碳纖維表面改性處理及其基本性能表征

程燕婷， 孟家光， 劉 青

(西安工程大學(xué) 紡織與材料學(xué)院， 陜西 西安 710048)

碳纖維表面改性處理及其基本性能表征

程燕婷， 孟家光， 劉 青

(西安工程大學(xué) 紡織與材料學(xué)院， 陜西 西安 710048)

為改善碳纖維與樹脂基體之間的界面性能，提高碳纖維的摩擦性和表面浸潤性，以T300碳纖維為原料，在空氣條件下采用低溫等離子體技術(shù)對碳纖維表面進(jìn)行改性處理。通過正交試驗(yàn)分析法，得到等離子體處理的最佳方案；通過場發(fā)射掃描電鏡觀察得出，經(jīng)過改性處理后的碳纖維表面變得凹凸不平且具有明顯的剝離現(xiàn)象，表面粗糙度增加；通過傅里葉紅外光譜測試分析得出，等離子體處理后碳纖維表面引進(jìn)了—CH2—OH和—COH等新的官能團(tuán)。等離子體處理使得碳纖維斷裂強(qiáng)力減小，摩擦性能提高，表面浸潤性提高；在制備碳纖維復(fù)合材料時有利于纖維與樹脂的結(jié)合，利于碳纖維復(fù)合材料的制備。

碳纖維; 改性處理; 低溫等離子體技術(shù); 基本性能

碳纖維是由片狀石墨微晶等有機(jī)纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料[1]。碳纖維具有比強(qiáng)度高、比模量高、耐高溫、耐腐蝕和熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)異性能，被廣泛用作樹脂基復(fù)合材料的增強(qiáng)纖維[2]。碳纖維突出的力學(xué)性能及良好的可加工性，使得碳纖維復(fù)合材料在航空航天、土木建筑、交通運(yùn)輸、機(jī)械設(shè)備以及文體醫(yī)療等方面具有廣泛應(yīng)用[3]。我國是從20世紀(jì)60年代開始對碳纖維進(jìn)行研究，80年代研制出了高強(qiáng)型碳纖維。目前，我國T300和T700碳纖維已達(dá)到了國際先進(jìn)水平，但由于我國對碳纖維研究起步晚，因此在碳纖維產(chǎn)品的性能上與國外還有一定差距，在碳纖維復(fù)合材料方面的研究技術(shù)尚不成熟。未經(jīng)處理的碳纖維由于存在表面比較光滑、惰性大、表面能低、缺乏具有化學(xué)活性的官能團(tuán)、反應(yīng)活性低、與復(fù)合基的黏結(jié)性差等缺點(diǎn)，在界面中存在較多的缺陷，從而影響復(fù)合材料的力學(xué)性能，限制了其高性能的發(fā)揮[4-5]，因此，為提高復(fù)合材料增強(qiáng)體與基體之間的界面性能就需要對碳纖維表面進(jìn)行改性處理[6]。

本文在空氣條件下采用低溫等離子體技術(shù)對碳纖維表面進(jìn)行改性處理，并對其斷裂強(qiáng)力、表面摩擦性能、表面浸潤性、表面形貌及表面化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測試分析。通過試驗(yàn)得出了等離子處理的最佳方案，發(fā)現(xiàn)等離子處理使得碳纖維表面粗糙度增加并產(chǎn)生新的官能團(tuán)，從而對在制備碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料時，得纖維與樹脂的表面性能相匹配，提高二者的相容性、浸潤性、界面黏結(jié)性以及反應(yīng)性，這對于制備出性能更加優(yōu)異的碳纖維復(fù)合材料具有重要意義。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料與儀器

試驗(yàn)材料：T300碳纖維(1束由6 000根碳纖維組成，纖維直徑為6 μm)，昆山絲冠紡織品有限公司。

試驗(yàn)儀器：DT-02型低溫等離子體處理儀、Y151型纖維摩擦因數(shù)測定儀、YG001D型電子單纖維強(qiáng)力機(jī)、YG(B)871型毛細(xì)管效應(yīng)測定儀、Quanta-450-FEG型場發(fā)射掃描電鏡、FTIR-7600型傅里葉變換紅外光譜儀。

