基于電泳沉積法的碳纖維表面改性研究及應(yīng)用進(jìn)展

張 超

(新疆隆炬新材料有限公司，新疆 烏魯木齊 830000)

碳纖維的物理性能非常高，屬于一種新興材料，由于其本身在實(shí)際應(yīng)用中所具有的一系列特性，因而被廣泛的應(yīng)用于航空、航天、運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)當(dāng)中[1],發(fā)揮出了極其重要的優(yōu)勢(shì)，為這些行業(yè)的進(jìn)步提供了強(qiáng)大的動(dòng)力。通過(guò)一定的方式方法，將碳纖維與環(huán)氧樹(shù)脂緊密的結(jié)合起來(lái)，可以形成擁有強(qiáng)大力學(xué)性能的復(fù)合材料。該材料強(qiáng)度高、質(zhì)量低，應(yīng)用于航空航天及軍事國(guó)防等領(lǐng)域，可以全面提高這些行業(yè)的發(fā)展水平。碳纖維與環(huán)氧樹(shù)脂的界面結(jié)合性，能對(duì)復(fù)合材料的最終性能產(chǎn)生決定性影響，因此有必要對(duì)其界面進(jìn)行改良，進(jìn)而使其性能得到有效保障。

環(huán)氧樹(shù)脂以及碳纖維包含諸多結(jié)構(gòu)，而界面是其重要的結(jié)構(gòu)之一。通過(guò)其界面的合理處理使其良好的結(jié)合起來(lái)，可以使得相關(guān)載荷得到更好的傳遞，有效改進(jìn)碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂的復(fù)合材料的力學(xué)性能[2-3]。然而，由于其實(shí)際制備特點(diǎn)，碳纖維的表面極性基團(tuán)數(shù)量相對(duì)較少，很難進(jìn)行一些化學(xué)反應(yīng)，有著非常強(qiáng)大的化學(xué)惰性。這種情況使得碳纖維與環(huán)氧樹(shù)脂之間的潤(rùn)濕性無(wú)法得到有效保障。進(jìn)而使其界面的結(jié)合力相對(duì)較低[4]。通過(guò)一定的方式方法對(duì)碳纖維的表面進(jìn)行有效處理可以使得碳纖維與環(huán)氧樹(shù)脂基體之間的粘接強(qiáng)度得到有效保障，將碳纖維的增強(qiáng)作用充分的發(fā)揮出來(lái)，進(jìn)而全面提高復(fù)合材料的應(yīng)有性能。經(jīng)過(guò)多年研究已經(jīng)發(fā)展出了多種方式對(duì)碳纖維的表面性質(zhì)進(jìn)行有效改良，比如，氧化法、表面涂層法等一系列方式[5-6]。這些方法的應(yīng)用雖然可以使得碳纖維與環(huán)氧樹(shù)脂之間界面的粘接性能進(jìn)一步提高，但是往往會(huì)在使用的過(guò)程當(dāng)中對(duì)碳纖維的拉伸強(qiáng)度產(chǎn)生一定的破壞，進(jìn)而使其力學(xué)性能大幅度下降。因此有必要探索出一種不會(huì)對(duì)碳纖維拉伸強(qiáng)度造成損害的改善其表面粘接性能的方式。最近幾年相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了大量的研究后發(fā)現(xiàn)，氧化石墨烯以及碳納米管作為碳納米材料的有效代表將其應(yīng)用于碳纖維的表面改性有著很大的可行性，因此成為了各國(guó)學(xué)者的研究重點(diǎn)所在。

