碳纖維表面處理技術探討

李克亮，李國香，劉鐵柱

1.吉林石化公司碳纖維廠，吉林吉林 132000 2.吉林石化公司有機合成廠，吉林吉林 132000

碳纖維表面處理技術探討

李克亮1，李國香2，劉鐵柱1

1.吉林石化公司碳纖維廠，吉林吉林 132000 2.吉林石化公司有機合成廠，吉林吉林 132000

隨著科技的進步與新材料的出現，碳纖維制成的復合材料在眾多領域廣泛的應用，但是這種材料的處理方法到底有哪些呢？目前常見的碳纖維表面處理方法是液相氧化+陽極氧化的復合表面處理法，它的具體方式是干燥浸漬于熱塑性聚氨脂樹脂中的經過加捻再加捻的碳纖維，制成碳纖維復合材料。然后與未進行表面處理的碳纖維進行對比研究，得出這種方法的使用能夠減少碳纖維制品的表面的缺陷和不足，擴大了碳纖維功能的使用。現本文就對碳纖維表面處理技術進行探討，并介紹碳纖維所具有的特點和常用的表面處理方法。

碳纖維；表面處理；機械強度

所謂碳纖維，就是指呈現出纖維形狀的碳材料，這是一種新型材料，具有一定的性能特點。主要表現在碳纖維材料的密度相對較低，但強度較高，且具有很強的耐腐蝕性，模量也比較高。現如今，碳纖維已經被廣泛運用在航天、交通、醫療、體育和紡織業等領域。因其既具有碳原料本身的堅固的特征，還具有纖維材料柔軟的特性，它利于加工，是新時期適合人類使用的新材料。碳纖維材料的使用促進了碳纖維產業的發展，還能夠提高國民經濟整體素質，且有利于我國調整產業結構和更新換代傳統的材料。

1 碳纖維及碳纖維復合材料概述

碳纖維顧名思義就是以碳元素為主，其他元素為輔構成的復合材料，其中常見的有氮元素、氫元素、氧元素等。也正因如此，碳纖維表面會存在凹凸不平、雜質多、縫隙等缺陷，這不僅影響著材料的表面平整性，還對復合材料的質量構成一定的影響。因此，碳纖維材料在使用之前必須要進行表面處理，因為一旦沒有合理的進行表面處理，那么碳纖維的樹枝粘合度在受到影響的同時，還能給材料整體性帶來影響。

與石墨結構相比較，碳纖維表面惰性非常明顯，不利于同其他元素發生化學反應，這樣就更容易同樹脂浸潤，使碳纖維表面的粘結性交叉，GERP粘度低，這樣一來，碳纖維材料的結構強度較大這一優勢就無法表現體現出來。一般來講，碳纖維復合材料自身的強度會隨著樹脂的強度變化而不斷變化，兩者呈現正相關性，因為在對碳纖維表面進行相應處理的時候，我們必須要將其與樹脂粘合度進行處理，使碳纖維更加充分的發揮力學性質，這也是目前業界研究和關注的一個重點問題。

2 實驗分析

2.1 實驗思路

本次實驗采用了復合表面氧化處理法。復合表面氧化處理法主要是利用陽極氧化加液相氧化的方法對材料表面進行復合處理，并觀察材料表面強度的變化趨勢，待表面強度達到一定要求后對其進行相應的加捻和合并處理，之后將處理后的碳纖維材料浸泡到熱塑性聚氨酯樹脂里一段時間后取出，干燥，即可得到碳纖維復合材料。另外為了更好的了解復合表面氧化處理方法的效果，本次實驗擬采取對照方法，即將沒有進行氧化處理的碳纖維材料采用同樣的工藝方式在熱塑性聚氨酯樹脂中浸泡干燥，制成5%的碳纖維復合材料，對兩者的強度進行對比。

