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碳纖維等離子體處理

文章出處：等離子清洗機廠家 | 深圳納恩科技有限公司| 發表時間：2025-09-26

當前已經廣泛采用碳纖維表面改性技術提升復合材料的界面剪切強度,基于此類技術可以提升樹脂和碳纖維間的界面粘結能力,有助于改善材料的力學性能。碳纖維表面處理的作用體現在多個方面,包括提高纖維比表面積、清除表面雜質等。隨著對改性技術研究的深入,市場中已經有多種碳纖維表面處理方法,具體可以劃分為兩大類,分別是物理法、化學法,二者可以進一步細分為不同的方法,其中前者主要有熱處理涂層法等,此類方法主要對比表面積以及粗糙度進行合理調節,由此增強了樹脂、碳纖維的界面結合力。后者在原理上主要是采用增加碳纖維表面化學官能團的方式,使用較多的方法有化學接枝法改性、等離子改性、碳纖維表面金屬化改性等。

碳纖維等離子體處理

碳纖維的等離子體處理是指放電、高頻電磁振蕩以及沖擊波等方法使空氣、氧氣、惰性氣體等產生等離子體,對碳纖維表面進行處理使其表面進行功能化的過程。它具有操作簡單、環境友好、使用氣體廣泛、對材料本身損傷小的優點。而且反應僅在材料表面發生,而不會明顯改變材料本身的力學性能,因此成為一種高效的碳纖維改性方法。根據所用氣體性質的不同,等離子體處理可以在碳纖維表面產生自由基、離子和亞穩態物質,從而引起蝕刻、交聯和化學改性。從氫等離子體處理和氧等離子體處理對碳纖維表面碳鍵類型及粗糙度的影響對比中可知,隨著氧氣流速的增加(0-50sccm),碳纖維表面sp2鍵含量從57%下降到41.6%,說明sp2鍵分解并轉化成C-O或C=O鍵。而285.6cm-1處的C-C(sp3)鍵消失并在285cm-1處產生sp3鍵,表明通過氧等離子體處理除去了氫化碳。隨著氫氣流速的增加(0-50sccm),碳纖維表面C-C(sp3)鍵含量由未改性碳纖維時的28%上升到41.3%,碳纖維表面粗糙度從3.39nm提高到5.57nm,提高64%。而氧等離子體處理的碳纖維表面粗糙度從3.39nm提高到295nm,提高了87倍。這說明相對于氫等離子體處理,氧等離子體處理體現出更強的蝕刻能力。碳纖維表面的形態和粗糙度會發生明顯變化,纖維表面呈現出更深的槽和脊,粗糙度增加。此外,FTIR和XPS分析發現COOH、C-O、C=O和C-OH等含氧官能團成功接枝到碳纖維表面。而這些親水性官能團的存在以及粗糙度的增加提高了碳纖維的潤濕性,并改善了纖維與基體的界面結合。經氧或空氣等離子體處理后碳纖維表面會產生羧基和羥基,它們能夠與環氧基團反應,因此有利于提高碳纖維與環氧樹脂基體的界面結合,但是氧或空氣等離子體處理一定程度上會降低碳纖維本身的強度。

氮或氨氣等離子體處理對碳纖維強度的影響幾乎可以忽略,且在碳纖維表面形成的含氮功能化官能團能夠與環氧樹脂反應,從而提高纖維與基體的界面結合。氮氣等離子體處理后,碳纖維直徑和強度幾乎無變化,而纖維與環氧樹脂之間的界面結合顯著提高,其界面剪切強度增加。碳纖維進行低壓氨氣等離子體處理,處理前后碳纖維的表面形態和粗糙度并未有明顯差異(如圖1),但碳纖維表面含氮官能團含量和表面能均顯著提高。但是經等離子體改性后,CF/EP復合材料的界面斷裂韌性提高不明顯,所以,低壓氨氣等離子體處理對纖維與環氧基體的界面結合提高不明顯。

圖1 不同等離子體處理時間碳纖維的AFM圖

根據等離子體的粒子溫度,通常將等離子體改性劃分為兩大類,分別是低溫、高溫等離子改性,而前者在碳材料表面改性方面得到了較多的應用。低溫等離子體的能量較小,且其形成不依賴于特定的壓力條件,采用等溫等離子體即可將材料表面有機大分子鏈斷裂,而基體性能仍然保持較高的穩定性。通過等溫等離子體處理之后改變了材料表面的基本特性,可能會形成富氧極性基團或者交聯層,從而改善材料的光電性能以及親水性等特性。除此之外,等離子處理的優勢還體現在效率高、成本低、安全環保等方面,因此已經成為材料改性的重要手段。