1.2 試驗(yàn)原理

低溫等離子體處理的工作原理是通過電極放電電離反應(yīng)室氣體從而轟擊碳纖維表面，具有濺射和刻蝕現(xiàn)象，以此來改變纖維表面的性能。

1.3 試驗(yàn)方法

將一定長度的碳纖維紗線放入DT-02型低溫等離子體處理儀的反應(yīng)室里，關(guān)閉艙門，啟動真空裝置，設(shè)置反應(yīng)室內(nèi)的功率、壓強(qiáng)、時間，開始對碳纖維進(jìn)行等離子體處理。待處理完后，將每組樣品裝入試樣袋進(jìn)行編號，并測試其斷裂強(qiáng)力、摩擦因數(shù)以及毛細(xì)管效應(yīng)；對等離子體處理前后碳纖維表面形態(tài)及表面化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行測試并分析。

2 性能表征

2.1 斷裂強(qiáng)力測試

采用YG001型電子單纖維強(qiáng)力機(jī)測定經(jīng)等離子體處理前后碳纖維的斷裂強(qiáng)力，觀察在不同處理條件下，纖維強(qiáng)力的變化情況[7]。單纖維強(qiáng)力測試次數(shù)計算如下：

式中：n為試驗(yàn)次數(shù)；Cv為n次試驗(yàn)測試值的變異因數(shù)，一般取E=3%，置信概率水平取95%(即顯著性水平=5%)，所以t=1.96。

2.2 表面摩擦性能測試

采用Y151型纖維摩擦因數(shù)測定儀測定碳纖維表面的摩擦性能，試驗(yàn)中通過分束法測試碳纖維的摩擦因數(shù)，并對輥軸加以改進(jìn)，通過調(diào)節(jié)預(yù)加張力，最終測試碳纖維的摩擦因數(shù)。計算公式如下[8]：

u=0.733×[lgf0-lg(f0-m)]

式中：u為纖維與絞盤間的摩擦因數(shù)；f0為纖維兩端張力夾質(zhì)量，mg；m為扭力天平讀數(shù)，mg。

2.3 纖維表面浸潤性測試

采用YG(B)871型毛細(xì)管效應(yīng)儀測定不同條件改性前后碳纖維的毛細(xì)管效應(yīng)。由于碳纖維本身的顏色是黑色，無法用顯色溶液測試毛細(xì)管高度，采用測量相同時間內(nèi)碳纖維長絲的質(zhì)量變化率來表征毛細(xì)效應(yīng)[9]。

2.4 表面微觀結(jié)構(gòu)觀察

采用Quanta-450-FEG型場發(fā)射掃描電鏡對經(jīng)空氣低溫等離子體處理前后碳纖維表面形貌進(jìn)行觀察，分析在不同處理條件下碳纖維表面的刻蝕程度以及表面微觀結(jié)構(gòu)的變化[10]。

2.5 碳纖維表面化學(xué)結(jié)構(gòu)測試

采用FTIR-7600型傅里葉變換紅外光譜儀分析經(jīng)空氣低溫等離子體處理前后碳纖維表面化學(xué)結(jié)構(gòu)，將適量溴化鉀(KBr)和碳纖維混合共同研磨成粉末狀，采用壓片法，對壓片成型后試樣進(jìn)行紅外光譜測定[11]。

3 結(jié)果與討論

3.1 正交試驗(yàn)測試結(jié)果與分析

正交試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

3.1.1 改性處理后碳纖維斷裂強(qiáng)力分析

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果，對改性處理后碳纖維斷裂強(qiáng)力進(jìn)行極差分析，結(jié)果如表2所示。

