碳纤维表面处理技术探讨

李克亮，李国香，刘铁柱

1.吉林石化公司碳纤维厂，吉林吉林 132000 2.吉林石化公司有机合成厂，吉林吉林 132000

碳纤维表面处理技术探讨

李克亮1，李国香2，刘铁柱1

1.吉林石化公司碳纤维厂，吉林吉林 132000 2.吉林石化公司有机合成厂，吉林吉林 132000

随着科技的进步与新材料的出现，碳纤维制成的复合材料在众多领域广泛的应用，但是这种材料的处理方法到底有哪些呢？目前常见的碳纤维表面处理方法是液相氧化+阳极氧化的复合表面处理法，它的具体方式是干燥浸渍于热塑性聚氨脂树脂中的经过加捻再加捻的碳纤维，制成碳纤维复合材料。然后与未进行表面处理的碳纤维进行对比研究，得出这种方法的使用能够减少碳纤维制品的表面的缺陷和不足，扩大了碳纤维功能的使用。现本文就对碳纤维表面处理技术进行探讨，并介绍碳纤维所具有的特点和常用的表面处理方法。

碳纤维；表面处理；机械强度

所谓碳纤维，就是指呈现出纤维形状的碳材料，这是一种新型材料，具有一定的性能特点。主要表现在碳纤维材料的密度相对较低，但强度较高，且具有很强的耐腐蚀性，模量也比较高。现如今，碳纤维已经被广泛运用在航天、交通、医疗、体育和纺织业等领域。因其既具有碳原料本身的坚固的特征，还具有纤维材料柔软的特性，它利于加工，是新时期适合人类使用的新材料。碳纤维材料的使用促进了碳纤维产业的发展，还能够提高国民经济整体素质，且有利于我国调整产业结构和更新换代传统的材料。

1 碳纤维及碳纤维复合材料概述

碳纤维顾名思义就是以碳元素为主，其他元素为辅构成的复合材料，其中常见的有氮元素、氢元素、氧元素等。也正因如此，碳纤维表面会存在凹凸不平、杂质多、缝隙等缺陷，这不仅影响着材料的表面平整性，还对复合材料的质量构成一定的影响。因此，碳纤维材料在使用之前必须要进行表面处理，因为一旦没有合理的进行表面处理，那么碳纤维的树枝粘合度在受到影响的同时，还能给材料整体性带来影响。

与石墨结构相比较，碳纤维表面惰性非常明显，不利于同其他元素发生化学反应，这样就更容易同树脂浸润，使碳纤维表面的粘结性交叉，GERP粘度低，这样一来，碳纤维材料的结构强度较大这一优势就无法表现体现出来。一般来讲，碳纤维复合材料自身的强度会随着树脂的强度变化而不断变化，两者呈现正相关性，因为在对碳纤维表面进行相应处理的时候，我们必须要将其与树脂粘合度进行处理，使碳纤维更加充分的发挥力学性质，这也是目前业界研究和关注的一个重点问题。

2 实验分析

2.1 实验思路

本次实验采用了复合表面氧化处理法。复合表面氧化处理法主要是利用阳极氧化加液相氧化的方法对材料表面进行复合处理，并观察材料表面强度的变化趋势，待表面强度达到一定要求后对其进行相应的加捻和合并处理，之后将处理后的碳纤维材料浸泡到热塑性聚氨酯树脂里一段时间后取出，干燥，即可得到碳纤维复合材料。另外为了更好的了解复合表面氧化处理方法的效果，本次实验拟采取对照方法，即将没有进行氧化处理的碳纤维材料采用同样的工艺方式在热塑性聚氨酯树脂中浸泡干燥，制成5%的碳纤维复合材料，对两者的强度进行对比。

