常压DBD等离子体处理及其接枝对碳纤维表面性能影响研究.pdf

东华大学
硕士学位论文
常压DBD等离子体处理及其接枝对碳纤维表面性能影响的研究
姓名:欧阳洁
申请学位级别:硕士
专业:纺织工程
指导教师:李炜
2012-01-06
常压壤胱犹宕砑捌浣又Χ蕴枷宋砻嫘阅苡跋摘要的研究等离子体处理作为一种高效且环保的改性方式,近年来被越来越多地用于纤维材料的表面处理及改性。碳纤维等离子体处理目前正处于实验阶段,大多数研究表明等离子体处理能在纤维表面引入含氧极性基团提高表面的化学活性,有效改善碳纤维界面性能,增强纤维与树脂之间的粘结作用。本文以常压介质阻挡氩气等离子体技术为核心,研究了等离子体处理时间、处理电压对碳纤维表面性能的影响,并在此基础上对碳纤维进行马来酸酐接枝处理,分析对比了不同接枝顺序以及接枝浓度对纤维表面的作用效果。主要通过扫描电子显微镜⒃恿ο微镜射线光电子能谱分析⒍哟ソ羌捌浔砻能分析、单纤维碎裂法等测试和方法,对纤维表面形貌、表面化学成分、表面浸润性和界面粘结性能进行了表征。等离子处理结果显示,不同的处理时间和电压会产生不同的处理效果,当处理条件为保宋砻嫘阅艽锏阶罴选5壤胱犹处理对碳纤维表面具有一定的清洁作用,但是刻蚀作用并不明显。等离子处理后,碳纤维表面的含氧基团增加,处理电压太大或处理时间过长均会消除部分产生的活性氧,当处理条件为保宋东华大学硕士学位论文
面的氧/碳比达到最大值.%。短时间的等离子处理对于纤维强力影响较小,当处理时间超过时,纤维强力开始下降。接触角测试结果以及单纤维碎裂法测试结果均显示纤维表面增加的活性基团对改善碳纤维界面性能起主要作用,随着电压和处理时间的增加呈现出先增大后减小的趋势,在处理条件为保砻婺芎虸值达到了最大,分别比原样提高了%和%。等离子体接枝处理结果表明,前接枝较后接枝对碳纤维表面的改善作用更加明显,最佳接枝浓度为/O啾扔诤蠼又Γ敖枝时等离子体更容易发挥对接枝单体的刻蚀作用,使表面更加粗糙;并且能充分利用等离子体对于纤维及接枝单体的活化作用,使表面的活性基团增加。前后接枝浓度以/%。马来酸酐接枝体对纤维强力也会造成一定影响,接枝后纤维强力均匀度提高,但是过高的浓度会对碳纤维的强力造成损伤。相比之下,接枝后纤维与树脂之间的Ⅲ比单纯的等离子体处理要高出%。等离子体接枝能更好的活化纤维表面,提高与树脂之间的结合能力,可更好的应用于碳纤维复合材料的制备与加工。关键词:碳纤维;坏壤胱犹澹唤又Γ槐砻嫘阅摘要
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第一章绪论碳纤维及其复合材料的应用概况枷宋砻嫘阅苡氩馐庑┬阅苁蛊涑晌=昀醋钪匾5增强材料之一,从而在很多领域都得到了广泛的应用。碳纤维具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热和热膨胀系数小等一系列优异的性能【碳纤维通常作为聚合物、金属、炭、水泥等基体的增强材料,其中增强树脂基复合材料尤为重要。碳纤维复合材料的力学性能主要取决于结合材料的力学性能、纤维的表面性能纤维与基体的键合性能以及界面应力的传递方式,而后两点与纤维表面性能密切相关。未经表面处理,活性表面积小..痝咴祷钚蕴荚邮恳采伲蚨砻婺艿停哟ソ谴螅现憎液性,致使与基体粘结不良。表面处理的目的是清除表面杂质,在表面形成微孔和刻蚀沟槽,从类石墨层面改性成碳状结构以增加表面能,或者引进具有极性或反应性的官能团以及形成与树脂起作用的中间层,从而改善碳纤维和基体之间的粘结,提高复合材料的力学性能【】。碳纤维几乎是纯碳剂ヒ陨。在热裂解时排出其它元素,形成“乱层石墨结构”【俊J⒕г谡鱿宋械姆植际遣痪鹊摹捌ば窘峁埂薄枷宋砻嫖⒐劢峁处于石墨层片边缘的碳原子和层片内部结构完整的碳原子不同,层片内部的碳原子所受的引力是对称的,键能高,反应活性低;处于层片边缘的碳原子受力不对称,具有不成对电子,活性比较高。因此,碳纤维的表面活性与处于边缘位置的碳原子数目有关。石墨微晶越大,处于碳纤维表面棱角和边缘位置的不饱和碳原子数目越少,表面活性越低;微晶越小,与树脂粘接有利的活性碳原子数就越多碳纤维氧化处理可以降低石墨微晶尺寸。这是由于碳纤维氧化处理时,在纤维孔隙或其它破坏点的地方会引起选择性氧化,从而使大的石墨层断裂,石墨微晶尺寸降低。利用扫描隧道显微镜⑾郑痹贑砻媸ú闫咴荡面积氧化时,其复合材料剪切性能最优。因为边缘活性点大量增加,使潜在的结合点增加,且其凸凹的表面有利于与基体的机械锁合。【
飞氙》—衜丫丫狙▲/更。且\飞,坑,这些坑垂直于纤维的狭长切口。且由此失去了石墨层面间叠合,使之象岛屿一样不能连成一体,使性能下降,如图【。枷宋砻