從表1、2可知，與改性前相比，改性處理后，碳纖維的斷裂強(qiáng)力都有不同程度的減小。表1論明3#方案的斷裂強(qiáng)力相對0#方案損失最大，損失率為30.93%，8#方案的斷裂強(qiáng)力相對0#方案損失最小，損失率為11.86%。表2示出，因素B(處理功率)的極差為0.810，大于因素A和因素C的極差，這說明因素B對等離子體處理后碳纖維斷裂強(qiáng)力的影響最明顯，即其他因素水平一定時，功率增加得越快，斷裂強(qiáng)力減小得就越快，纖維表面刻蝕程度也就越明顯；其次為影響因素C(處理時間)，極差為0.493，僅次于因素B，說明它對碳纖維的表面也有一定的破壞作用，只是小于因素B而已；因素A(處理壓強(qiáng))對碳纖維斷裂強(qiáng)力的影響較弱，極差為0.366。

表1 正交試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Results of orthogonal

表2 斷裂強(qiáng)力極差分析表Tab.2 Analysis on fracture strength range

3.1.2 改性處理后碳纖維摩擦性能分析

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果，對改性處理后碳纖維靜摩擦因數(shù)極差分析，結(jié)果表3所示。

由表1、3可知，與改性處理前相比，改性處理后碳纖維的靜摩擦因數(shù)均有所增加。從表1知，7#方案的靜摩擦因數(shù)相對0#方案增加幅度最大，增長率為23.61%，1#方案的靜摩擦因數(shù)相對0#方案增加幅度較小，增長率為2.06%。此外，由表3可知，因素C(處理時間)的極差最大，為0.070，說明因素C對改性處理后碳纖維靜摩擦因數(shù)的影響最大，即功率和壓強(qiáng)一定時，碳纖維的靜摩擦因數(shù)隨著處理時間的增大而增大，表面的刻蝕程度也越明顯，這說明等離子體處理在不同程度上改善了碳纖維的摩擦性；其次為影響因素B(處理功率)，極差為0.063；僅次于因素C，說明它對碳纖維的表面也有一定的破壞作用，只是小于因素C而已；因素A(處理壓強(qiáng))對碳纖維靜摩擦因數(shù)的影響較弱，極差為0.039。

表3 靜摩擦因數(shù)極差分析表Tab.3 Analysis on variance coefficient of static friction

3.1.3 改性處理后碳纖維浸潤性能分析

毛細(xì)管效應(yīng)極差分析如表4所示。

表4 碳纖維毛細(xì)效應(yīng)極差分析表Tab.4 Analysis on carbon fiber capillary effect

由表4可看出，與改性處理前相比，改性處理后碳纖維的表面浸潤性均有所提高，毛細(xì)質(zhì)量變化率為44.94%～54.01%。其中，未處理(0#方案)的碳纖維毛細(xì)質(zhì)量變化率為32.99%。與未處理的毛細(xì)質(zhì)量變化率相比，9#方案的毛細(xì)質(zhì)量變化率最大，為54.01%；1#方案的變化率最小，為44.94%。從表中可看出，處理壓強(qiáng)的極差值最大，為3.840，說明處理壓強(qiáng)對纖維的吸濕性影響最大,處理功率和處理時間對纖維的吸濕性影響程度較小。

纖維表面改性后，其浸潤性提高主要有2方面的原因：一方面是低溫等離子體處理具有一定的刻蝕作用，可間接改變纖維粗糙度，纖維表面的粗糙度增加有利于浸潤性的提高；另一方面是改性處理后纖維表面引入了新的極性鍵和極性基團(tuán)，活性增加，浸潤性提高。

3.1.4 綜合分析

由于本文試驗(yàn)為多因素試驗(yàn)，因此采用綜合平衡法分析數(shù)據(jù)。在盡量保持碳纖維斷裂強(qiáng)力的條件下，增大靜摩擦因數(shù)和浸潤性，這樣不僅有利于纖維黏著時的物理勾嵌，還有利于纖維黏著時的化學(xué)交聯(lián)，從而使纖維的黏著性有較大程度的提高。由此確定優(yōu)化試驗(yàn)方案，得出5#方案為較優(yōu)方案，即壓強(qiáng)40 Pa，功率100 W，時間120 s，其碳纖維斷裂強(qiáng)力為6.82 cN，靜摩擦因數(shù)為0.706 2，毛細(xì)質(zhì)量變化率52.84%。