2.2 实验材料

硝酸聚氨基甲酸乙醋、未经表面处理的聚丙烯腈基碳纤维、甲基乙酮。

2.3 表面处理工艺条件

溶液：硝酸水溶液；

浓度：5%；

浸渍长度：0.5 m；

温度：50～80℃；

通过电量：50～200 C/g碳纤维；

兹束运行速度：0.35 m/min。

2.4 表面处理方法

现将碳纤维兹束通过陶瓷职称的导辊导入5%浓度、70℃左右的硝酸水溶液中，兹束在溶液中以0.35米每分钟的速度连续转动。在硝酸水溶液中设置有金属制成的引导罗拉。此时，在碳纤维兹束上加设阳极电压，在处理槽底部加阴极电压，并且通过1A电流的引入。此时发现，每克碳纤维兹束的通电量大约为100C左右，对经过上述处理过后的碳纤维兹束进行清理，并在150℃的高温下干燥，之后将其只放在500℃的氮气中加热15s。

2.5 浸渍工艺条件

浸渍树脂：聚氨基甲酸乙醋；

浓度：将聚氨基甲酸乙脂溶解于甲基乙酮中，配成浓度为200 g/L的浸渍液；

单纤维根数：12000根；

单纱初捻数：100捻/m；

四股合并复捻数：100捻/m。

2.6 浸渍方法

将上述经液相氧化+阳极氧化复合表面处理后的聚丙烯睛基碳纤维，加S捻，100捻/m，然后将4根并合，加Z捻，100捻/m，制成碳纤维线。将碳纤维线浸渍于聚氨基甲酸乙脂一甲基乙酮溶液中，经干燥，制成附着量约为5%的碳纤维复合线，测试碳纤维复合线强度。另外，对没有进行过表面处理的对照品采取同样的制备方式进行处理，即将其浸渍在溶液一段时间后取出干燥并制成碳纤维复合线。然后对实验品和对照品的强度进行测试，并进行对比。

2.7 强度测试

碳纤维强度测试并不是简单、随机的过程，需要严格遵守《合成短纤维断裂强力及断裂伸长试验方法》标准，通过单位换算的方式计算出科学、合理的强度。

3 实验结果（见下表）

4 讨论

在碳纤维材料的应用过程中，之所有要对其进行表面处理，主要是为了改变材料表面性能，使其与基体树脂之间的粘合效果更佳。从本实验中可以看出，用氧化处理技术来对复合表面进行处理后，在高温不活跃气体中加热，这样不仅能提高表面粘合性，还能增加碳纤维拉伸强度。若在此基础上再适当对其进行电解高温处理，还可以进一步提升碳纤维自身的强度。另外，由实验结果可知，在电化学的氧化处理期间，最强烈时碳纤维兹束的通电量高达600C，此时电解处理温度为100℃，可能内部的碳纤维已经被氧化处理了，因此其强度有所下降。而对照实验中的碳纤维因为没有进行表面处理，因此其与基体树脂的粘合性较差，材料的强度也相对不高。

从上表中的数据中我们可以看出，碳纤维如果未曾经过表面处理就制成碳纤维复合线，其强度是原来碳纤维强度的一半不到，而经过表面处理后的碳纤维，本身强度提高不说，还可以使其与聚氨酯树脂的粘结性得到提高，强也提升了1.5倍，使得复合材料整体效果得到显著提升。

通过对碳纤维的表面进行处理不仅仅是为了提高碳纤维本身的拉伸强度，主要是达到改善碳纤维与基本体树脂的粘合性能的目的，为了能够制成令人们满意的碳纤维产品，就要采用缓和的电化学氧化处理和加热处理。碳纤维本身具有一个优势就是抗腐蚀性强，尽管如此，但如果在使用过程中不对它的表面进行防腐蚀处理的话，不仅会影响碳纤维表层的功能发挥，还会造成碳纤维内部结构组织的受损。为此必须要采取合理科学的碳纤维表面处理技术，以修复了碳纤维表面存在的不足，也是用碳纤维制成的复合材料表面不存在缺陷，促进发挥碳纤维在复合材料方面机械强度的巨大作用。

[1]季春晓，刘礼华，曹文娟.碳纤维表面处理方法的研究进展[J].石油化工技术与经济，2011（2）.

[2]胡培贤，温月芳，杨永岗，等.碳纤维表面氨化处理对环氧树脂在其表面浸润性的影响[J].化工进展，2009（2）.

[3]陈广立，耿浩然，陈俊华，等.不同处理方法对碳纤维表面形态及复合材料强度的影响[J].材料工程，2006（S1）.

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1674-6708（2015）144-0161-02