碳纤维表面功能化处理

1、碳纤维表面功能化处理31引言碳纤维因荘府比刚度、高比强匪強的耐腐蚀件/?H尤狞性能，成为航空航天领域应用最为广泛的増强材料。应用碳纤维为増强体制备树脂皐复台材料时*因碳纤维本身的高强度、高模量，在纤维轴向方向可大大提升材料的力学性能，但由于碳纤维与某体间界面连接强度不足，导致碳纤维增强树脂基复合材料纤维牲向拉伸强度不足，甚至低于纯树脂的拉伸强度。本文设计在碳纤维表面连接碳纳米管以改善碳纤维表面性能，以提升复合材料界面性能，而碳纤维表面处理是接枝数暈的关键，本文采用化学键形式将多壁碳纳来管接枝到碳纤维我面，碳纤维农血化学反应活性点的数肚肚彩响按枝效杲的关键，因此，本章対碳纤维的我面功能化处理进f

2、j研究知3.2酸氧化处理碳纤维3,2.1原材料碳纤维为日本东丽公司生产T300*具体性能指标山I衣乳1所加：98%'®硫酸，哈尔滨化学试剂厂：68%浓硝酸，哈尔滨化学试剂厂；去离子水，自制.所有化学试剂均为化学分析纯.«3-1T3QD性徒指标Table3-PerformancecntenaofTJOO拉伸强li(MPa)拉伸模最(G卩日)延伸率")密度(g/cmJ)T3D0353D230151.70322碳纤维酸氧化处理试验称取T300碳纤维1習加入闘底烧厢中，再加入浓硝酸与浓硫酸体积比为3:1的混酸150ml到烧瓶中，在室温条件下将碳纤维T300与混酸反

3、应Sh,U应完成后用去离子水将碳纤维洗净，直至清洗后去离子水为中性，将酸氧化处理碳纤维T300在100C真空干燥24h后存放备用。323酸氧化处理后碳纤维XPS表征将内酮回流碳纤维T300和酸氧化处理后碳纤维T300作X射线光电子能谱分析，实验设别为PhysicalElectiomc(PE)PHI-5700型XPS分析仪。首先通过宽谱分析酸氧化处理询后T300表面化学元素变牝，后对碳元素的宽谱解谱分析Cis原子的连接方式及酸氧化处理后碳纤维表面竣基官能团相对白分含酸氧化处理结果分析图3-1A,B分别为丙酮回流T300碳纤维和酸氧化处理8hT300碳纤维XPS宽谱，由图3-1A可知在T300碳纤

4、维原丝XPS宽谱分别在结合能为200“左右，285ev左右，400ev左右，513ev左右处存在Cl,C,N,O元素的特征吸收峰，图3-1B可知在酸处理后T300碳纤维XPS宽谱分别在结合能为285*左右，400*左右，513ev右处存在C,N,O元素的特征吸收峰。SOO6004002000BandhgEuergy/evBandingEixei-gy/ev图3-1T300碳纤维XPS宽谱(a)T300原丝,(b)酸氧化处理T300Fig.3lWidescanspectrumofT300:(a)pristineT300,(b)acidtreatmentT300酸处理询后T300碳纤维表面元素及其

5、含暈见表32。对比酸处理询后元素种类及含暈发现，C1元素由处理询的0.35%变为处理后的0.00%,N元素由处理前的3.40%K降到处理后的1.83%,C尤索“分會吐卜降3.66%.O尤索的含舉处理后有较大幅度上升,上升了5.59%,这主要是混合酸处理将T300碳纤维表而的杂质、残留催化剂及叫禽N、C1官能团魚化掉，并引入一些含氧官能团导致的。&3-2T300碳纤维酸处理前麻衣面元案百分仟V：Table3-2SurfaceelementspercentageofbeforeandafteracidtreatmentT300C訂分介杲（）0百分介员:（）N市分仔吊：（）C1百分含盼）T3

6、0079.6216.633.400.35酸处理T30075.961.83在仟氧1丫能团中，凌饪1丫能团足碳纤维继续功能化处理的活性点，也是纤维功能化处理效果的肚接影响因素，下而对碳元素吸收强度曲线，根据cis不同原子结合时结合能不同，进行高斯分峰拟合，利用拟合曲线分析竣基官能团含帚，图3-2为酸氧化处理后T300碳纤维表而C1S原子结合方式高斯分峰拟合曲线。图3-2酸处理T300农面Cis分峰高斯拟合曲线Fig.3-2CurvefittingtheCispeakareatosurfacefunctionalgroupsofT300酸处理T300表面Cis结合方式及相对含最见表33。由表3-3可