3.2 改性處理前后碳纖維表面形貌分析

3.2.1 碳纖維表面

采用Quanta-450-FEG場發(fā)射掃描電子顯微鏡對改性處理前后碳纖維表面進(jìn)行觀察與分析，結(jié)果如圖1所示。

從圖1可明顯看出，在放大1 500倍的情況下，碳纖維表面具有比較規(guī)則的凹槽，這些凹槽是在紡絲過程中形成的，但經(jīng)過改性處理后的碳纖維表面除凹槽外還具有一定程度的刻蝕，表面變得凹凸不平且具有明顯的剝離現(xiàn)象，表面粗糙度增加。這是因?yàn)榈入x子體處理具有一定刻蝕作用，可間接改變纖維的粗糙度。經(jīng)等離子體處理后，在刻蝕和濺射的作用下，纖維表面的化學(xué)基團(tuán)重新組合導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，表面的極性基團(tuán)增加，從而改善了纖維表面的浸潤性。

3.2.2 改性前后碳纖維的結(jié)構(gòu)

采用傅里葉變換紅外光譜對改性前后碳纖維表面的官能團(tuán)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2所示。

4 結(jié) 論

1)通過正交試驗(yàn)綜合考慮得到等離子處理的優(yōu)化方案為5#，即壓強(qiáng)40 Pa，功率100 W，時間120 s，其碳纖維斷裂強(qiáng)力為6.82 cN，靜摩擦因數(shù)為0.706 2，毛細(xì)質(zhì)量變化率52.84%；且等離子體處理后碳纖維斷裂強(qiáng)力減小，靜摩擦因數(shù)增大，表面浸潤性得到了提高。

2)采用場發(fā)射掃描電鏡對改性處理前后碳纖維表面進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，等離子體處理后碳纖維表面有一定的刻痕，表面粗糙度增加。碳維表面粗糙度增加可以使其復(fù)合材料體系中纖維與樹脂基體之間的接觸點(diǎn)增加，從而有助于提高纖維與樹脂之間的界面性能。

3)采用傅里葉紅外光譜對碳纖維表面官能團(tuán)分析發(fā)現(xiàn)，等離子體處理后碳纖維表面引入—CH2—OH和—COH等新官能團(tuán)，在1 063.3 cm-1處出現(xiàn)了特征吸收峰。新的活性官能團(tuán)的增加可與樹脂基體發(fā)生反應(yīng)，通過化學(xué)鍵合作用提高碳纖維與樹脂基體的界面黏結(jié)，對于制備并研究碳纖維復(fù)合材料具有重要意義。

FZXB

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Surface modification and performance characterization of carbon fibers

CHENG Yanting, MENG Jiaguang, LIU Qing

(College of Textiles and Materials, Xi′an Polytechnic University, Xi′an, Shaonxi 710048, China)

In order to improve the interface performance of carbon fibers and resin matrix, by using T300 carbon fiber as raw materials, the surface of the carbon fiber was modified by low-temperature plasma technology under the condition of air. By the orthogonal test analysis, the best solution of low-temperature plasma is concluded. Field emission scanning electron microscopy (SEM) results show that the carbon fiber surfaces become uneven and have obvious detachment phenomenon after modification. Meanwhile, the surface roughness increases. Fourier infrared spectrum (FT-IR) test and analysis show that the carbon fiber surfaces have new functional groups such as —CH2—OH and —COH after low-temperature plasma treatment. By the plasma treatment, the tensile strength of carbon fiber is reduced, friction properties are improved and the surface wettability is increased. It facilitates the combination of fibers and resins in the preparation of carbon fiber composite materials as well as the preparation of carbon fiber composite materials.

carbon fiber; modification treatment; low temperature plasma technology; basic performance

10.13475/j.fzxb.20150405305

2015-04-28

2016-02-16

陜西省重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)專項資金資助項目(陜[2008]169)

程燕婷(1991—)，女，碩士生。研究方向?yàn)樾虏牧闲鹿に嚒Ｃ霞夜猓ㄐ抛髡撸珽-mail：mengjiaguang@126.com。

TB 332

A