碳纖維表面功能化處理

1、碳纖維表面功能化處理31引言碳纖維因荘府比剛度、高比強匪強的耐腐蝕件/?H尤獰性能，成為航空航天領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的増強材料。應(yīng)用碳纖維為増強體制備樹脂皐復(fù)臺材料時*因碳纖維本身的高強度、高模量，在纖維軸向方向可大大提升材料的力學(xué)性能，但由于碳纖維與某體間界面連接強度不足，導(dǎo)致碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料纖維牲向拉伸強度不足，甚至低于純樹脂的拉伸強度。本文設(shè)計在碳纖維表面連接碳納米管以改善碳纖維表面性能，以提升復(fù)合材料界面性能，而碳纖維表面處理是接枝數(shù)暈的關(guān)鍵，本文采用化學(xué)鍵形式將多壁碳納來管接枝到碳纖維我面，碳纖維農(nóng)血化學(xué)反應(yīng)活性點的數(shù)肚肚彩響按枝效杲的關(guān)鍵，因此，本章対碳纖維的我面功能化處理進f

2、j研究知3.2酸氧化處理碳纖維3,2.1原材料碳纖維為日本東麗公司生產(chǎn)T300*具體性能指標山I衣乳1所加：98%'®硫酸，哈爾濱化學(xué)試劑廠：68%濃硝酸，哈爾濱化學(xué)試劑廠；去離子水，自制.所有化學(xué)試劑均為化學(xué)分析純.«3-1T3QD性徒指標Table3-PerformancecntenaofTJOO拉伸強li(MPa)拉伸模最(G卩日)延伸率")密度(g/cmJ)T3D0353D230151.70322碳纖維酸氧化處理試驗稱取T300碳纖維1習(xí)加入闘底燒廂中，再加入濃硝酸與濃硫酸體積比為3:1的混酸150ml到燒瓶中，在室溫條件下將碳纖維T300與混酸反

3、應(yīng)Sh,U應(yīng)完成后用去離子水將碳纖維洗凈，直至清洗后去離子水為中性，將酸氧化處理碳纖維T300在100C真空干燥24h后存放備用。323酸氧化處理后碳纖維XPS表征將內(nèi)酮回流碳纖維T300和酸氧化處理后碳纖維T300作X射線光電子能譜分析，實驗設(shè)別為PhysicalElectiomc(PE)PHI-5700型XPS分析儀。首先通過寬譜分析酸氧化處理詢后T300表面化學(xué)元素變牝，后對碳元素的寬譜解譜分析Cis原子的連接方式及酸氧化處理后碳纖維表面竣基官能團相對白分含酸氧化處理結(jié)果分析圖3-1A,B分別為丙酮回流T300碳纖維和酸氧化處理8hT300碳纖維XPS寬譜，由圖3-1A可知在T300碳纖

4、維原絲XPS寬譜分別在結(jié)合能為200“左右，285ev左右，400ev左右，513ev左右處存在Cl,C,N,O元素的特征吸收峰，圖3-1B可知在酸處理后T300碳纖維XPS寬譜分別在結(jié)合能為285*左右，400*左右，513ev右處存在C,N,O元素的特征吸收峰。SOO6004002000BandhgEuergy/evBandingEixei-gy/ev圖3-1T300碳纖維XPS寬譜(a)T300原絲,(b)酸氧化處理T300Fig.3lWidescanspectrumofT300:(a)pristineT300,(b)acidtreatmentT300酸處理詢后T300碳纖維表面元素及其

5、含暈見表32。對比酸處理詢后元素種類及含暈發(fā)現(xiàn)，C1元素由處理詢的0.35%變?yōu)樘幚砗蟮?.00%,N元素由處理前的3.40%K降到處理后的1.83%,C尤索“分會吐卜降3.66%.O尤索的含舉處理后有較大幅度上升,上升了5.59%,這主要是混合酸處理將T300碳纖維表而的雜質(zhì)、殘留催化劑及叫禽N、C1官能團魚化掉，并引入一些含氧官能團導(dǎo)致的。&3-2T300碳纖維酸處理前麻衣面元案百分仟V：Table3-2SurfaceelementspercentageofbeforeandafteracidtreatmentT300C訂分介杲（）0百分介員:（）N市分仔吊：（）C1百分含盼）T3

6、0079.6216.633.400.35酸處理T30075.961.83在仟氧1丫能團中，凌飪1丫能團足碳纖維繼續(xù)功能化處理的活性點，也是纖維功能化處理效果的肚接影響因素，下而對碳元素吸收強度曲線，根據(jù)cis不同原子結(jié)合時結(jié)合能不同，進行高斯分峰擬合，利用擬合曲線分析竣基官能團含帚，圖3-2為酸氧化處理后T300碳纖維表而C1S原子結(jié)合方式高斯分峰擬合曲線。圖3-2酸處理T300農(nóng)面Cis分峰高斯擬合曲線Fig.3-2CurvefittingtheCispeakareatosurfacefunctionalgroupsofT300酸處理T300表面Cis結(jié)合方式及相對含最見表33。由表3-3可

