碳纤维表面处理与改性
碳纤维表面处理方法的探讨
碳纤维表面处理方法的探讨1 引言碳纤维在混凝土中的分散状态是碳纤维混凝土制备和应用过程中的关键问题，对其导电性能、电一力和力一电等效应具有重要的影响。
国内外学者对碳纤维的分散开展了大量研究工作，美國纽约州立大学布法罗分校的D.D.L.Chung最早采用甲基纤维素（MC）作为分散剂对纤维分散进行改善。
此外，她还提出对碳纤维进行表面改性的两种方法：一种是将碳纤维浸泡在强氧化剂溶液中或在臭氧中处理[1]，在其表面形成具有亲水性的含氧官能团；另一种方法是将碳纤维浸泡在硅烷偶联剂溶液中，在纤维表面形成硅烷涂层而提高亲水性。
孙辉、孙明清等发现在水泥浆体中掺加羧甲基纤维素钠（CMC）和硅灰能显著改善碳纤维的分散性。
王闯等[2]使用甲基纤维素（MC）、羧甲基纤维素钠（CMC）、羟乙基纤维素（HEC）3种常用分散剂后发现分散剂对短碳纤维的分散效果为HEC>CMC>MC。
2 常用表面处理方法2.1 阳极氧化法阳极氧化法，又称为电化学氧化表面处理，是以碳纤维作为电解池的阳极，石墨作为阴极，在电解水的过程中利用阳极生产的“氧”，氧化碳纤维表面的碳及其含氧官能团，将其先氧化成羟基，之后逐步氧化成酮基、羧基和二氧化碳的过程。
阳极氧化法对碳纤维的处理效果不仅与电解质的种类密切相关，并且增加电流密度与延长氧化时间是等效的。
该表面处理方法可以通过改变反应温度、电解质浓度、处理时间和电流密度等条件进行控制。
通过此方法处理后，使碳纤维表面引入各种功能基团而改善纤维的浸润和黏接等特性，显著增加碳纤维增强复合材料的力学性能。
庄毅等[3]采用碳酸氢铵为电解质，对PAN基碳纤维进行阳极氧化处理后，测试发现复合材料的层间剪切断裂转变为张力断裂，使其ILSS提高了49%。
阳极氧化法的特点是氧化反应缓和，易于控制，处理效果显著，可对氧化程度进行精确控制，目前已得到广泛应用，是目前最具有实用价值的方法之一。
但是处理后残留电解质的洗净和干燥十分繁琐，需要连续的电化学处理设备，对处理后的碳纤维进行充分的水洗、烘干，会增加处理成本。
对碳纤维表面处理的认识与理解
对碳纤维表面处理的认识与理解碳纤维是一种新型的纤维材料，因其具有轻质、高强度、耐腐蚀等优良性能而被广泛应用于航空、航天、汽车、体育器材等领域。
然而，碳纤维表面具有一定的亲水性和表面能，与其他材料接触时易产生剥离、分层等问题，因此碳纤维的表面处理变得尤为重要。
本文将对碳纤维表面处理的认识与理解进行详细阐述。
一、碳纤维表面处理的必要性由于碳纤维表面的亲水性和表面能，对各类粘接剂的黏附能力强，同时对于各种腐蚀环境的敏感度也较高。
在实际生产、应用过程中，碳纤维经常需要和其他不同材料进行接触，如金属、陶瓷等。
此时若没有进行必要的表面处理，易造成产物剥离、结构松散、化学腐蚀等问题，从而影响产品的使用性能。
二、碳纤维表面处理的方法1、物理处理：该方法主要包括氧气、等离子体、激光等方法。
其中，氧气处理是目前较为常用的方法。
氧气在高温下与碳纤维表面发生氧化反应，改善纤维表面亲水性，增加其表面能。
等离子体、激光处理也能有效地改善碳纤维表面性质。
除此之外，还可采用研磨、喷砂等方法将碳纤维表面的油污、杂质清除，提高其粘接性和耐腐蚀性。
