Модифікація вуглецевого волокна

I. Призначення модифікації вуглецевого волокна

Покращення сумісності міжвуглецеве волокноі матриця: покращення механічних властивостей композитних матеріалів і посилення механічного зчеплення, фізичної адгезії та хімічного зв’язку між поверхнею волокна та матрицею.

Покращення міжфазного зв’язку: під час виробництва вуглецеві волокна проходять обробку високотемпературної карбонізації вище 1000 ℃, що призводить до гладкої поверхні без активних функціональних груп. Це призводить до інертності поверхні, поганої адгезії до полімерів і слабкого міжфазного зв’язку, що безпосередньо впливає на міжшарову міцність на зсув композитного матеріалу.

Підвищення активності поверхні: це дозволяє ефективно передавати навантаження між вуглецевим волокном і матеріалом матриці, тим самим підвищуючи цінність волокнистого матеріалу в промислових застосуваннях.

Покращення властивостей волокна: це включає покращення термостійкості та стійкості до окислення, чого можна досягти шляхом введення слідових кількостей таких елементів, як P, B та Zn, на поверхню волокна або шляхом покриття металевими чи неметалевими шарами.

II. Аналіз механізму модифікації

1. Механізм фізичної модифікації: фізична модифікація вуглецевих волокон головним чином досягає міжфазного зміцнення шляхом збільшення шорсткості поверхні та питомої площі поверхні:

Збільшення шорсткості поверхні: такі методи, як окислення в газовій фазі та плазмова обробка, можуть значно збільшити шорсткість поверхні вуглецевих волокон. «Обробка аргоновою плазмою при атмосферному тиску може збільшити вміст кисню на поверхні вуглецевого волокна на 22,5%, зменшити кут контакту з водою до 45,1° і підтримувати міцність на розрив на рівні 3,23 ГПа після 300 секунд обробки». Тестування АСМ показало, що шорсткість поверхні (Ra) збільшилася з 0,31 мкм до 0,47 мкм.

Травлення та активація поверхні: обробка електрохімічним окисленням за допомогою «комбінованого процесу пошарового травлення окислення та зміни функціональних груп» створює мікропори та канавки на поверхні вуглецевого волокна, посилюючи ефект механічного зчеплення.

Покращення морфології поверхні: «Плазмова обробка видаляє забруднювачі через фізичне бомбардування та вводить гідроксильні/карбоксильні активні групи, значно покращуючи міжшарову міцність на зсув».

2. Механізм хімічної модифікації

Хімічна модифікація вуглецевих волокон головним чином забезпечує покращення міжфазної поверхні шляхом введення активних функціональних груп:

Введення кисневмісних функціональних груп: рідкофазне окислення (з використанням концентрованої азотної кислоти, концентрованої сірчаної кислоти, перекису водню тощо як окислювачів) та електрохімічне окислення може значно збільшити типи та кількість кисневмісних функціональних груп (таких як гідроксильні та карбоксильні групи) на поверхні вуглецевого волокна. «Електролітична потенціометрична обробка може підвищити вміст кисню на поверхні вуглецевого волокна з 9,36% до 18,04%, зменшити контактний кут з 90,2° до 62,4° і збільшити міжшарову міцність на зсув до 56%».

Утворення хімічного зв’язку: «DA або полідофамін (PDA) в основному досягає хімічної модифікації прищеплення шляхом взаємодії -NH₂ в молекулі з функціональними групами -C=O і -COO- на поверхні вуглецевого волокна за допомогою базової реакції Шиффа, утворюючи стабільні хімічні зв’язки на поверхні вуглецевого волокна».

Реакція поверхневого прищеплення: метод поверхневого прищеплення передбачає «розміщення вуглецевого волокна в атмосфері активних мономерів, де під дією ініціатора мономери реагують з активними групами або крайовими атомами вуглецю на волокні».

Спеціальний метод модифікації: «У розчині NH₄HCO3 поверхня волокна в основному піддається електролітичній реакції виділення кисню з води та реакції електрохімічного окислення деяких електроактивних речовин; вміст різних кисневмісних функціональних груп на поверхні волокна постійно змінюється з подовженням часу обробки, а реакція NH₄⁺ з функціональними групами на поверхні волокна вводить велику кількість амідних груп у волокниста поверхня». Модифікація зв'язуючого агента: "Аміносилановий зв'язуючий агент (KH550) використовувався для обробки поверхні вуглецевих волокон, утворюючи хімічно зв'язаний міжфазний шар.

Після модифікації: кількість активних функціональних груп зросла: вміст O-C=O збільшився на 95,24%, а вміст C=O зріс на 508,45%, утворюючи більше місць зв’язування смоли».

III. Комплексне виконання ефектів модифікації

Після модифікації полярність поверхні вуглецевих волокон значно покращилася, кут контакту зменшився, а змочуваність підвищилася, тим самим ефективно покращивши міжфазні властивості композитного матеріалу. «Технологія модифікації поверхні покращує поверхневу активність вуглецевих волокон, зміцнює межфазні властивості між вуглецевими волокнами та матеріалом матриці та покращує їх адгезію до матриці».

У практичних застосуваннях міжфазна міцність на зсув між модифікованими вуглецевими волокнами та смоляною матрицею значно покращилася. «IFSS вуглецевих волокон, модифікованих DA, і епоксидної смоли E51 збільшився до 65,32 МПа, що на 47,35% більше, ніж у немодифікованих вуглецевих волокон».

Таким чином,вуглецеве волокноМодифікація ефективно покращує межфазні властивості між вуглецевими волокнами та матрицею за допомогою як фізичних, так і хімічних механізмів, тим самим значно покращуючи загальні характеристики композитного матеріалу.

Semicorex пропонує високу якістькомпозит з вуглецевого волокнапродуктів. Якщо у вас є запитання або вам потрібна додаткова інформація, будь ласка, не соромтеся зв’язатися з нами.

Контактний телефон +86-13567891907

Електронна адреса: sales@semicorex.com