陽極氧化處理對(duì)PAN基碳纖維性能的影響

錢 鑫，王雪飛，張永剛，支建海，曹阿民

(1.中國科學(xué)院 寧波材料技術(shù)與工程研究所 碳纖維制備技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，浙江 寧波 315201; 2. 中國科學(xué)院 上海有機(jī)化學(xué)研究所，上海 200032)

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陽極氧化處理對(duì)PAN基碳纖維性能的影響

錢 鑫1，王雪飛1，張永剛1，支建海1，曹阿民2

(1.中國科學(xué)院 寧波材料技術(shù)與工程研究所 碳纖維制備技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，浙江 寧波 315201; 2. 中國科學(xué)院 上海有機(jī)化學(xué)研究所，上海 200032)

利用陽極氧化技術(shù)對(duì)聚丙烯腈(PAN)基碳纖維表面進(jìn)行改性處理，研究了處理前后PAN基碳纖維表面潤濕性能及力學(xué)性能的變化，分析了陽極氧化處理時(shí)電流強(qiáng)度對(duì)PAN基碳纖維及其增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料性能的影響。結(jié)果表明：陽極氧化處理后，PAN基碳纖維的潤濕性提高，其中碳纖維與水、乙醇的接觸角分別由處理前的64.6°，50.9°降至處理后的24.6°，28.1°，其表面能由未處理的37.4 mN/m提高到處理后的83.3 mN/m，經(jīng)水洗干燥處理后，碳纖維潤濕性及表面能有所降低；陽極氧化過程中，隨著電流強(qiáng)度的提高，PAN基碳纖維的線密度及拉伸強(qiáng)度出現(xiàn)先升高后降低現(xiàn)象；陽極氧化處理后，碳纖維表面活性提高，碳纖維/環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度較未處理時(shí)的最大增幅達(dá)到86%；陽極氧化處理PAN基碳纖維的最佳電流強(qiáng)度為14 A。

聚丙烯腈基碳纖維 陽極氧化 潤濕性 復(fù)合材料 層間剪切強(qiáng)度

碳纖維具有質(zhì)輕、高比強(qiáng)度及模量、耐高溫、耐腐蝕、抗壓強(qiáng)度高及導(dǎo)電導(dǎo)熱性好等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛用作各種先進(jìn)復(fù)合材料的增強(qiáng)體[1-5]。經(jīng)高溫碳化制備的碳纖維表面具有較高惰性，需要對(duì)其進(jìn)行表面改性處理提高其表面活性，目前最為常用且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)配套的處理方法為陽極氧化處理，即在電解質(zhì)溶液中以碳纖維為陽極、石墨板為陰極，在通電狀態(tài)下對(duì)碳纖維表面進(jìn)行氧化處理。電解質(zhì)溶液種類較多，由于兼具對(duì)設(shè)備無損傷且后續(xù)干燥過程中易于氧化分解等優(yōu)點(diǎn)，銨鹽溶液特別是碳酸氫銨是最為常用的電解質(zhì)溶液。作者前期研究發(fā)現(xiàn)，在以銨鹽溶液為電解質(zhì)的碳纖維表面陽極氧化處理過程中，影響氧化反應(yīng)程度的關(guān)鍵因素是電解質(zhì)溶液pH值的高低[6]。陽極氧化處理過程中主要工藝參數(shù)包括電解質(zhì)溶液及濃度、電流強(qiáng)度及停留時(shí)間等[6-8]。結(jié)合工程化現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，作者分析了陽極氧化處理前后碳纖維表面潤濕性能的變化，在電解質(zhì)溶液及其他工藝參數(shù)相對(duì)穩(wěn)定的情況下，研究了電流強(qiáng)度對(duì)碳纖維及其復(fù)合材料性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料及試劑

聚丙烯腈(PAN)基碳纖維：規(guī)格6 K，實(shí)驗(yàn)室自制；WSR6101(E- 44)型環(huán)氧樹脂：藍(lán)星化工新材料股份有限公司無錫樹脂廠產(chǎn)；三乙烯四胺：分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)。

1.2 儀器

DCAT21動(dòng)態(tài)接觸角測(cè)量?jī)x及OCA20視頻光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x：德國dataphysics公司制造；5569A型及3366型萬能材料試驗(yàn)機(jī)：美國Instron公司制造。

