層法是利用原位聚合或直接均勻涂覆,通過氫鍵或Π健作用形成致密的涂層。這種表面處理方式不會損傷碳纖維本身的力學性能,其界面改性效果也比較好。
Yang等使用聚多巴胺作為高效而堅固的“平臺”,將聚氨基結構接枝到纖維表面。富含氨基的八銨POSS和聚酰胺(PAMAM)骨架分別與強粘附PDA網絡鎖定在一起,同時整個分層骨架錨定在纖維表面。引入的氨基可以與樹脂的環氧基團產生優異的化學鍵,增強復合材料的力學性能。此外,纖維的拉伸強度沒有下降。
Li等采用碳納米管(CNTs)氣相分散快速噴涂CF表面的物理改性方法,以加強CF與基體之間的界面結合。結果表明,CF復合纖維的層間剪切強度、拉伸強度和壓縮強度分別提高了12.07%、8.73%和13.83%。
Xiong等采用一步浸漬法制備了一種碳纖維/碳納米管(CF/CNTs)多尺度增強體,其中硅烷偶聯劑作為CF與CNTs之間的橋梁,結果表明CNTs被均勻地包覆在CF表面,改性CF的表面化學活性、潤濕性和單纖維拉伸強度都得到了明顯改善。
Jiao等制備了一種新型的不飽和施膠劑,通過將CF與VE(乙烯酯樹脂)基體共價鍵合來提高界面強度。合成了施膠劑的主要成分N-(404-二氨基二苯基甲烷)-2-甲基丙烯酸羥丙酯(DMHM),DMHM粘附在細纖維表面,并與纖維表面的一些活性官能團發生反應。改性后具有較高的表面粗糙度和表面能?! ?br />
資料來源:《陳思魁,郭榮輝.碳纖維表面改性的研究進展[J].紡織科學與工程學報,2023,40(03):94-100+112》,由【粉體技術網】編輯整理,轉載請注明出處!
|