液態丙烯腈低聚物修復聚丙烯腈基碳纖維微孔缺陷

柴曉燕 朱才鎮 何傳新 張廣照 劉劍洪,*

(1華南理工大學材料科學與工程學院,廣州 510641;2深圳大學化學與化工學院,深圳市功能高分子重點實驗室,廣東深圳 518060）

1 引言

碳纖維具有良好的材料綜合性能如高拉伸強度、高模量、低密度、耐高低溫等.因此,碳纖維是先進復合材料中最重要的增強材料之一,廣泛應用于航天航空、國防軍事等高科技領域以及高級體育用品、醫療器械等民用行業.然而工業化生產的碳纖維的拉伸強度卻遠遠低于理論拉伸強度,日本東麗公司生產的T1000碳纖維的實際拉伸強度為7.02 GPa,僅為理論值的3.9%.1-3因此,碳纖維拉伸強度的進一步提高仍有很大的空間.

碳纖維表面以及內部存在結構缺陷是導致其力學性能下降的主要原因,其中表面缺陷對力學性能的影響更大.碳纖維中的缺陷包括聚合物鏈結構缺陷、孔洞、表面裂紋等.4因而減少缺陷是提高碳纖維力學性能的主要途徑之一.目前,不少研究者對碳纖維進行表面處理以期減少表面缺陷來提高碳纖維的性能.Jones5和Wen6等把一定劑量的硼離子注入碳纖維,使得表層的石墨微晶細化,微晶尺寸降低20%左右,從而使壓縮強度得到提高.同時在微晶細晶化的同時,對碳纖維表面缺陷進行了修復,并緩解了熱應力,提高了抗裂紋擴展的能力,使碳纖維的抗拉強度得到提高.賀福等2用氣液雙效法對碳纖維表面進行處理,使碳纖維的自身強度和材料的層間剪切強度都得到提高.Xiao、7Bandamy、8Xu9等提出采用γ-輻射的方法來減少碳纖維表面缺陷從而提高碳纖維的力學性能.Sung等10,11在預氧化和碳化過程中施加磁場的方法來減少碳纖維表面缺陷從而提高碳纖維的力學性能,對于缺陷減少的依據只是采用掃描電子顯微鏡(SEM）進行表征.然而SEM只能觀察到碳纖維表面的裂痕以及斷面存在孔洞,卻無法準確表征這些微孔洞的大小,也無法觀察到碳纖維內部的缺陷.應用小角X散射(SAXS）方法可以準確計算表面和內部微孔的各種結構信息如微孔尺寸、形狀、體積百分數等,對于碳纖維微孔缺陷的研究具有非常重要的意義.SAXS理論最早是由Krishnamurti12和Warren13提出,他們在觀察纖維束和膠體粉末時發現了SAXS現象并提出了SAXS的原理.Perret和Ruland14,15應用小角X散射理論分析了聚丙烯腈非石墨化碳中的微孔缺陷情況,計算出微孔直徑在1-3 nm之間.同時采用無限長狹縫體系測試了碳纖維的小角X散射,發現碳纖維中存在直徑為1-2 nm,長度為20-30 nm的針形孔洞,在纖維軸向呈擇優取向排列.Shioya等16,17應用同步輻射小角X散射研究聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET）纖維在拉伸斷裂過程中的結構變化.通過赤道散射強度計算微孔的尺寸、形狀等參數,進而研究纖維的拉伸斷裂機理.

本文采用液態丙烯腈低聚物(LAN）修復聚丙烯腈(PAN）基碳纖維表面的微孔缺陷來提高拉伸性能,并應用SAXS法定量表征修復前后缺陷的變化情況,這在國內外的研究中很少報道.本課題組前期合成了LAN,由于LAN的分子量較小,在浸漬的過程中能進入到碳纖維表面的微孔缺陷中.同時LAN在熱處理的過程中會產生環化交聯反應,與碳纖維界面進行結合,能有效地修復碳纖維中的缺陷,從而提高碳纖維的拉伸性能.通過拉伸性能測試表明浸漬LAN后T300的拉伸性能有了明顯的提高.應用SAXS法準確計算出浸漬LAN前后T300中微孔缺陷的長度、橫截面尺寸、取向角、相對體積的變化情況,建立缺陷與拉伸性能之間的關系,為碳纖維拉伸性能的提高提供理論依據.

