2 碳纖維表面改性

碳纖維與聚合物基體之間的界面粘附力在控制復合材料的整體性能方面起著至關重要的作用。眾所周知，強大的界面附著力增加了復合材料的結構完整性，并有效地將應力從纖維傳遞到基體。然而，碳纖維表面的光滑和惰性特性通常會導致纖維與基體之間的潤濕性較差和粘附力，這阻礙了碳纖維及其復合材料的優勢。為了解決這一問題，對碳纖維的表面處理進行了***的研究，如等離子處理、濕化學氧化、電化學氧化和聚合、氣相氧化,使用納米材料或化學接枝進行表面修飾等，有助于提高纖維與基體之間的潤濕性、化學鍵合性和機械互鎖性，形成過渡層，促進應力均勻傳遞，緩解應力集中，從而具有優異的性能，滿足某些科學領域的綜合要求。

2.1等離子體處理

等離子處理具有操作簡單、效率高、無污染等優點，是一種表面改性方法，利用足夠高能量的等離子體沖擊CF表面，導致表面化學鍵斷裂和重組，以達到CF與樹脂之間良好的附著力。Zhang等發現等離子體處理時間和聚合條件對接枝率有明顯影響，尤其是90s等離子體處理時間和6g/L接枝濃度。傅里葉變換紅外光譜顯示，馬來酸酐消失，MAH接枝在碳纖維上，吸光度為1800cm-1.等離子體處理明顯提高了碳纖維的表面能，隨著接枝處理的增加，碳單鍵酸濃度降低，而活化基團濃度增加。碳纖維/環氧樹脂的IFSS隨著處理方法的改變而增加，尤其是等離子接枝處理。同時，表明界面粘附力的增加主要是由于表面活化基團的增加。此外，與等離子體處理相比，等離子接枝處理的碳纖維性能有合理的改善。Yuan等通過對碳纖維表面微波進行輻照改性，這是一種簡單、快速和有效的方法。在處理過程中，通過激發碳纖維產生高反應性的微等離子體，從而在碳纖維表面引入大量的含氧基團。檢測出的氮元素來自碳纖維塊體的氮雜環，富含碳纖維表皮層。微等離子體的氧化和單層GO的剝落極大地改變了處理后的碳纖維的表面形貌，導致表面粗糙度增加。處理后的碳纖維表面化學和物理性質的變化有利于增強碳纖維與環氧樹脂基體之間的界面鍵。

2.2氧化處理

主要的氧化處理是通過氣相、液相和電化學技術對CF表面進行剝離、粗糙化和活化，可顯著提高CF表面的活性官能團和粗糙度。然而，與施膠表面改性相比，纖維的內在強度往往會因不溫和的氧化條件而受損。Jiang等通過電化學氧化結合電泳沉積技術對碳纖維(CF)進行表面改性。氧化石墨烯(GO)沉積在電化學氧化的CF表面，提高了碳纖維增強環氧復合材料的力學性能。電泳沉積技術對CF進行電化學氧化處理后，表面粗糙度和潤濕性均有所提高，被證明是一種可行的方法。結果表明，GO涂層分布均勻，GO通過共價附著牢固地涂覆在CF表面。此外，力學性能試驗結果表明，復合材料的層間剪切強度和抗壓強度分別提高了59.4%和12.8%。所提出的連續制造工藝不涉及較長的加工時間或復雜的化學反應，為制備多尺度GO/CF增強材料提供了一種潛在的行業兼容方法。

2.3施膠涂層改性

施膠/涂層改性是通過施膠或浸漬形成CF和樹脂之間具有良好相容性的涂層。這種纖維表面涂層可以賦予CF表面對不同基體的特定性能，具有設計靈活性高、成本低、實施性好等優點。

He等開發了一種簡單的涂層工藝，即將碳纖維浸入酚醛樹脂(NR)中，在其表面涂上NR層。通過測量ILSS測試了NR尺寸對碳纖維界面性能的影響，并采用短梁剪切試驗進行了測量。在比較好條件下，粘接強度顯著提高。Liu通過真空成型工藝獲得CFRP,并將MWCNT引入CF表面，構成CF-MWCNT多尺度增強材料。酸化后的MWCNT與含極性含氧官能團附著在CF表面，可以增強CF與樹脂基體的相容性，從而改善界面化學鍵合。此外，MWCNT附著在CF表面并構建了活性納米級粗糙表面，增強了界面機械結合。通過施膠處理，改性復合材料的強度均高于未改性復合材料。

2.4化學接枝

化學接枝改性主要是在CF表面產生所需的活性官能團，繼續與小分子或大分子反應，從而將更多的活性官能團接枝到CF表面，以提高界面強度。該方法可選擇性地將各種小分子、聚合物和納米材料接枝在CF表面。Tang等為了提高碳纖維/環氧樹脂復合材料的界面附著力，將支鏈聚乙烯亞胺(PEI)嫁接到經過混合酸處理的CF上，并優化了工藝時間。結果表明，低分子量PEI修飾的CFs優于高分子量PEI修飾的CFs。PEI修飾CFs的IFSS在低功能化程度下比較高可達107.2±14.3MPa,而未修飾CFs的IFSS為78.1±11.6MPa。PEI鏈上活性胺基團的支化結構和高密度是提高界面強度的原因。

（未完待續）

來源：紡織科學與工程學報，四川大學輕工科學與工程學院，四川環龍技術織物有限公司，邁愛德編輯整理