2.2 實驗材料

硝酸聚氨基甲酸乙醋、未經表面處理的聚丙烯腈基碳纖維、甲基乙酮。

2.3 表面處理工藝條件

溶液：硝酸水溶液；

濃度：5%；

浸漬長度：0.5 m；

溫度：50～80℃；

通過電量：50～200 C/g碳纖維；

茲束運行速度：0.35 m/min。

2.4 表面處理方法

現將碳纖維茲束通過陶瓷職稱的導輥導入5%濃度、70℃左右的硝酸水溶液中，茲束在溶液中以0.35米每分鐘的速度連續轉動。在硝酸水溶液中設置有金屬制成的引導羅拉。此時，在碳纖維茲束上加設陽極電壓，在處理槽底部加陰極電壓，并且通過1A電流的引入。此時發現，每克碳纖維茲束的通電量大約為100C左右，對經過上述處理過后的碳纖維茲束進行清理，并在150℃的高溫下干燥，之后將其只放在500℃的氮氣中加熱15s。

2.5 浸漬工藝條件

浸漬樹脂：聚氨基甲酸乙醋；

濃度：將聚氨基甲酸乙脂溶解于甲基乙酮中，配成濃度為200 g/L的浸漬液；

單纖維根數：12000根；

單紗初捻數：100捻/m；

四股合并復捻數：100捻/m。

2.6 浸漬方法

將上述經液相氧化+陽極氧化復合表面處理后的聚丙烯睛基碳纖維，加S捻，100捻/m，然后將4根并合，加Z捻，100捻/m，制成碳纖維線。將碳纖維線浸漬于聚氨基甲酸乙脂一甲基乙酮溶液中，經干燥，制成附著量約為5%的碳纖維復合線，測試碳纖維復合線強度。另外，對沒有進行過表面處理的對照品采取同樣的制備方式進行處理，即將其浸漬在溶液一段時間后取出干燥并制成碳纖維復合線。然后對實驗品和對照品的強度進行測試，并進行對比。

2.7 強度測試

碳纖維強度測試并不是簡單、隨機的過程，需要嚴格遵守《合成短纖維斷裂強力及斷裂伸長試驗方法》標準，通過單位換算的方式計算出科學、合理的強度。

3 實驗結果（見下表）

4 討論

在碳纖維材料的應用過程中，之所有要對其進行表面處理，主要是為了改變材料表面性能，使其與基體樹脂之間的粘合效果更佳。從本實驗中可以看出，用氧化處理技術來對復合表面進行處理后，在高溫不活躍氣體中加熱，這樣不僅能提高表面粘合性，還能增加碳纖維拉伸強度。若在此基礎上再適當對其進行電解高溫處理，還可以進一步提升碳纖維自身的強度。另外，由實驗結果可知，在電化學的氧化處理期間，最強烈時碳纖維茲束的通電量高達600C，此時電解處理溫度為100℃，可能內部的碳纖維已經被氧化處理了，因此其強度有所下降。而對照實驗中的碳纖維因為沒有進行表面處理，因此其與基體樹脂的粘合性較差，材料的強度也相對不高。

從上表中的數據中我們可以看出，碳纖維如果未曾經過表面處理就制成碳纖維復合線，其強度是原來碳纖維強度的一半不到，而經過表面處理后的碳纖維，本身強度提高不說，還可以使其與聚氨酯樹脂的粘結性得到提高，強也提升了1.5倍，使得復合材料整體效果得到顯著提升。

通過對碳纖維的表面進行處理不僅僅是為了提高碳纖維本身的拉伸強度，主要是達到改善碳纖維與基本體樹脂的粘合性能的目的，為了能夠制成令人們滿意的碳纖維產品，就要采用緩和的電化學氧化處理和加熱處理。碳纖維本身具有一個優勢就是抗腐蝕性強，盡管如此，但如果在使用過程中不對它的表面進行防腐蝕處理的話，不僅會影響碳纖維表層的功能發揮，還會造成碳纖維內部結構組織的受損。為此必須要采取合理科學的碳纖維表面處理技術，以修復了碳纖維表面存在的不足，也是用碳纖維制成的復合材料表面不存在缺陷，促進發揮碳纖維在復合材料方面機械強度的巨大作用。

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1674-6708（2015）144-0161-02