2 碳纤维表面改性

碳纤维与聚合物基体之间的界面粘附力在控制复合材料的整体性能方面起着至关重要的作用。众所周知，强大的界面附着力增加了复合材料的结构完整性，并有效地将应力从纤维传递到基体。然而，碳纤维表面的光滑和惰性特性通常会导致纤维与基体之间的润湿性较差和粘附力，这阻碍了碳纤维及其复合材料的优势。为了解决这一问题，对碳纤维的表面处理进行了***的研究，如等离子处理、湿化学氧化、电化学氧化和聚合、气相氧化,使用纳米材料或化学接枝进行表面修饰等，有助于提高纤维与基体之间的润湿性、化学键合性和机械互锁性，形成过渡层，促进应力均匀传递，缓解应力集中，从而具有优异的性能，满足某些科学领域的综合要求。

2.1等离子体处理

等离子处理具有操作简单、效率高、无污染等优点，是一种表面改性方法，利用足够高能量的等离子体冲击CF表面，导致表面化学键断裂和重组，以达到CF与树脂之间良好的附着力。Zhang等发现等离子体处理时间和聚合条件对接枝率有明显影响，尤其是90s等离子体处理时间和6g/L接枝浓度。傅里叶变换红外光谱显示，马来酸酐消失，MAH接枝在碳纤维上，吸光度为1800cm-1.等离子体处理明显提高了碳纤维的表面能，随着接枝处理的增加，碳单键酸浓度降低，而活化基团浓度增加。碳纤维/环氧树脂的IFSS随着处理方法的改变而增加，尤其是等离子接枝处理。同时，表明界面粘附力的增加主要是由于表面活化基团的增加。此外，与等离子体处理相比，等离子接枝处理的碳纤维性能有合理的改善。Yuan等通过对碳纤维表面微波进行辐照改性，这是一种简单、快速和有效的方法。在处理过程中，通过激发碳纤维产生高反应性的微等离子体，从而在碳纤维表面引入大量的含氧基团。检测出的氮元素来自碳纤维块体的氮杂环，富含碳纤维表皮层。微等离子体的氧化和单层GO的剥落极大地改变了处理后的碳纤维的表面形貌，导致表面粗糙度增加。处理后的碳纤维表面化学和物理性质的变化有利于增强碳纤维与环氧树脂基体之间的界面键。

2.2氧化处理

主要的氧化处理是通过气相、液相和电化学技术对CF表面进行剥离、粗糙化和活化，可显著提高CF表面的活性官能团和粗糙度。然而，与施胶表面改性相比，纤维的内在强度往往会因不温和的氧化条件而受损。Jiang等通过电化学氧化结合电泳沉积技术对碳纤维(CF)进行表面改性。氧化石墨烯(GO)沉积在电化学氧化的CF表面，提高了碳纤维增强环氧复合材料的力学性能。电泳沉积技术对CF进行电化学氧化处理后，表面粗糙度和润湿性均有所提高，被证明是一种可行的方法。结果表明，GO涂层分布均匀，GO通过共价附着牢固地涂覆在CF表面。此外，力学性能试验结果表明，复合材料的层间剪切强度和抗压强度分别提高了59.4%和12.8%。所提出的连续制造工艺不涉及较长的加工时间或复杂的化学反应，为制备多尺度GO/CF增强材料提供了一种潜在的行业兼容方法。

2.3施胶涂层改性

施胶/涂层改性是通过施胶或浸渍形成CF和树脂之间具有良好相容性的涂层。这种纤维表面涂层可以赋予CF表面对不同基体的特定性能，具有设计灵活性高、成本低、实施性好等优点。

He等开发了一种简单的涂层工艺，即将碳纤维浸入酚醛树脂(NR)中，在其表面涂上NR层。通过测量ILSS测试了NR尺寸对碳纤维界面性能的影响，并采用短梁剪切试验进行了测量。在比较好条件下，粘接强度显著提高。Liu通过真空成型工艺获得CFRP,并将MWCNT引入CF表面，构成CF-MWCNT多尺度增强材料。酸化后的MWCNT与含极性含氧官能团附着在CF表面，可以增强CF与树脂基体的相容性，从而改善界面化学键合。此外，MWCNT附着在CF表面并构建了活性纳米级粗糙表面，增强了界面机械结合。通过施胶处理，改性复合材料的强度均高于未改性复合材料。

2.4化学接枝

化学接枝改性主要是在CF表面产生所需的活性官能团，继续与小分子或大分子反应，从而将更多的活性官能团接枝到CF表面，以提高界面强度。该方法可选择性地将各种小分子、聚合物和纳米材料接枝在CF表面。Tang等为了提高碳纤维/环氧树脂复合材料的界面附着力，将支链聚乙烯亚胺(PEI)嫁接到经过混合酸处理的CF上，并优化了工艺时间。结果表明，低分子量PEI修饰的CFs优于高分子量PEI修饰的CFs。PEI修饰CFs的IFSS在低功能化程度下比较高可达107.2±14.3MPa,而未修饰CFs的IFSS为78.1±11.6MPa。PEI链上活性胺基团的支化结构和高密度是提高界面强度的原因。

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来源：纺织科学与工程学报，四川大学轻工科学与工程学院，四川环龙技术织物有限公司，迈爱德编辑整理