聚丙烯腈基高模量碳纖維的表面處理.pdf

1、本文首先采用電化學(xué)氧化法量化對比研究了PAN基高模量碳纖維和中模量碳纖維的陽極氧化行為。采用X射線光電子衍射能譜、原子力顯微鏡、視頻接觸角測量儀、拉曼光譜等表征手段分析了兩種纖維電化學(xué)氧化前后的表面性能和碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的界面性能。結(jié)果顯示，在電化學(xué)氧化過程中，高模量碳纖維表面的含氧官能團增加緩慢，而中模量碳纖維表面的含氧官能團在低電荷密度條件下很快就達到飽和。說明石墨化程度高、表面活性低的高模量碳纖維比中模量碳纖維難氧化。隨著

2、氧化的繼續(xù)，表面碳原子被刻蝕，纖維變細。根據(jù)氧化過程中纖維半徑的變化建立了“均勻減薄”氧化動力學(xué)模型，通過模型計算發(fā)現(xiàn)高模量碳纖維的氧化難度是中模量碳纖維的6倍。要使高模量碳纖維和中模量碳纖維達到相同的表面潤濕性，所需的電荷密度也為中模量碳纖維的6倍。原子力顯微鏡測試表明高模量碳纖維的表面粗糙度比中模量碳纖維的表面粗糙度大，電化學(xué)氧化過程中的變化趨勢也有差異。利用拉曼光譜可以表征纖維與環(huán)氧樹脂微滴之間的界面結(jié)合情況，發(fā)現(xiàn)高模量碳纖維經(jīng)1

3、.44C/cm2的電荷密度處理后與環(huán)氧樹脂的界面剪切強度提高了160％。中模量碳纖維經(jīng)0.36C/cm2的電荷密度處理后與環(huán)氧樹脂的界面剪切強度提高了70%。
　　 由于在電化學(xué)氧化過程中會伴隨少量的強度損失，因此希望通過在纖維表面接枝一層聚合物來彌補氧化對纖維表面造成的缺陷，提高單絲強度進而提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。
　　 本文以高模量碳纖維為陽極，在硫酸電解質(zhì)的存在下，使馬來酸和衣康酸單體在纖維表面發(fā)生共聚反應(yīng)。在此過

4、程中，同時伴隨著碳纖維的電化學(xué)氧化，使纖維表面的含氧官能團增多，利用含氧官能團產(chǎn)生的自由基引發(fā)聚合反應(yīng)。傅里葉紅外測試表明聚合物表面存在羧基，進一步提高了纖維表面的含氧官能團。用丙酮在索氏抽提器中提取120h后聚合物的厚度及聚合物的結(jié)構(gòu)并未發(fā)生變化，說明纖維與聚合物之間是牢固的化學(xué)鍵合而非簡單的沉積。在電聚合過程中，聚合物先在纖維表面含有含氧官能團的位置形成晶核，然后隨著晶核的增長，在纖維表面逐漸形成一層均勻的聚合物。且隨著聚合時間的增