1.3 PAN基碳纖維的陽極氧化處理

以PAN基碳纖維作為氧化陽極、石墨板作為陰極對(duì)PAN基碳纖維表面進(jìn)行連續(xù)陽極氧化處理，其中為了保證陽極氧化過程中纖維表面絲束氧化均勻性，沿纖維束運(yùn)行方向使用上下兩塊石墨板作為陰極。在陽極氧化過程中通過調(diào)整電流(分別為0,10,14,17,20 A)實(shí)現(xiàn)氧化過程的控制，陽極氧化處理后為了除去PAN基碳纖維表面殘留的電解質(zhì)溶液，需要經(jīng)過水洗，然后對(duì)PAN基碳纖維進(jìn)行干燥處理，干燥溫度為110 ℃。

1.4 碳纖維/環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的制備

將環(huán)氧樹脂與三乙烯四胺按質(zhì)量比10:1混合后，將混合溶液均勻涂覆在PAN基碳纖維的表面，在涂覆處理過程中盡量保證纖維兩面溶液均勻，隨后將其置于金屬模具內(nèi)在高溫120 ℃條件下固化2 h，最后將加工成型的復(fù)合材料取出，并進(jìn)行打磨處理除去多余固化物。

1.5 測(cè)試

1.5.1 PAN基碳纖維的表面能及浸潤性能

測(cè)試試樣電流強(qiáng)度為14 A，選取試樣的位置分別為高溫碳化處理出口、表面處理出口、水洗出口、干燥處理出口，其對(duì)應(yīng)的試樣名稱分別為HT，ST，WT，DT。其中在表面能測(cè)試時(shí)，選用DCAT21動(dòng)態(tài)接觸角測(cè)量?jī)x分別測(cè)試PAN基碳纖維單絲與水、乙醇兩種液體的動(dòng)態(tài)接觸角，再根據(jù)接觸角測(cè)試結(jié)果，選用OWRK法計(jì)算碳纖維表面能大小及分量；在浸潤性測(cè)試時(shí)，選用OCA視頻光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x，通過注射裝置將微量純水、上漿劑稀釋液滴至碳纖維表面，觀察液體的浸潤和鋪展?fàn)顩r，同時(shí)進(jìn)行視頻記錄。

1.5.2 PAN基碳纖維表面上漿率

采用丙酮回流法對(duì)碳纖維表面上漿率進(jìn)行測(cè)試。首先稱取質(zhì)量為3 g已上漿的PAN基碳纖維，然后在恒溫水浴溫度為80 ℃的條件下，使用索氏抽提器對(duì)碳纖維冷凝回流處理12 h后，將試樣取出，在110 ℃的真空干燥箱烘干，稱取處理后PAN基碳纖維質(zhì)量，其上漿率為處理前后的PAN基碳纖維的質(zhì)量之差與處理后的PAN基碳纖維的質(zhì)量之比的百分?jǐn)?shù)。

1.5.3 PAN基碳纖維及復(fù)合材料力學(xué)性能

使用5569A型萬能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)PAN基碳纖維的拉伸強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試前對(duì)PAN基碳纖維兩端做加強(qiáng)片處理；按照ASTM D2344試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，使用3366型萬能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度(ILSS)，加載速度2.0 mm/min，試樣尺寸20 mm×6 mm×2 mm，每個(gè)測(cè)試值為8個(gè)試樣的平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面潤濕性能

從表1可以看出：HT試樣與水溶液、乙醇溶液的接觸角分別高達(dá)64.6°，50.9°，說明經(jīng)高溫碳化處理制備的PAN基碳纖維表面具有極高的惰性，溶液對(duì)其表面難以浸潤，這與PAN基碳纖維表面惰性C元素富集，活性O(shè)，N等元素的逸出有關(guān)；ST試樣表面與水溶液及乙醇溶液的接觸角分別降至24.6°，28.1°，這表明陽極氧化處理可以顯著提高纖維的表面活性，提高溶液對(duì)PAN基碳纖維表面的浸潤性。

表1 陽極氧化處理前后試樣與水及乙醇的接觸角Tab.1 Contact angle between samples and water or ethanol before and after anodic oxidation

