聚丙烯腈基高模量碳纖維的表面處理.pdf_第1頁(yè)
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1、本文首先采用電化學(xué)氧化法量化對(duì)比研究了PAN基高模量碳纖維和中模量碳纖維的陽(yáng)極氧化行為。采用X射線光電子衍射能譜、原子力顯微鏡、視頻接觸角測(cè)量?jī)x、拉曼光譜等表征手段分析了兩種纖維電化學(xué)氧化前后的表面性能和碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的界面性能。結(jié)果顯示,在電化學(xué)氧化過(guò)程中,高模量碳纖維表面的含氧官能團(tuán)增加緩慢,而中模量碳纖維表面的含氧官能團(tuán)在低電荷密度條件下很快就達(dá)到飽和。說(shuō)明石墨化程度高、表面活性低的高模量碳纖維比中模量碳纖維難氧化。隨著

2、氧化的繼續(xù),表面碳原子被刻蝕,纖維變細(xì)。根據(jù)氧化過(guò)程中纖維半徑的變化建立了“均勻減薄”氧化動(dòng)力學(xué)模型,通過(guò)模型計(jì)算發(fā)現(xiàn)高模量碳纖維的氧化難度是中模量碳纖維的6倍。要使高模量碳纖維和中模量碳纖維達(dá)到相同的表面潤(rùn)濕性,所需的電荷密度也為中模量碳纖維的6倍。原子力顯微鏡測(cè)試表明高模量碳纖維的表面粗糙度比中模量碳纖維的表面粗糙度大,電化學(xué)氧化過(guò)程中的變化趨勢(shì)也有差異。利用拉曼光譜可以表征纖維與環(huán)氧樹(shù)脂微滴之間的界面結(jié)合情況,發(fā)現(xiàn)高模量碳纖維經(jīng)1

3、.44C/cm2的電荷密度處理后與環(huán)氧樹(shù)脂的界面剪切強(qiáng)度提高了160%。中模量碳纖維經(jīng)0.36C/cm2的電荷密度處理后與環(huán)氧樹(shù)脂的界面剪切強(qiáng)度提高了70%。
   由于在電化學(xué)氧化過(guò)程中會(huì)伴隨少量的強(qiáng)度損失,因此希望通過(guò)在纖維表面接枝一層聚合物來(lái)彌補(bǔ)氧化對(duì)纖維表面造成的缺陷,提高單絲強(qiáng)度進(jìn)而提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。
   本文以高模量碳纖維為陽(yáng)極,在硫酸電解質(zhì)的存在下,使馬來(lái)酸和衣康酸單體在纖維表面發(fā)生共聚反應(yīng)。在此過(guò)

4、程中,同時(shí)伴隨著碳纖維的電化學(xué)氧化,使纖維表面的含氧官能團(tuán)增多,利用含氧官能團(tuán)產(chǎn)生的自由基引發(fā)聚合反應(yīng)。傅里葉紅外測(cè)試表明聚合物表面存在羧基,進(jìn)一步提高了纖維表面的含氧官能團(tuán)。用丙酮在索氏抽提器中提取120h后聚合物的厚度及聚合物的結(jié)構(gòu)并未發(fā)生變化,說(shuō)明纖維與聚合物之間是牢固的化學(xué)鍵合而非簡(jiǎn)單的沉積。在電聚合過(guò)程中,聚合物先在纖維表面含有含氧官能團(tuán)的位置形成晶核,然后隨著晶核的增長(zhǎng),在纖維表面逐漸形成一層均勻的聚合物。且隨著聚合時(shí)間的增

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