1 碳纖維表面改性概述

相對(duì)于其他材料來(lái)說(shuō)，氧化石墨烯，以及碳納米管的比表面積非常龐大，且其表面還有數(shù)量極其龐大的極性基團(tuán)[7]。將其引入到碳纖維的表面當(dāng)中，不但可以使得碳纖維的比表面積得到大幅度增加，而且還能極大的提高碳纖維與環(huán)氧樹(shù)脂的接觸面積，進(jìn)而使其基體之間的機(jī)械連鎖作用進(jìn)一步加強(qiáng)。除此之外，通過(guò)極性基團(tuán)的大量加入，不但可以使得碳纖維的表面能得到大幅度增加，而且還可以使碳纖維與環(huán)氧樹(shù)脂基體之間的潤(rùn)濕性得到有效保障[8]。有學(xué)者經(jīng)過(guò)大量研究后發(fā)現(xiàn)，通過(guò)化學(xué)氣相沉積等方式可以將氧化石墨烯以及碳納米管等材料引入到碳纖維表面當(dāng)中對(duì)其表面性質(zhì)進(jìn)行有效改良。通過(guò)化學(xué)氣相沉積長(zhǎng)期發(fā)作用的正常發(fā)揮可以使得碳纖維的性能得到全面提高，但是該種方法在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程當(dāng)中需要投入的經(jīng)濟(jì)成本過(guò)大，很難將其應(yīng)用于工業(yè)的大規(guī)模生產(chǎn)當(dāng)中。為此本文推薦選擇電泳沉積法，該方法在使用中所需要投入的資金成本相對(duì)較低且生產(chǎn)效率非常高，可以有效減少對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境的污染，對(duì)于碳纖維表面改性工作而言有著非常重要的意義。

2 電泳沉積碳納米材料

2.1 電泳沉積CNT

CNT是一種新型納米材料，該材料在應(yīng)用的過(guò)程當(dāng)中有著非常優(yōu)異的性能，其本身的比面積較一般材料大得多且電化學(xué)性能非常良好[9]。通過(guò)一定的方式方法將CNT引入到碳纖維表面上可以使得碳纖維表面的粗糙度得到大幅度增加，通過(guò)這樣的方式可以使得碳纖維與環(huán)氧樹(shù)脂在結(jié)合的過(guò)程當(dāng)中，其表面的機(jī)械粘合能力全面加強(qiáng)。除此之外，經(jīng)過(guò)處理之后的CNT表面活性基團(tuán)數(shù)量較多，其在引入碳纖維之后可以使得碳纖維表面與環(huán)氧樹(shù)脂基體，通過(guò)共價(jià)鍵的方式緊密的結(jié)合起來(lái)使得一些應(yīng)力能夠更好的傳遞下去[10-11]。CNT沉積于碳纖維表面，有諸多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究。根據(jù)溶劑的區(qū)別可以將其進(jìn)一步分為兩大類型，分別是水溶劑以及醇溶劑。當(dāng)利用水作為溶劑，將CNT沉積于碳纖維表面時(shí)最終的效果并不是特別好，需往往需要增加一些化合物對(duì)其進(jìn)行輔助操作，只有這樣才能使得碳纖維的力學(xué)性能得到有效改良。為此，有學(xué)者利用電泳沉積的方式將CNT沉積到碳纖維上，然后利用丙酮溶液對(duì)CNT進(jìn)行氧化處理，最后利用混酸對(duì)碳纖維進(jìn)行酸化預(yù)處理[12]。當(dāng)利用水作為電泳液溶劑時(shí)，需要利用超聲的方式對(duì)其處理 7 min 后才可以進(jìn)行下一步的工作。當(dāng)利用丙酮進(jìn)行回流操作之后，碳纖維表面所覆蓋的聚合物將會(huì)消失不見(jiàn)。如果對(duì)碳纖維表面進(jìn)行細(xì)致觀察的話，可以查看到碳纖維的表面會(huì)出現(xiàn)一些溝槽，這時(shí)通過(guò)對(duì)沉積的具體時(shí)間進(jìn)行合理把控可以對(duì)CNT涂層的實(shí)際厚度進(jìn)行合理改變。經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，通過(guò)該方法的應(yīng)用可以使得碳纖維與環(huán)氧樹(shù)脂基層界面形成有效的過(guò)渡層，讓復(fù)合材料的殘余抗彎強(qiáng)度得到有效提高，使得復(fù)合材料的成品率大幅度增加，全面降低次品出現(xiàn)概率。值得注意的是，當(dāng)沉積時(shí)間超過(guò) 7 min 之后會(huì)由于團(tuán)聚效應(yīng)使得界面性能產(chǎn)生一定程度的惡化[13]。