從表1還可以看出，與ST試樣相比，WT試樣以及DT試樣表面與水溶液及乙醇溶液的接觸角均出現(xiàn)了一定程度增大，尤其是經(jīng)過干燥處理后，PAN基碳纖維表面與水溶液的接觸角反而提高了75%，這是由于本實(shí)驗(yàn)中PAN基碳纖維水洗后的干燥方式為接觸式熱輥干燥，該干燥方式對(duì)PAN基碳纖維表面活性產(chǎn)生了負(fù)效應(yīng)，原因在于陽極氧化處理對(duì)碳纖維表面活性的改善僅僅為納米級(jí)，雖然處理后碳纖維表面可以引入—OH，—COOH等活性官能團(tuán)，但是在干燥過程中的接觸特別是在熱輥溫度下，這些活性官能團(tuán)極易發(fā)生失活現(xiàn)象，因此導(dǎo)致纖維表面活性降低，具體表現(xiàn)在纖維表面與溶液之間接觸角值上升。

2.2 表面能

從表2可以看出，HT試樣的總表面能較低，僅為37.4 mN/m，其中色散分量的比例占1/5左右。通過其浸潤視頻發(fā)現(xiàn)，高溫碳化處理后PAN碳纖維對(duì)水無法實(shí)現(xiàn)浸潤，而且隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，當(dāng)水珠在纖維表面滯留15min后仍然無法浸潤到纖維束內(nèi)。由于上漿劑的表面張力較低，所以在對(duì)上漿劑進(jìn)行稀釋處理后得到稀釋液可以在高溫碳化處理的碳纖維表面進(jìn)行鋪展，但浸潤鋪展速度也較慢。

表2 陽極氧化處理前后試樣的表面能Tab.2 Surface energy of samples before and after anodic oxidation

經(jīng)陽極氧化處理后，PAN基碳纖維的總表面能提高到83.3 mN/m，與高溫碳化后纖維表面能相比提高了123%，而且極性分量占98.7%，其主要原因在于以下兩個(gè)方面：一是由于陽極氧化處理后，PAN基碳纖維表面的極性官能團(tuán)增多，導(dǎo)致其表面能增大；二是因纖維表面對(duì)水的吸附能力增強(qiáng)，由于吸附水的存在從而導(dǎo)致極性分量占比大。經(jīng)過水洗處理后，PAN基碳纖維的總表面能雖然有所降低，但是仍然高達(dá)76.6 mN/m，且極性分量占98.8%。通過對(duì)陽極氧化處理及水洗后浸潤視頻發(fā)現(xiàn)，經(jīng)表面處理和水洗后的碳纖維可對(duì)水和上漿劑實(shí)現(xiàn)瞬間浸潤，說明處理后纖維束對(duì)水的吸附能力較強(qiáng)。該結(jié)果同時(shí)也表明當(dāng)纖維表面含有一定量的水分時(shí)有助于上漿劑的浸潤吸附。經(jīng)干燥處理后，PAN基碳纖維的表面能降至54.5 mN/m，雖然與高溫碳化處理后PAN基碳纖維的表面能相比，仍有一定幅度的提高，但其色散分量的占比稍高(接近1/4)，而較高的色散分量將不利于上漿劑與纖維表面的結(jié)合，而且通過碳纖維表面浸潤的視頻也可發(fā)現(xiàn)，雖然干燥后的PAN基碳纖維可以實(shí)現(xiàn)較快速度的浸潤，但其浸潤速度比表面處理及水洗處理試樣要慢。

2.3 電流強(qiáng)度與上漿率的關(guān)系

從表3可以看出：氧化處理時(shí)隨著電流強(qiáng)度的提高，PAN基碳纖維表面的上漿率逐漸降低。

表3 電流強(qiáng)度對(duì)試樣上漿率的影響Tab.3 Effect of current intensity on sizing percentage of samples

由于PAN基碳纖維表面上漿率與其表面潤濕性、毛絲狀態(tài)等綜合情況有關(guān)，在陽極氧化過程中隨著電流強(qiáng)度的提高，纖維表面的活性程度也逐漸提高，纖維的表面能增加明顯(見表2)，從而有利于上漿劑對(duì)纖維表面的浸潤。但本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示碳纖維表面的上漿率隨著電流強(qiáng)度提高而降低，其主要原因是氧化處理前PAN基碳纖維表面存在較多且分布不均勻的毛絲，毛絲吸附上漿劑后導(dǎo)致纖維表面上漿率過高；而陽極氧化處理后可以明顯發(fā)現(xiàn)成束毛絲漂浮或沉積在電解槽內(nèi)，說明氧化處理可以有效減少纖維表面毛絲，因此處理后PAN基碳纖維表面的上漿率反而有所下降。