2 實驗部分

2.1 試樣制備

聚丙烯腈碳纖維T300,1K(束絲包含1000根單絲）由日本東麗公司提供.實驗所用試劑為分析純,購于國藥集團化學試劑有限公司.LAN由實驗室自己合成,是一種與水完全混溶,常溫下呈現液態的低聚物,在合成過程中加入了衣康酸作為共聚單體.由于合成過程需要保密,因此本文并沒有對這一部分進行闡述.將碳纖維T300在LAN中浸漬3 min,得到樣品T300-LAN;在180-280°C的空氣氣氛中進行預氧化實驗,得到樣品T300-LAN-AIR;在300-600°C的N2氣氛中進行低溫碳化實驗,得到樣品T300-LAN-AIR-N2.

2.2 測試表征

采用深圳新三思CMT4304微機控制電子萬能試驗機測試碳纖維的拉伸性能,試樣標距40 mm,拉伸速率5 mm·min-1.采用日本理學nano-viewer小角X射線散射儀表征碳纖維的微孔缺陷,波長0.124 nm,樣品和探測器距離650 mm,計算得到微孔長度(L）、取向角(Beq）、橫截面尺寸(lp）以及相對體積(Vrel）等信息;采用美國康塔公司NOVA1200e比表面分析儀測試碳纖維的BET比表面積,樣品在100°C的真空干燥箱中處理24 h,然后在比表面儀上脫氣8 h,脫氣溫度為100°C.最后在77 K下以N2為吸附介質,測定樣品的吸附以及脫附等溫曲線.采用日本日立S3400N掃描電子顯微鏡觀察碳纖維的表面形貌.采用美國Thermo公司ESCALab220I-XL型X射線光電子能譜儀(XPS）表征纖維表面元素的化學價態,以Al Kα為激發源.所有樣品在進行XPS分析之前,先經過48 h丙酮回流,再經過48 h無離子水回流處理,最后用無離子水充分洗滌,于95-100°C真空干燥5 h.

3 結果與討論

3.1 PAN基碳纖維中微孔缺陷的小角X散射理論模型

圖1 碳纖維中擇優取向的微孔及其小角X射線散射示意圖Fig.1 Schematic representation of the microvoids and SAXS intensity with preferred oriented in carbon fiber

圖2 T300樣品的Bπ/2(s）線性圖Fig.2 Bπ/2(s）s2-s2 plot of sample T300

圖3 T300樣品的I(s,π/2）-s散射圖以及根據式(2）和(3）得到的擬合曲線Fig.3 Scattering curves of I(s,π/2）-s of sample T300 and fitting according to Eqs.(2）and(3）

由于碳纖維在制備過程中會進行拉伸取向,使得其中的微孔呈棒狀沿著纖維軸方向取向.軸向取向的微孔和碳纖維基體間存在電子密度差異,因而在赤道方向會產生散射現象,如圖1所示.表征微孔信息的L、Beq、Vrel及lp可以通過Ruland的理論模型進行計算,Ruland的方法可用于分析碳纖維18-20和預氧化纖維21,22的缺陷.采用Ruland的模型,23,24先計算散射圖沿方位角的積分寬度(Bπ/2(s））,然后根據式(1）對s2～s2B2π/2(s）進行線性擬合,通過截距和斜率得到Beq和L,其中,s為散射向量,Bπ/2(s）為在赤道方向上的寬度分布,典型的擬合圖見圖2所示.所有的擬合都在低角度進行,該方法對于擬合區域的選取有一定的依賴性,為增加數據的可比性,各樣品都在相同區域擬合.將計算得到的L和Beq值代入式(2）,采用實際測量數據擬合式(2）,擬合時采用中間角度和高角度的數據,如圖3所示.得到微孔數n和橫截面尺寸lp,而微孔的體積.我們取,得到微孔的相對體積Vrel=V/Vmin.

式中Beq為微孔偏離碳纖維軸取向程度參量.

式中,I(s,π/2）為赤道方向的散射強度,ρm為碳纖維基體的電子密度,|ФD|2(s）為二維(2D）相關函數的Fourier變換.