當(dāng)利用醇作為溶劑時(shí)，將會(huì)使CNT沉積到碳纖維的表面當(dāng)中。通過(guò)一定的儀器設(shè)備對(duì)其觀察的話不難發(fā)現(xiàn)CNT的整體分布非常均勻，且其結(jié)構(gòu)處于十分規(guī)整的狀態(tài)當(dāng)中。由此不難發(fā)現(xiàn)，利用醇做溶劑對(duì)CNT進(jìn)行沉積可以全面提高復(fù)合材料的界面性能。有學(xué)者利用電泳沉積法將CNT沉積到碳纖維表面當(dāng)中，在沉積時(shí)所采用的電壓為 50 V，整體沉積時(shí)間為 15 min[14]。采用乙醇溶液作為電解液進(jìn)行電泳沉積操作。通過(guò)與乙醇作用的正常發(fā)揮可以讓CNT以均勻的姿態(tài)分散于碳纖維表面當(dāng)中，全面提高碳纖維表面CNT的層次感。經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，由于CNT的分布非常的均勻有序，因此不同分子的移動(dòng)速率非常的快?？梢钥焖俪练e到碳纖維表面當(dāng)中，全面提高復(fù)合材料的沉積強(qiáng)度。和未經(jīng)過(guò)有效處理的碳纖維相比來(lái)說(shuō)，處理之后的碳纖維抗拉伸強(qiáng)度提高了近1.4倍。

2.2 電泳沉積GO

GO屬于一種新型材料,質(zhì)量相對(duì)較輕且有著極大的拉伸強(qiáng)度，由此被廣泛的應(yīng)用于生物、航天等領(lǐng)域，成為了學(xué)者研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一。通過(guò)一定的方式方法將 GO沉積與碳纖維表面可以使得其與環(huán)氧樹(shù)脂基體的接觸面積大幅度提升，全面提高碳纖維與環(huán)氧樹(shù)脂基體的機(jī)械咬合力。除此之外，由于GO表面存在著大量的極性基團(tuán)，因此可以有效提高不同材料界面之間的強(qiáng)度。由于電泳沉積活動(dòng)在實(shí)際進(jìn)行的過(guò)程當(dāng)中用到的懸浮液差別較大，因此使得攜帶的電荷區(qū)別很大。根據(jù)碳纖維電極的區(qū)別，可以進(jìn)一步將該種沉積行為分為陰極電泳沉積GO以及陽(yáng)極電泳沉積GOu[15]。加入硝酸鎂、硝酸鈣等化合物配置出一些具有帶有正電荷的電解液使得沉積材料能夠攜帶有正電性，并且將其沉積到帶有負(fù)電荷的碳纖維表面當(dāng)中。有學(xué)者利用GO電泳沉積法在碳纖維表面制備出了一層膜，并且將其作為防腐蝕涂層。全面提高復(fù)合材料的抗腐蝕性，電泳沉積將通過(guò)氫氧化鈉等化合物配備出攜帶有負(fù)電荷的電溶液使得GO呈現(xiàn)出負(fù)電性，通過(guò)這樣的方式可以使其更好的沉積在攜帶有正電荷的碳纖維表面。有學(xué)者利用電化學(xué)氧化與陽(yáng)極電泳沉積結(jié)合的方式使得碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的力學(xué)性能得到充分加強(qiáng)，利用碳酸氫銨作為電解質(zhì)溶液對(duì)碳纖維進(jìn)行有效的電化學(xué)氧化處理并且加入氫氧化鈉溶液使得GO能夠攜帶有負(fù)電性。這時(shí)碳纖維作為正極，可以利用電泳沉積的方式對(duì)碳纖維表面進(jìn)行處理。相比而言，處理后的碳纖維表面更為粗糙且含有諸多活性較高的含氧官能團(tuán)。這時(shí)與GO表面氧化基團(tuán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)可以產(chǎn)生框架件，全面增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基體與碳纖維之間的界面結(jié)合性能，但復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度提升效果并不是十分明顯。