2.4 纖維線密度及力學(xué)性能

從圖1可以看出，在氧化過程中當(dāng)電流從0增至10 A時(shí)，PAN基碳纖維的線密度下降趨勢(shì)明顯，降低了約3%；而當(dāng)電流強(qiáng)度繼續(xù)增加時(shí)，PAN基碳纖維的線密度也隨之增加。這是由于電流強(qiáng)度較低時(shí)，在氧化刻蝕作用下PAN基碳纖維的表面雜質(zhì)或碳化過程中形成的弱層可以去除[9]，從而導(dǎo)致纖維線密度出現(xiàn)下降，而當(dāng)電流強(qiáng)度繼續(xù)提高時(shí)，由于氧化刻蝕作用的增加，纖維表面結(jié)合氧含量逐漸提高，從而有利于纖維質(zhì)量的提高，但是由于陽極氧化處理為納米尺度的改性處理，因此當(dāng)電流強(qiáng)度為20A時(shí)，PAN基碳纖維的線密度相比氧化處理前僅僅提高了0.1%。

圖1 電流強(qiáng)度對(duì)碳纖維線密度的影響Fig.1 Effect of current intensity on linear density of carbon fiber

從圖2可以看出，氧化處理時(shí)隨著電流強(qiáng)度的提高，PAN基碳纖維的拉伸強(qiáng)度出現(xiàn)先升高后降低的現(xiàn)象。這是由于碳纖維屬于脆性材料，因此其拉伸強(qiáng)度易受各種缺陷結(jié)構(gòu)的影響，缺陷愈大，強(qiáng)度越低。按照缺陷位置不同，碳纖維的缺陷可以分為表面缺陷和內(nèi)部缺陷，其中表面缺陷約占90%，從而成為嚴(yán)重制約碳纖維拉伸強(qiáng)度的主要因素之一[10]。高溫碳化處理后，隨著非碳元素逸出，PAN基碳纖維表面易形成類似沉積物的雜質(zhì)，而該類雜質(zhì)的存在勢(shì)必會(huì)影響碳纖維的拉伸強(qiáng)度，而碳纖維經(jīng)過陽極氧化處理后，纖維表面缺陷可以有效去除，因此低電流強(qiáng)度的陽極氧化處理后，PAN基碳纖維的拉伸強(qiáng)度有所提高。與此同時(shí)，在陽極氧化處理過程中除了氧化作用，作為陽極的PAN基碳纖維在通電狀態(tài)下也會(huì)發(fā)生刻蝕，而且電流強(qiáng)度越高，刻蝕效果越明顯，隨著纖維表面雜質(zhì)的去除，增強(qiáng)的刻蝕作用易導(dǎo)致纖維表面產(chǎn)生空洞缺陷，從而破壞碳纖維的本體結(jié)構(gòu)，因此，當(dāng)電流強(qiáng)度較大時(shí)，PAN基碳纖維經(jīng)氧化處理后拉伸強(qiáng)度又出現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)。

圖2 電流強(qiáng)度對(duì)碳纖維拉伸強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of current intensity on tensile strength of carbon fiber

2.5 碳纖維/環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的ILSS

從圖4可以看出，陽極氧化處理PAN基碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的ILSS隨電流強(qiáng)度的增加出現(xiàn)一定幅度的提高，尤其是當(dāng)電流強(qiáng)度為17 A時(shí)，復(fù)合材料的ILSS由處理前的48.0 MPa提高到 89.3 MPa，提高了86%。

圖3 電流強(qiáng)度對(duì)復(fù)合材料ILSS的影響Fig.3 Effect of current intensity on ILSS of composite material