7、知，碳纖維T300表面Cis主要以CC鍵形式連接，其比例為57.95%,其次為以輕韓或瞇鍵的C-0形式連接的官能團，其比例為19.58%,竣基官能團百分含量為11.94%,町以為T300碳纖維卜步的酰氯功能化處理捉供足夠的反應(yīng)活性3-3酸處理T300面Cis結(jié)合方式及相對含量Table33RelativeconcentrationoffunctionalcomponentsobtainedfromcurvefittingtlieCispeaksofacidtreatmentT300峰(ev)峰面積面積百分比()官能團290.991022.06n-n*2S9.2459211.94COOHT300

8、287.1397119.58C-0285.42287357.95C-Csp3284.284208.47C=Csp23.3酰氯化處理碳纖維原材料碳纖維為日本東麗公司T300,具體性能指標如表31所示：氯化亞磯，北京化學(xué)試劑廠：丙酮，天津化學(xué)試劑一廠：N,N二甲基甲酰胺(DMF),萊陽化工實驗廠；去離子水，自制。所有化學(xué)試劑均為化學(xué)分析純。酰氯化處理碳纖維試驗稱取酸氧化T300碳纖維lg加入圓底燒瓶中，再加入80nil氯化亞磯和10n)l表面活性劑N,N二甲基甲酰胺到燒瓶中，將燒瓶在70°C水浴加熱條件下反應(yīng)48h,反應(yīng)完成后，70C下加熱蒸發(fā)掉多余氯化亞磯溶液，用丙酮清洗酰氯化處理后碳

9、纖維，直至清洗后內(nèi)酮為中性，將酰氯化處理碳纖維T300在70C真空干燥24h后存放備用。酰氯化處理碳纖維XPS表征將酰氯化處理后碳纖維T300作X射線光電子能譜分析，實驗設(shè)別為PhysicalElectroiiic(PE)PHI-5700型XPS分析儀。首先，通過寬譜分析酰氯化處理后1300表面化學(xué)元素變化情況，后對氯元素的吸收強度寬譜解譜分析C12p原子的連接方式。334酰氯化處理碳纖維結(jié)果分析圖33為酰氯化處理后T300碳纖維表而XPS寬譜圖。BandingEiurgy/ev08000000ooooO30505053322110圖3-3酰氯化T300XPS寬譜Fig.3-3Widescan

10、spetnimofAcylChlorides-T300山圖町知在結(jié)合能分別為200cv左右，285cvhi右，400cy止右，513cvhi右分別存在Cl,C,N,O元素的特征吸收峰,各元素百分含量見農(nóng)34對比可知酰氯化處理后碳纖維T300表而C1元素百分含鳳由0.00%増加至1.88%,氧元索仃分仟斶II22.22%降至20.42%,這是閃為酸處理后碳纖維衣面竣人“丫能團9氯化亞佩發(fā)牛親核取代反應(yīng)，竣卑官能團被酰氯官能團取代。3-4酰氯化T300衣面元索仟員Table34SurfaceelementspercentageofAcylChlondes-T300C元素帀分介帚(%)0元素帀分會最

11、(%)N元素百分仟杲(%)C1元素帀分會員(%)酰氯化IWT30075.961.83酰氣化T30075.9020.421.801.88圖34為酰氯化處理T300碳纖維農(nóng)而C1元素吸收峰高斯分峰擬合曲線,從分峰擬合結(jié)果中可知,兩個吸收峰分別在20237ev和200.77cv,峰間距為1.6cv,H.峰而積比為1:2,這正是OC1鍵特征吸收曲線，因此酰氯化處理后碳纖維表面C1元素完全以C-C1鍵連接，C12p原子結(jié)合方式見表3-5T300碳纖維酰氯化方程式如式3-1所示，碳纖維表面竣基官能團與氯化亞磯發(fā)空親核取代反應(yīng)，反應(yīng)牛成酰氯官能團，酰氯官能團成為T300表面新的反應(yīng)活性150BandixgE

12、iurgyjev005000500050544332圖3-4酰氯化T300農(nóng)面C12p分峰擬合曲線Fig.3-4CurvefittingdieC12ppeakareatosurfacehmctionalgroupsofAcylChlondesT300CF-(COOH)n+nSOCl270e/48/i>CF-(COCl)n+nHClT+nSO2T(34)衣3-5酰氯化T300農(nóng)面C12PKif結(jié)合方式Table3-5RelativeconcentrationoffunctionalcomponentsobtainedfromcurvefittingtheC12ppeaksofAcylChlondes-T300峰(ev)峰間距(ev)面積聞積百分比(%)官能團酰氯化T300202.37200.771.612625233.3366.67C-C1綜上，酸處理T300碳纖維，在70°C水浴加熱條件下，號氯化亞磯反應(yīng)1811碳纖維表面險朗丫能團町被酰氯官能團取代，使酸氧化T300碳纖維完成酰氯功能化處理。3.4本章小結(jié)(1)用體積比為3:1的濃硝酸和濃硫酸的混酸，在室溫卜，對碳纖維