2、表面涂层：这种方法是通过在碳纤维表面覆盖一层特殊涂层，来改善其表面性质。
常用的涂层有聚合物、金属、氧化物等，可根据需要选择不同材料的涂层。
例如，以聚合物涂层为例，可以通过电泳沉积、喷涂等方式在碳纤维表面涂覆一层聚合物薄膜，以增加碳纤维表面的粘接力和耐腐蚀性。
3、化学处理：该方法通过在碳纤维表面引入一些化学物质，改变其表面性质，以提高其粘接性和耐腐蚀性。
常用的化学处理方法有表面喷涂、表面改性等。
例如，采用表面改性法，可以将碳纤维表面进行阳离子化改性，增加其表面的化学反应活性，改善其粘接性和耐腐蚀性。
三、表面处理后的碳纤维性质变化经过表面处理的碳纤维，其表面能被有效改善，亲水性变强，粘接力和耐腐蚀性能都能得到提高，从而可在更广泛、更复杂的应用中发挥更为优异的性能。
四、总结碳纤维表面处理是当前碳材料领域的一个热点问题，对于完善碳材料的力学性能和表界面性能至关重要，是碳材料研究和应用的必经之路。
聚丙烯腈基碳纤维的制备-表面处理
碳纤维表面处理碳纤维作为一种具有高强度高模量的先进材料，通常需要与其他基体材料进行复合制备成复合材料进行使用。
由于碳纤维本身经过1300℃以上的高温处理，纤维中90%以上由碳元素组成，纤维表面活性官能团很少，具有较强的惰性，与高分子树脂等基体进行复合时，纤维与树脂的结合较差，影响纤维优异力学性能的发挥,并最终影响复合材料的性能。
因此在碳纤维制备过程中，通常需要对碳纤维进行表面处理,增加其表面的活性基团，增强与树脂等基体之间的结合。
5。
3.1 表面处理方法由于碳纤维表面处理对其复合材料性能提高的作用，因此表面处理方法的研究也是碳纤维制备技术研究的重点。
经过多年的研究，科研工作者开发了多种对碳纤维进行表面处理方法,表 5.11列出了可以对碳纤维进行表面处理的不同方法及其影响因素.在这些处理方法中，目前应用在工业化生产上的基本上都是电解氧化法.表5。
11 碳纤维表面处理方法和影响因素序号类型处理方法影响因素1 气相氧化O2、O3、NO2、NO、SO2、NH3、空气、水蒸气/空气、NO/空气时间、温度、浓度、流量2 液相氧化HNO3、H2O、KMnO4、NaClO3、Na2Cr2O7/H2SO4、H2O2/ H2SO4、NaClO3/ H2SO4、KMnO4/ H2SO4时间、温度、组成比例、3 电解氧化氨水、碳酸氢铵、H2SO4、HNO3、H3PO4、NaOH、KOH、NaCl、Na2CO3、NH4NO3、NaHCO3等水溶液时间、电压、电流密度、电解质浓度4 催化氧化硝酸铜、醋酸铜、硝酸铅、硝酸亚铅、硝酸铁、硫酸铁、硝酸铋、钒酸盐、钼酸盐时间、温度、催化剂量5 电引发聚合物涂层丙烯酸、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯腈、苯乙烯、醋酸乙烯、丙烯酰胺、乙烯基吡咯烷时间、电压、电流、溶剂、单体浓度6 聚合物电沉积涂层苯乙烯、乙酸乙烯酯、甲基丙烯酸甲酯、乙烯基甲基醚与马来酸酐共聚物时间、电压、电流、溶剂、共聚物离子浓度7 表面涂覆PV A、PVC、PAN、硅烷物，硬性聚氨酯炭黑树脂组成含量、涂覆量8 高温气相沉积SiC、TiC、TiO2、ErC、NiC、B、BN、NbC、TaC、石墨晶须、碳温度、时间、载气、试剂含量9 表面聚合物接枝丙烯酸、丙烯酸甲酯、苯乙烯、丙烯腈—苯乙烯、丙烯腈、异氰酸酯时间、氧化程度、接枝量、浓度10 等离子体处理O2、NH3、Ar、N2、空气、SiC涂层、AN聚合时间、真空度、功率、流动速度5。