7、知，碳纤维T300表面Cis主要以CC键形式连接，其比例为57.95%,其次为以轻韓或瞇键的C-0形式连接的官能团，其比例为19.58%,竣基官能团百分含量为11.94%,町以为T300碳纤维卜步的酰氯功能化处理捉供足够的反应活性3-3酸处理T300面Cis结合方式及相对含量Table33RelativeconcentrationoffunctionalcomponentsobtainedfromcurvefittingtlieCispeaksofacidtreatmentT300峰(ev)峰面积面积百分比()官能团290.991022.06n-n*2S9.2459211.94COOHT300

8、287.1397119.58C-0285.42287357.95C-Csp3284.284208.47C=Csp23.3酰氯化处理碳纤维原材料碳纤维为日本东丽公司T300,具体性能指标如表31所示：氯化亚矶，北京化学试剂厂：丙酮，天津化学试剂一厂：N,N二甲基甲酰胺(DMF),莱阳化工实验厂；去离子水，自制。所有化学试剂均为化学分析纯。酰氯化处理碳纤维试验称取酸氧化T300碳纤维lg加入圆底烧瓶中，再加入80nil氯化亚矶和10n)l表面活性剂N,N二甲基甲酰胺到烧瓶中，将烧瓶在70°C水浴加热条件下反应48h,反应完成后，70C下加热蒸发掉多余氯化亚矶溶液，用丙酮清洗酰氯化处理后碳

9、纤维，直至清洗后内酮为中性，将酰氯化处理碳纤维T300在70C真空干燥24h后存放备用。酰氯化处理碳纤维XPS表征将酰氯化处理后碳纤维T300作X射线光电子能谱分析，实验设别为PhysicalElectroiiic(PE)PHI-5700型XPS分析仪。首先，通过宽谱分析酰氯化处理后1300表面化学元素变化情况，后对氯元素的吸收强度宽谱解谱分析C12p原子的连接方式。334酰氯化处理碳纤维结果分析图33为酰氯化处理后T300碳纤维表而XPS宽谱图。BandingEiurgy/ev08000000ooooO30505053322110图3-3酰氯化T300XPS宽谱Fig.3-3Widescan

10、spetnimofAcylChlorides-T300山图町知在结合能分別为200cv左右，285cvhi右，400cy止右，513cvhi右分别存在Cl,C,N,O元素的特征吸收峰,各元素百分含量见农34对比可知酰氯化处理后碳纤维T300表而C1元素百分含凤由0.00%増加至1.88%,氧元索仃分仟斶II22.22%降至20.42%,这是闪为酸处理后碳纤维衣面竣人“丫能团9氯化亚佩发牛亲核取代反应，竣卑官能团被酰氯官能团取代。3-4酰氯化T300衣面元索仟员Table34SurfaceelementspercentageofAcylChlondes-T300C元素帀分介帚(%)0元素帀分會最

11、(%)N元素百分仟杲(%)C1元素帀分會员(%)酰氯化IWT30075.961.83酰氣化T30075.9020.421.801.88图34为酰氯化处理T300碳纤维农而C1元素吸收峰高斯分峰拟合曲线,从分峰拟合结果中可知,两个吸收峰分别在20237ev和200.77cv,峰间距为1.6cv,H.峰而积比为1:2,这正是OC1键特征吸收曲线，因此酰氯化处理后碳纤维表面C1元素完全以C-C1键连接，C12p原子结合方式见表3-5T300碳纤维酰氯化方程式如式3-1所示，碳纤维表面竣基官能团与氯化亚矶发空亲核取代反应，反应牛成酰氯官能团，酰氯官能团成为T300表面新的反应活性150BandixgE

12、iurgyjev005000500050544332图3-4酰氯化T300农面C12p分峰拟合曲线Fig.3-4CurvefittingdieC12ppeakareatosurfacehmctionalgroupsofAcylChlondesT300CF-(COOH)n+nSOCl270e/48/i>CF-(COCl)n+nHClT+nSO2T(34)衣3-5酰氯化T300农面C12PKif结合方式Table3-5RelativeconcentrationoffunctionalcomponentsobtainedfromcurvefittingtheC12ppeaksofAcylChlondes-T300峰(ev)峰间距(ev)面积闻积百分比(%)官能团酰氯化T300202.37200.771.612625233.3366.67C-C1综上，酸处理T300碳纤维，在70°C水浴加热条件下，号氯化亚矶反应1811碳纤维表面險朗丫能团町被酰氯官能团取代，使酸氧化T300碳纤维完成酰氯功能化处理。3.4本章小结(1)用体积比为3:1的浓硝酸和浓硫酸的混酸，在室温卜，对碳纤维