3 電泳沉積碳納米材料的應(yīng)用

3.1 電泳沉積CNT的應(yīng)用

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，有學(xué)者首次從CNT當(dāng)中檢測(cè)到場(chǎng)致發(fā)光，其響應(yīng)速度非常快，是傳統(tǒng)白熾發(fā)射器的10倍以上，由于其優(yōu)異性能可以用作制備高速CNT的必要原料。

第一，CNT-FET發(fā)射器。第1個(gè)CNT-FET發(fā)射器是在 S-SWCNT場(chǎng)效應(yīng)的雙極操作下產(chǎn)生的納米管結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)當(dāng)中富含兩種不同類型的載流子，分別是電子以及空穴。通過(guò)肖特基壁壘之后，可以將其注入到納米管結(jié)構(gòu)的襯底當(dāng)中。后續(xù)通過(guò)柵極電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)雙節(jié)操作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射體的EL測(cè)量活動(dòng)。經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)在載流子以及聲子散射活動(dòng)開(kāi)展時(shí)，載流子能量將會(huì)持續(xù)耗散，進(jìn)而使得 EL光譜的頻率不斷變低。在這樣的情況下實(shí)驗(yàn)人員可以通過(guò)改變其他參數(shù)來(lái)對(duì)長(zhǎng)溝道中的EL點(diǎn)位置進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，以頂部三級(jí)的聚合物代替過(guò)去，常常使用的三級(jí)氧化物可以使得外部量子效率以及EL光譜得到明顯變化，全面提高其實(shí)際使用性能。

第二，CNT p-n二極管發(fā)射器。對(duì)于CNTEL納米發(fā)射器來(lái)說(shuō)，為了提高其性能為其加入了p-n二極管結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可以通過(guò)施加反向的偏壓使得三氧化二鋁覆蓋到 S-SWCNT不同區(qū)域的頂級(jí)店頂山電極上，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)靜電摻雜產(chǎn)生不同結(jié)構(gòu)的二極管結(jié)構(gòu)。和FET結(jié)構(gòu)相比，該結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程當(dāng)中可以顯著降低能量的消耗，其閾值電流幾乎處于0的狀態(tài)當(dāng)中。

2.2 電泳沉積GO的應(yīng)用

電泳沉積GO復(fù)合材料主要被人們應(yīng)用于超級(jí)電容器以及鋰離子電池當(dāng)中，將電泳沉積的GO作為電池主要有以下幾項(xiàng)優(yōu)勢(shì)：首先，GO的導(dǎo)電性非常好且具有多孔結(jié)構(gòu)，可以讓電解質(zhì)離子很好的穿透GO的空隙[16]。除此之外，GO與RGO的平面處于對(duì)齊狀態(tài)，與碳黑等間隔物結(jié)合起來(lái)進(jìn)行有效使用可以有效增加比表面積，全面提高層間的電導(dǎo)率，改善電池的表面積。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外通過(guò)電泳沉積法對(duì)碳纖維表面沉積碳納米管(CNT)以及氧化石墨烯(GO)的改性進(jìn)行了分析。由于種種因素的影響，電泳沉積CNT改性碳纖維還存在著一些不足。為此文章對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)分析，并且深入探討優(yōu)化電泳沉積參數(shù)。在今后應(yīng)當(dāng)對(duì)GO與CNT的機(jī)理進(jìn)行更加深入的分析，將電泳技術(shù)更多地應(yīng)用到復(fù)合材料當(dāng)中，進(jìn)而改善碳纖維的復(fù)合材料的力學(xué)性能。