常压等离子处理改善碳纤维亲水性能

碳纤维作为一种重要的纤维材料,以其高比 强度、高比模量、耐高温耐腐蚀等优异性能, 广泛应用于航空航天、武器装备等国防军工领域以及交通运输、生物医疗等高技术工业领域。 然而,由于碳纤维是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆彻而成的微晶石墨材料,其表面为非极性的高度结晶的石墨片层结构,呈现出较高的化学惰性,从而导致其表界面性能较差, 影响后续复合材料的综合性能,极大程度地限制了碳纤维在特殊工况下的应用。目前,碳纤维表面改性已成为碳纤维生产制备过程中不可缺少的重要工序。日本东丽公司、日本三菱丽阳公司、德国西格里公司等碳纤维生产企业已经将表面改性效果作为评价碳纤维质量的一个关键因素。因此,对碳纤维进行表面改性处理,从而改善其表界面性能,这对于碳纤维的生产和应用至关重要。

多年来,国内外学者和工业界对碳纤维表面 改性开展了大量研究工作。其中,主要的研究重 点是从提高碳纤维表面粗糙程度和增加表面化学官能团的角度,来改善纤维表界面性能。常见的碳纤维表面改性方法主要包括表面氧化处理、表 面涂层处理、高能射线辐照、超临界流体表面接 枝和等离子体表面改性等。其中,由于电化学氧化法具有生产连续、处理条件易控等特点,已在工业领域中得到实际应用。但其仍需要使用大量的化学试剂、消耗大量的能源并产生大量的废水废液,且对于高模量碳纤维,由于氧化困难,需延长处理时间。相比而言,等离子体表面改性技术具有清洁环保、省时高效等优点,是目前最具工程化应用前景的一种方法。其作用原理主要包含两方面:一方面通过活性粒子使纤维表面形成自由基和极性基团,增强表面自由能和浸润性;另一方面通过刻蚀作用,增加纤维比表面积和表面粗糙度,并清除纤维表面污染物。

采用常压氩气等离子体对水溶液中的碳纤维进行表面改性处理,利用等离子体中活性粒子与水分子的相互作用,在去除碳纤维表面浆料的同时,实现碳纤维的亲水功能化改性。

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