氧化改性對(duì)碳纖維結(jié)構(gòu)及性能影響的研究

李素敏（南德認(rèn)證檢測（中國）有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518052）

張新立（深圳天祥質(zhì)量技術(shù)服務(wù)有限公司，廣東 深圳 518067）

碳纖維具有優(yōu)良的力學(xué)性能，是應(yīng)用最為廣泛的高性能增強(qiáng)纖維之一，然而，碳纖維表面呈化學(xué)惰性，活性官能團(tuán)少，表面能低，與樹脂復(fù)合時(shí)界面粘結(jié)性較差，在一定程度上制約了碳纖維高性能的發(fā)揮[1,2]。氧化處理是改善碳纖維表面特性的一個(gè)重要途徑。一般認(rèn)為，氧化處理可以提高纖維表面化學(xué)活性、增加纖維表面積及表面粗糙度[3,4]。液相氧化法較為溫和，不易使纖維產(chǎn)生過渡的刻蝕和裂解，且對(duì)引入活性官能團(tuán)非常有效[5]。

本文采用聚丙烯腈基碳纖維為原料，通過液相氧化法對(duì)碳纖維進(jìn)行活化處理，考察實(shí)驗(yàn)條件對(duì)碳纖維微觀形貌、表面特性、力學(xué)強(qiáng)度等的影響，以優(yōu)化工藝條件。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

PAN基碳纖維，T300-3K；濃HNO3，乙醇，丙酮均為分析純。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

將經(jīng)丙酮和乙醇除膠后的碳纖維用去離子水超聲清洗30min，浸入濃HNO3中，加熱至80-110℃，對(duì)碳纖維處理2h；之后，將碳纖維用去離子水洗至中性，于80℃干燥10h，冷卻，待用。

1.3 測試及表征

采用JSM-7001F型熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察碳纖維表面結(jié)構(gòu)及形貌。采用XQ-1A型纖維強(qiáng)伸度儀測試碳纖維拉伸強(qiáng)度。采用F-Sorb 3400型比表面積及孔徑分析測試儀對(duì)碳纖維比表面積進(jìn)行測定。采用Boehm滴定法測定碳纖維表面酸性官能團(tuán)[6]。

2 結(jié)果與討論

2.1 氧化對(duì)碳纖維表面形貌的影響

圖1為除膠后碳纖維表面形貌圖。由圖可見，纖維表面分布著溝槽和裂紋，溝槽利于增大纖維表面積，但對(duì)纖維強(qiáng)度極為不利。由于制備及加工過程中的某些原因，碳纖維一般總含有許多裂縫和缺陷，表面裂縫和缺陷是導(dǎo)致碳纖維實(shí)際強(qiáng)度遠(yuǎn)低于理論強(qiáng)度的主要原因。

圖1 活化前碳纖維的SEM圖

圖2110 °C濃HNO3氧化2h后碳纖維的SEM圖

圖2為碳纖維在濃HNO3中于110℃條件下處理2h的SEM圖。由圖可見，在濃HNO3中處理后，碳纖維表面裂縫和缺陷并未消除，表面形貌未見明顯變化，這與液相氧化法比較溫和的特點(diǎn)相符，不會(huì)造成碳纖維過渡刻蝕和裂解。

2.2 氧化對(duì)碳纖維拉伸強(qiáng)度的影響

圖3反映了氧化溫度對(duì)碳纖維拉伸強(qiáng)度的影響，除膠后碳纖維的拉伸強(qiáng)度為2.7GPa。當(dāng)采用濃HNO3氧化處理時(shí)，隨處理溫度升高，碳纖維拉伸強(qiáng)度呈下降趨勢，原因在于濃HNO3氧化處理不僅沒有消除纖維表面缺陷，濃HNO3的刻蝕反而使纖維表面缺陷增多，導(dǎo)致纖維強(qiáng)度降低。

圖3 氧化溫度對(duì)碳纖維拉伸強(qiáng)度的影響

圖4 氧化溫度對(duì)碳纖維比表面積的影響

2.3 氧化對(duì)碳纖維比表面積的影響

圖4反映了氧化溫度對(duì)碳纖維比表面積的影響，除膠后碳纖維比表面積為0.72 m2·g-1。由圖可見，氧化處理使碳纖維比表面積增大。隨著濃HNO3氧化處理溫度升高，碳纖維比表面積明顯增大，當(dāng)處理溫度為110℃時(shí)，纖維比表面積由0.72 m2·g-1增大至6.2 m2·g-1。碳纖維比表面積大幅提高，對(duì)于提高纖維與基體間的界面結(jié)合非常有利。

2.4 氧化對(duì)碳纖維表面官能團(tuán)的影響

表1為濃HNO3氧化后碳纖維表面總酸度的測試結(jié)果?？梢?，碳纖維表面酸度隨熱處理溫度升高而增大，當(dāng)處理溫度為110℃時(shí)，總酸度由0.079 mmol/g增加至5.38mmol/g。活性官能團(tuán)有助于提高碳纖維對(duì)基體的浸潤性，從而提高比表面積的利用率。

表1 氧化對(duì)碳纖維表面酸度的影響

3 結(jié)語

本文采用濃HNO3對(duì)碳纖維進(jìn)行氧化改性，考察了氧化溫度對(duì)碳纖維結(jié)構(gòu)及性能的影響，隨濃HNO3氧化溫度升高，碳纖維拉伸強(qiáng)度呈下降趨勢，碳纖維比表面積明顯增大，總酸度大幅增大，氧化處理優(yōu)化了碳纖維表面特性。

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