這種變化應(yīng)該與陽極氧化處理前后碳纖維的微觀物理化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著的變化有關(guān)。陽極氧化處理后復(fù)合材料ILSS的顯著提高是碳纖維表面微觀物理結(jié)構(gòu)與化學(xué)結(jié)構(gòu)調(diào)整變化影響的綜合體現(xiàn)[6]。氧化處理后，PAN基碳纖維表面的大石墨結(jié)晶逐漸被刻蝕為小結(jié)晶，從而使得碳纖維表面能提高，有利于樹脂基體對(duì)碳纖維表面的浸潤，而碳纖維表面雜質(zhì)的去除以及在氧化刻蝕作用下纖維表面粗糙度的提高，可以顯著提高碳纖維表面與樹脂基體的機(jī)械錨定力；與此同時(shí)，在氧化處理過程中，碳纖維表面發(fā)生連續(xù)氧化作用，大量含氧官能團(tuán)如—OH、—COOH、—CO等引入到碳纖維表面，從而有利于碳纖維表面與樹脂基體之間的化學(xué)鍵合作用。通過結(jié)合圖2與圖3中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選擇電流強(qiáng)度14 A為最佳值。

3 結(jié)論

a. 陽極氧化處理后，PAN基碳纖維表面的潤濕性提高，其中碳纖維與水溶液、乙醇溶液的接觸角分別由處理前的64.6°，50.9°降至處理后的24.6°，28.1°，而PAN基碳纖維的表面能總量也由處理前的37.4 mN/m提高到處理后的83.3 mN/m，然而經(jīng)過水洗干燥處理后，碳纖維表面潤濕性及表面能總量均有所降低。

b. 在陽極氧化過程中隨著電流強(qiáng)度的提高，PAN基碳纖維表面的上漿率逐漸降低，碳纖維的線密度及拉伸強(qiáng)度均呈現(xiàn)先升高后降低的現(xiàn)象。

c. 陽極氧化處理后，由于PAN基碳纖維表面微觀物理化學(xué)結(jié)構(gòu)變化，碳纖維/環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的ILSS顯著提高，最大增幅達(dá)到86%。

d. 陽極氧化處理PAN基碳纖維的最佳電流強(qiáng)度為14 A。

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?國內(nèi)外動(dòng)態(tài)?

臺(tái)化興業(yè)PTA改擴(kuò)建工程開工

臺(tái)化興業(yè)(寧波)公司1 500 kt/a精對(duì)苯二甲酸(PTA)改擴(kuò)建工程已于2015年12月底開工建設(shè)。該項(xiàng)目總投資約25億元，建成后可新增PTA生產(chǎn)能力1 500 kt/a 。該項(xiàng)目位于北侖霞浦臺(tái)塑工業(yè)園內(nèi)，生產(chǎn)工藝與第一條生產(chǎn)線相同，為臺(tái)化公司自有技術(shù)。建成后，臺(tái)化興業(yè)(寧波)公司的PTA總生產(chǎn)能力將達(dá)到2 100 kt/a。

(通訊員 錢伯章)

BP公司出售阿拉巴馬州PTA生產(chǎn)裝置

BP公司于2016年1月6日宣布，已同意向Indorama風(fēng)險(xiǎn)投資公司出售其在美國阿拉巴馬州迪凱特的芳烴聯(lián)合裝置。該聯(lián)合裝置可生產(chǎn)1 000 kt/a精對(duì)苯二甲酸(PTA)，以及對(duì)二甲苯。 Indorama風(fēng)險(xiǎn)投資公司在迪凱特經(jīng)營432 kt/a聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)裝置，并宣布計(jì)劃使該生產(chǎn)基地的PET生產(chǎn)能力增加一倍。BP公司的迪凱特生產(chǎn)基地也是世界上唯一的萘二甲酸乙二醇酯的商業(yè)化制造地，萘二甲酸乙二醇酯是聚萘二甲酸乙二醇酯和樹脂的中間體。根據(jù)協(xié)議的條款，Indorama風(fēng)險(xiǎn)投資公司將購買迪凱特聯(lián)合裝置，包括營運(yùn)資金及相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施，并承擔(dān)與供應(yīng)商和客戶的某些合約。預(yù)計(jì)交易將在2016年年初完成。

(通訊員 錢伯章)

2015年我國PTA生產(chǎn)能力約達(dá)47 000 kt/a

截至2015年底，國內(nèi)精對(duì)苯二甲酸(PTA)行業(yè)名義生產(chǎn)能力達(dá)到46 930 kt/a，超過下游聚酯46 580 kt/a的名義生產(chǎn)能力。預(yù)估2015年P(guān)TA行業(yè)表觀消費(fèi)量約32 000 kt，年均開工負(fù)荷為66%，PTA行業(yè)已經(jīng)階段性處于供需平衡狀態(tài)。

(通訊員 馬祥林)

