Модификация углеродного волокна

I. Цель модификации углеродного волокна

Улучшение совместимости междууглеродное волокнои матрица: улучшение механических свойств композиционных материалов и усиление механического сцепления, физической адгезии и химической связи между поверхностью волокна и матрицей.

Улучшение межфазного соединения: во время производства углеродные волокна подвергаются высокотемпературной карбонизации при температуре выше 1000 ℃, в результате чего получается гладкая поверхность без активных функциональных групп. Это приводит к инертности поверхности, плохой адгезии к полимерам и слабой межфазной связи, что напрямую влияет на межслойную прочность композиционного материала на сдвиг.

Повышение поверхностной активности: это позволяет эффективно передавать стрессовую нагрузку между углеродным волокном и материалом матрицы, тем самым увеличивая ценность волокнистого материала в промышленном применении.

Улучшение свойств волокна: сюда входит улучшение термостойкости и стойкости к окислению, чего можно достичь путем введения следовых количеств таких элементов, как P, B и Zn, на поверхность волокна или путем покрытия металлическими или неметаллическими слоями.

II. Анализ механизма модификации

1. Механизм физической модификации. Физическая модификация углеродных волокон в основном обеспечивает усиление межфазного слоя за счет увеличения шероховатости поверхности и удельной площади поверхности:

Увеличение шероховатости поверхности. Такие методы, как газофазное окисление и плазменная обработка, могут значительно повысить шероховатость поверхности углеродных волокон. «Обработка аргоновой плазмой при атмосферном давлении может увеличить содержание кислорода на поверхности углеродного волокна на 22,5%, уменьшить угол контакта с водой до 45,1° и сохранить прочность на разрыв на уровне 3,23 ГПа после 300 секунд обработки». Испытания АСМ показали, что шероховатость поверхности (Ra) увеличилась с 0,31 мкм до 0,47 мкм.

Травление и активация поверхности: электрохимическая оксидная обработка посредством «комбинированного процесса послойного окислительного травления и изменения функциональных групп» создает микропоры и канавки на поверхности углеродного волокна, увеличивая эффект механического сцепления.

Улучшение морфологии поверхности: «Плазменная обработка удаляет загрязнения посредством физической бомбардировки и вводит активные гидроксильные/карбоксильные группы, что значительно повышает прочность межслойного сдвига».

2. Механизм химической модификации.

Химическая модификация углеродных волокон в основном обеспечивает улучшение межфазной поверхности за счет введения активных функциональных групп:

Введение кислородсодержащих функциональных групп: жидкофазное окисление (с использованием концентрированной азотной кислоты, концентрированной серной кислоты, перекиси водорода и т. д. в качестве окислителей) и электрохимическое окисление позволяют значительно увеличить типы и количество кислородсодержащих функциональных групп (таких как гидроксильные и карбоксильные группы) на поверхности углеродного волокна. «Электролитическая потенциометрическая обработка позволяет увеличить содержание кислорода на поверхности углеродного волокна с 9,36% до 18,04%, уменьшить угол контакта с 90,2° до 62,4° и увеличить прочность на межламинарный сдвиг до 56%.

Образование химической связи: «DA или полидофамин (PDA) в основном обеспечивает химическую прививочную модификацию за счет реакции -NH₂ в молекуле с функциональными группами -C=O и -COO- на поверхности углеродного волокна посредством основной реакции Шиффа, образуя стабильные химические связи на поверхности углеродного волокна».

Реакция поверхностной прививки. Метод поверхностной прививки включает «помещение углеродного волокна в атмосферу активных мономеров, где под действием инициатора мономеры вступают в реакцию с активными группами или краевыми атомами углерода на волокне».

Специальный метод модификации: «В растворе NH₄HCO₃ поверхность волокна в основном подвергается электролитической реакции высвобождения кислорода из воды и реакции электрохимического окисления некоторых электроактивных веществ; содержание различных кислородсодержащих функциональных групп на поверхности волокна постоянно меняется с увеличением времени обработки, а реакция NH₄⁺ с функциональными группами на поверхности волокна приводит к появлению большого количества амидных групп на поверхности волокна». Модификация связующего агента: «Аминосилановый связующий агент (KH550) использовался для обработки поверхности углеродных волокон, образуя химически связанный интерфейсный слой.

После модификации: количество активных функциональных групп увеличилось: содержание O-C=O увеличилось на 95,24%, а содержание C=O увеличилось на 508,45%, образуя больше мест связывания смолы».

III. Комплексное выполнение эффектов модификации

После модификации полярность поверхности углеродных волокон значительно улучшилась, угол смачивания уменьшился, а смачиваемость улучшилась, тем самым эффективно улучшив межфазные свойства композиционного материала. «Технология модификации поверхности повышает поверхностную активность углеродных волокон, усиливает межфазные свойства между углеродными волокнами и материалом матрицы и улучшает их адгезию к матрице».

В практическом применении прочность на сдвиг на границе раздела между модифицированными углеродными волокнами и матрицей смолы значительно улучшилась. «IPSS DA-модифицированных углеродных волокон и эпоксидной смолы E51 увеличился до 65,32 МПа, что на 47,35% больше, чем у немодифицированных углеродных волокон».

В итоге,углеродное волокноМодификация эффективно улучшает межфазные свойства между углеродными волокнами и матрицей посредством как физических, так и химических механизмов, тем самым значительно улучшая общие характеристики композитного материала.

Semicorex предлагает высококачественныекомпозит из углеродного волокнапродукты. Если у вас есть какие-либо вопросы или вам нужна дополнительная информация, пожалуйста, не стесняйтесь обращаться к нам.

Контактный телефон +86-13567891907.

Электронная почта: sales@semicorex.com