碳纤维制作方法
碳纤维制作方法
碳纤维是一种高强度、轻质、耐高温的材料，广泛应用于航空航天、汽车制造、体育器材等领域。
下面将介绍碳纤维的制作方法。
首先，碳纤维的制作需要原料——聚丙烯或聚丙烯腈纤维。
这些原料首先要经
过预处理，包括去除杂质、溶解、纺丝等步骤，以得到纯净的聚丙烯或聚丙烯腈纤维。
接着，将得到的纤维进行预氧化处理。
预氧化是将纤维在氧气或氧化剂的作用
下进行热处理，使其产生氧化反应，形成氧化物膜，提高纤维的热稳定性。
然后，进行碳化处理。
将预氧化后的纤维置于高温炉中，进行碳化反应，使其
含碳量增加，形成碳纤维的基本结构。
接下来，进行石墨化处理。
将碳化后的纤维进行高温石墨化处理，使其结构更
加致密，提高强度和导电性能。
最后，进行表面处理。
对石墨化后的碳纤维进行表面处理，包括氧化、涂覆、
改性等工艺，以满足不同领域对碳纤维的特殊要求。
通过以上几个步骤，我们可以得到优质的碳纤维制品。
当然，这只是一个简单
的制作流程，实际生产中还需要根据具体要求进行调整和改进。
总的来说，碳纤维的制作方法虽然复杂，但是通过精密的工艺和技术手段，我
们可以生产出各种不同性能和形状的碳纤维制品，为现代工业的发展和进步提供了重要的支持。
希望本文的介绍能够对碳纤维制作方法有所帮助，谢谢阅读！。
碳纤维后处理工艺流程
碳纤维后处理工艺流程碳纤维是一种轻、强、高模量的新型纤维材料，具有优异的力学性能和化学稳定性，广泛应用于航空航天、船舶、汽车、体育器材等领域。
然而，碳纤维作为一种高性能材料，在生产过程中仍然需要进行后处理工艺，以提高其表面质量和增强其性能。
碳纤维后处理工艺涉及到表面处理、改性处理和功能化处理等环节，本文将详细介绍碳纤维后处理工艺流程。
一、碳纤维后处理工艺流程概述碳纤维后处理工艺是在碳纤维制备过程中的最后一个环节，主要目的是改善碳纤维的表面性质，提高其粘接性、润湿性、导热性等特性，进而增强其在复合材料中的应用效果。
碳纤维后处理工艺流程主要包括表面处理、改性处理和功能化处理三个环节，具体步骤如下：1.表面处理碳纤维的表面处理是后处理工艺的第一步，主要是利用物理或化学方法清洁碳纤维表面，去除尘埃、油脂和其他污染物，以确保后续处理工艺的顺利进行。
常用的表面处理方法包括喷砂、溶剂清洗、气体等离子处理等。
2.改性处理改性处理是碳纤维后处理工艺的核心环节，通过改性处理可以有效改善碳纤维的表面特性，增强其黏附性和润湿性，提高其力学强度和耐热性。
常用的碳纤维改性处理方法包括氧化、氢化、表面活性剂处理、离子注入、化学涂层等。
3.功能化处理功能化处理是对碳纤维进行特定功能的表面改性，以赋予其特定的性能，如增强导电性、抗静电性、耐化学腐蚀性等。
常用的碳纤维功能化处理方法包括导电涂层、化学修饰、阳离子改性等。
以上是碳纤维后处理工艺流程的概述，下面将详细介绍每个环节的具体处理工艺。