3.2 不同拉伸性能下碳纖維T300-LAN中微孔缺陷的表征

碳纖維T300經LAN修復缺陷后拉伸性能發生明顯提高,表1為碳纖維T300經LAN修復缺陷前后拉伸性能以及直徑和密度各項參數的變化.可見LAN修復后纖維的直徑和密度并未發生明顯改變,拉伸強度從3.53 GPa提高到4.41 GPa,拉伸模量從235 GPa提高到257 GPa,拉伸性能提高了25%,拉伸模量提高了12%.理論上分析認為LAN對碳纖維中的缺陷進行了修復,從而提高了其拉伸性能.因此采用SAXS法表征浸漬LAN前后碳纖維T300的缺陷變化情況,從而建立拉伸性能和缺陷之間的關系,為碳纖維拉伸性能的提高提供理論依據.

圖4所示的是三種典型的碳纖維的小角X射線散射圖.其中(a）圖為纖維T300,(b）圖為T300浸漬了LAN后再經過200°C預氧化處理的纖維T300-LAN-AIR,c圖為T300浸漬了LAN先經過200°C預氧化再經過600°C低溫碳化處理的纖維T300-LAN-AIR-N2.三種樣品的赤道散射強度隨著散射向量的變化情況如圖5所示,通過這些散射強度數據可以計算出各自的L、Beq、lp及Vrel等參數.

表1 碳纖維T300經液態丙烯腈低聚物修復前后的直徑(D）、密度(ρ）、拉伸強度(σt）、拉伸模量(E t）以及斷裂伸長率(ε）Table 1 Diameter(D），density(ρ），tensile strength(σt）、tensile modulus(E t）,and elongation(ε）of carbon fibers T300 and LAN modified carbon fibers

圖4 三種典型的碳纖維的小角X散射圖Fig.4 SAXS patterns of three types of carbon fibers

為了探索最佳的熱處理條件,選取180、200、220、240、260、280 °C六個溫度進行預氧化實驗,時間均為1 h,研究結果顯示,碳纖維的最大斷裂力隨著預氧化溫度的升高呈現先上升后下降的趨勢,如圖6所示,當預氧化溫度為200°C時,碳纖維的最大斷裂力達到最大值.因此選取預氧化溫度為200°C的樣品進行600°C低溫碳化實驗,低溫碳化后纖維的拉伸性能得到進一步提高.為了準確表征纖維拉伸性能和缺陷的相關性,選取各個溫度下拉伸性能最好的纖維(如圖6中紅色圓圈處所示）進行小角X散射的缺陷表征,計算得到的L、Beq、Vrel及lp隨著最大斷裂力的變化趨勢如圖7所示.從圖中看出隨著最大斷裂力的不斷增加,缺陷長度L、Beq以及Vrel均呈不斷下降趨勢,即碳纖維的拉伸性能越好,微孔長度越小,取向性越好,體積越少.隨著斷裂最大力的提高,微孔lp值沒有發生明顯的變化,即浸漬LAN前后T300中微孔橫截面尺寸基本不產生變化,因而LAN主要對微孔的兩端進行了修復.通過以上的分析可以得出結論:碳纖維中的缺陷嚴重影響著其拉伸性能,纖維中的缺陷越少,拉伸性能越好.浸漬了LAN的T300的拉伸性能的提高是由于微孔長度變小,取向性變好,微孔相對體積數變少的原因,因而LAN對于碳纖維T300中的缺陷具有修復作用,從而有效地提高了其拉伸性能.

圖5 三種碳纖維的赤道散射強度曲線圖Fig.5 Curves of equatorial intensity of three types of carbon fibers

圖6 不同熱處理溫度下碳纖維拉伸斷裂力最大的變化Fig.6 Variation of maximal fracture force with different temperatures

3.3 LAN修復T300微孔缺陷前后比表面積的變化

經過前面SAXS分析,發現PAN碳纖維T300浸漬了LAN后,再經過預氧化和碳化處理,其微孔長度、取向角和相對體積含量都產生明顯下降,說明LAN對于碳纖維中的微孔缺陷具有較好的修復作用,因而提高了其拉伸性能.對于這些缺陷的變化,可以采用氮氣吸附法進行測試,23將結果與SAXS數據進行比較.我們主要比較T300經LAN處理前后比表面積的變化情況.