2022年全球特種纖維市場(chǎng)規(guī)?；虺? 791億元

據(jù)國際市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)Reportbuyer.com發(fā)布的報(bào)告，2014年，全球特種纖維市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到112.6億美元，預(yù)計(jì)到2022年，隨著市場(chǎng)對(duì)輕型高強(qiáng)度復(fù)合材料需求不斷增長(zhǎng)，其市場(chǎng)規(guī)模值也將提高至282.5億美元(約合人民幣1 791.7億元)，期間年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到12.19%。

除了高強(qiáng)度與質(zhì)量輕等特點(diǎn)，特種纖維優(yōu)良的機(jī)械性能、耐用性和熱穩(wěn)定性是備受消費(fèi)者青睞的主要原因，包括交通運(yùn)輸、能源、航空航天、汽車和船舶等領(lǐng)域?qū)μ胤N纖維的需求將不斷增加。另外，光纖電纜需求增長(zhǎng)和電子工業(yè)不斷發(fā)展也將促進(jìn)特種纖維需求直線上升。

預(yù)計(jì)到2022年，玻璃纖維將成為特種纖維中最主要的產(chǎn)品。碳纖維在未來七年隨著汽車和航空航天領(lǐng)域的需求不斷增長(zhǎng)也將迎來快速發(fā)展。供應(yīng)商方面，比利時(shí)NVBekaertSA公司、建材巨頭圣戈班集團(tuán)、3M公司、ACM高級(jí)復(fù)合材料公司、Aerocell公司和奧爾巴尼國際將成為全球領(lǐng)先的特種纖維供應(yīng)商。

(通訊員 馬祥林)

新鄉(xiāng)化纖增建氨綸裝置

白鷺化纖集團(tuán)所屬的新鄉(xiāng)化纖公司計(jì)劃投資8.5億元用于投建氨綸項(xiàng)目二期工程。新鄉(xiāng)化纖氨綸項(xiàng)目分二期建設(shè)，一期20 kt/a項(xiàng)目已于2015年7月投產(chǎn)，二期預(yù)定于2016年12月完成，生產(chǎn)能力為20 kt/a，其產(chǎn)品全部為20 D超柔軟氨綸，可廣泛應(yīng)用在高檔服裝面料領(lǐng)域。

(通訊員 王德誠)

Effect of anodic oxidation on properties of PAN-based carbon fiber

Qian Xin1, Wang Xuefei1, Zhang Yonggang1, Zhi Jianhai1, Cao Amin2

(1.NationalEngineeringLaboratoryofCarbonFiberPreparationTechnology,NingboInstituteofMaterialTechnologyandEngineering,ChineseAcademyofSciences,Ningbo315201; 2.ShanghaiInstituteofOrganicChemistry,ChineseAcademyofSciences,Shanghai200032)

The surface modification of polyacrylonitrile(PAN)-based carbon fiber was conducted by anodic oxidation technique. The change in the surface wettability and mechanical properties of the PAN-based carbon fiber were studied before and after anodic oxidation. The effect of current intensity on the properties of PAN-based carbon fiber and its reinforced epoxy resin composite material was analyzed. The results showed that the wettability of the PAN-based carbon fiber was improved, the contact angles with water and ethanol were decreased from 64.6°and 50.9°to 24.6° and 28.1°, respectively, and the surface energy was increased from 37.4 mN/m to 83.3 mN/m after anodic oxidation; the wettability and surface energy of carbon fiber were both decreased after washing and drying; the linear density and tensile strength of PAN-based carbon fiber were increased and then decreased with the increase of current intensity during anodic oxidation; the surface activity of the carbon fiber was increased and the interlaminar shear strength of the epoxy resin-based carbon fiber composite material was maximumly increased by 86% after anodic oxidation; and the rational current intensity was 14 A for anodic oxidation of PAN-based carbon fiber.

polyacrylonitrile-based carbon fiber; anodic oxidation; wettability; composite material; interlaminar shear strength

2015- 07-13； 修改稿收到日期：2015-11-12。

錢鑫(1984—)，男，博士，主要從事聚丙烯腈基碳纖維結(jié)構(gòu)與性能的研究。E-mail：qx3023@nimte.ac.cn。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51503216)；寧波市自然基金項(xiàng)目(2015A610015)；國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011CB605602)。

TQ342+.742

A

1001- 0041(2016)01- 0001- 05