對于表面光滑的單根碳纖維,比表面積計算如下:

式中S為單根碳纖維的比表面積;R為單根碳纖維的半徑;ρ為碳纖維的密度;L為碳纖維的長度.對于PAN碳纖維T300,密度為1.76 g·cm-3,直徑為7 μm,因而理論計算得到T300比表面積為0.16 m2·g-1.

根據朗繆爾的單分子層吸附理論得出的多分子層吸附的BET理論,吸附可用BET方程表示:

圖7 不同最大斷裂力下微孔長度L、取向角B eq、相對體積V rel以及橫截面尺寸l p的變化Fig.7 Variation of length L,orientation angle B eq,relative volume V rel,and chord length of cross section l pwith maximal fracture force

式中V為在p時的吸附量,cm3·g-1;V為單分子層吸附容量;p為平衡時的氣體壓力;p0為實驗溫度下氣體的飽和蒸汽壓;C為常數(含有吸附焓的常數）.

為求得Vm值,BET方程可寫為:

在BET坐標系中,以 p/[V(p0-p）]對p p0作圖,得一條直線,利用其斜率、截距可求得V和C.式(6）中Vm為多分子層吸附容量.

假設吸附劑的比表面積為S,吸附質的每一個分子在其表面的降落場面積為A,則有:

式中N0為阿伏伽德羅常數,N0=6.03×1023;A為1個吸附質分子占有的面積(nm2）.

在本實驗中,吸附質為液氮,因而A可通過下式得到:

圖8 三種碳纖維的吸附等溫線Fig.8 Adsorption isotherms of three types of carbon fibers

表2 三種碳纖維的比表面積(S）Table 2 Specific surface area(S）of three types of carbon fibers

式中M為吸附質的相對分子質量;ρ0為吸附質在液態下的密度.選取了三種樣品,即未經處理的T300樣品;在LAN中浸漬后再經過200°C預氧化處理的樣品T300-LAN-AIR;在LAN中浸漬,經過200°C預氧化以及600°C碳化處理的樣品T300-LANAIR-N2,三種樣品的吸附等溫線如圖8所示,通過式(8）計算得到三種樣品的比表面積如表2所示.

從表2中可以看到經過LAN浸漬處理的碳纖維經過200°C的預氧化處理后,比表面積明顯減小,從原來的 0.82 m2·g-1減小到 0.54 m2·g-1,說明LAN進入了纖維的微孔洞中,并在一定的溫度下產生環化反應,修復了部分孔洞,使得纖維的比表面積減小;當經過200°C預氧化處理的碳纖維T300-LAN-AIR,在600°C的氮氣氣氛中進行低溫碳化反應時,比表面積進一步減小到0.47 m2·g-1,說明LAN進行碳化反應,使得孔洞比表面積進一步減少.通過以上數據,可以得出結論:經過LAN處理后纖維的缺陷減小,因而拉伸性能得到了提高.這與SAXS得到的結論是一致的.

圖9 修復前后PAN基碳纖維表面的SEM圖Fig.9 SEM images of T300 and LAN modified carbon fibers

對于碳纖維表面缺陷,采用SEM進行表征.圖9(a）為PAN碳纖維T300的SEM表面形貌圖,T300的表面缺陷較多,存在凹凸不平的皺褶,且皺褶較深,這是由于PAN原絲經過濕法紡絲形成的,表面這種凹凸不平的皺褶不利于制備高性能的碳纖維.圖9(b）為T300在液態丙烯腈低聚物LAN中浸漬處理后經過200°C預氧化以及600°C低溫碳化后所得纖維T300-LAN-AIR-N2的SEM表面形貌圖,經過LAN處理后纖維表面的皺褶明顯變淺,且均勻分布,這是由于LAN進入到碳纖維表面的溝槽中,經過預氧化和碳化處理后LAN與碳纖維界面充分結合,對碳纖維的表面缺陷進行修復.圖9(c）為LAN修復后碳纖維的低倍掃描電鏡圖,纖維之間沒有粘連,不會對復合材料的制備造成影響.

3.4 XPS分析LAN修復缺陷前后碳纖維表面化學成分的變化

為了進一步研究LAN修復缺陷前后碳纖維表面結構的變化,采用XPS分析LAN處理T300前后各元素的化學氧化態.圖10(a）為T300的XPS全譜圖.由圖中看出,T300表面主要存在C和O兩種元素,N元素含量極微,在譜圖中不明顯.C 1s、O 1s以及N 1s的結合能分別位于284.8、532.3及401.2 eV處.圖10(b）為T300在液態丙烯腈低聚物LAN中浸漬處理后經過200°C預氧化以及600°C低溫碳化后所得纖維T300-LAN-AIR-N2的XPS全譜圖,相對碳纖維T300,纖維中的O和N含量顯著增加.C 1s、O 1s以及N 1s的結合能為284.9、531.8及400.0 eV.這是由于液態丙烯腈低聚物進入碳纖維表面,且經過預氧化和碳化后與碳纖維充分結合,改變了碳纖維表面結構,這在圖9掃描電鏡圖中也得到充分體現.

圖10 兩種PAN碳纖維的XPS譜圖Fig.10 XPS spectra of two kinds of PAN-based carbon fibers

圖11 兩種PAN基碳纖維的XPS C 1s譜圖Fig.11 C 1s X-ray photoelectron spectra of two PAN-based carbon fibers

圖12 兩種PAN基碳纖維的XPS譜圖Fig.12 O 1s X-ray photoelectron spectra of two PAN-based carbon fibers

表3 LAN處理前后C1s,O1s譜解析結果Table 3 C 1s and O 1s binding energies,relative amounts of C and O in each spectrum before and after LAN-treated

采用Lorentzian-Gaussian函數進一步對T300、T300-LAN-AIR-N2兩種樣品C 1s進行分峰擬合,24,25如圖11所示,分峰結果如表3所示.從表中可以看出,經過LAN處理后石墨碳(峰1）相對含量顯著下降,從74%下降到54%,同時含O官能團C―OH、C＝O(峰2）以及HO―C＝O(峰3）相對含量顯著提高.這是由于LAN經過預氧化和低溫碳化反應在碳纖維產生更多的含O官能團,從而使其含量提高,C―OH、C＝O相對含量從15%提高到29%,HO―C＝O相對含量從11%提高到17%.碳纖維表面更多的含O官能團有利于提高碳纖維的表面極性,增強碳纖維與樹脂基體之間的相互作用,從而提高碳纖維的力學性能.T300、T300-LAN-AIR-N2兩種樣品O 1s分峰結果如圖12所示,峰1代表的是C＝O基團,峰2代表的是C―OH、C―O―C基團.相對碳纖維T300,經過LAN浸漬處理后纖維表面產生更多的C＝O基團,C＝O相對含量從52%提高到63%,這與C 1s的分峰結果是一致的.

4 結論

碳纖維表面的微孔缺陷直接影響著其拉伸性能,表面缺陷越少,拉伸性能越好.本文所采用的液態丙烯腈低聚物(LAN）可以修復纖維表面部分微孔缺陷,從而提高碳纖維T300的拉伸性能.將T300在液態丙烯腈低聚物中浸漬,并經過預氧化和碳化熱處理后其拉伸性能可以提高25%.應用SAXS法研究浸漬LAN前后不同拉伸性能下纖維的微孔長度、取向角和相對體積的變化,結果發現浸漬LAN后的T300的微孔長度減小34%,取向角減小32%,相對體積減小21%,認為T300拉伸性能提高是由于缺陷修復的結果.應用BET法和SEM表征LAN修復缺陷前后T300的表面缺陷的變化情況,結果表明,T300在LAN中浸漬并經過預氧化和碳化熱處理表面缺陷明顯減少.應用XPS分析LAN修復缺陷前后T300表面C 1s和O 1s化學氧化態的變化,結果表明LAN進入T300的表面缺陷后并經過預氧化和低溫碳化反應在T300表面產生更多的含氧官能團(C―OH,C＝O,HO―C＝O,C―O―C）,有利于提高碳纖維的表面極性,增強碳纖維與樹脂基體之間的相互作用,從而提高碳纖維的力學性能.

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