二、碳纤维后处理工艺流程详解1.表面处理表面处理是碳纤维后处理工艺的第一步，其目的是清洁碳纤维表面，去除表面杂质和污染物，提高后续处理工艺的效果。
常用的表面处理方法包括：（1）喷砂：利用高速气流将砂粒冲击碳纤维表面，去除表面污染物和氧化层，增加表面粗糙度，提高黏附性。
（2）溶剂清洗：采用有机溶剂如丙酮、丙醇等对碳纤维表面进行清洁，去除油脂、树脂等污染物。
碳纤维表面处理及其复合材料性能研究
2020年01月碳纤维表面处理及其复合材料性能研究张安花（厦门新凯复材科技有限公司，福建厦门361021）摘要：碳纤维具有耐高温、导电、导热、耐腐蚀等性能，可制作成各种复合材料产品，应用于不同领域中。
为提升航空复合材料强度，研究使用浓硝酸、浓硝酸超声处理碳纤维表面，经处理会影响碳纤维表面的微结构、表面化学组成，达到增强复合材料性能效果。
关键词：碳纤维；表面处理；复合材料性能碳纤维主要和树脂等材料复合，具有增强作用，可制造出更先进的复合材料。
但因类石墨结构其表面存在一定化学惰性，很难浸润树脂及化学反应，表面难与树脂结合，进而影响复合材料强度。
故需改变碳纤维表面性质，以增加碳纤维表面的极性官能团及表面活化，进而更容易浸润和发生化学反应，使复合材料界面更紧密连接而增加强度。
通常采用偶联剂涂层法、氧化法、等离子等处理方法.在航空领域因耐燃效果需求高使用酚醛树脂，而市面上的碳纤维较少有偶联剂涂层适用酚醛树脂，本文研究液相氧化法与超声协同处理碳纤维表面，达到增加酚醛树脂碳纤维复合材料强度。
1实验方法1.1碳纤维表面处理方法（1）碳纤维表面的上浆剂脱除选用PAN 基碳纤维，型号为Toray T700，使用乙醇/丙酮进行回流处理，其体积比为1:1，处理时间为48h ，将碳纤维表面的上浆剂(即偶合剂)脱除（2）脱浆后碳纤维再进行表面处理处理方法有两种:第一，在浓硝酸中浸泡，温度为60℃，处理时间为2h ；第二，浓硝酸超声处理2h ，浓度为65%，250E II 型超声波，功率和频率分别为250W 和40kHz 。
所有处理工作的结束后，去离子水清洗碳纤维，使其为中性，再在真空中烘干，温度为80℃，直到碳纤维恒重量为止。
1.2复合材料制备采用碳纤维与PF475酚醛树脂制成复合材料预浸布，酚醛树脂与异丙醇制成固成份70%的树脂，使用缠绕法进行制作预浸材，制成纤维含量FAW 100g/m 2，树脂含量RC%37%，用55度将溶剂烘烤至VC%1%以下的预浸材，再将预浸材进行积层堆叠成试片，采用成型温度160度，时间50min 进行加压固化，制成2mm 厚度复材试片。
碳纤维表面改性
碳纤维表面处理改性
3 .碳纤维的表面处理 3.1 氧化处理 3.1.1 气相氧化法(图右为氧化示意图) 气相氧化使用的氧化剂有空气、氧气、臭氧等含氧 气体。氧化处理后，碳纤维表面积增大，官能基团 增多，可以提高复合材料界面的粘接强度和材料的 力学性能。如把碳纤维在４５０℃下空气中氧化１ ０min，所制备的复合材料的剪切强度和拉伸强度 都有提高；采用浓度０．５～１５ｍｇ／Ｌ的臭氧 连续导入碳纤维表面处理炉对碳纤维进行表面处理， 经处理后碳纤维复合材料的层间剪切强度可达７ ８．４～１０５．８ＭＰａ；
３．２．3聚合物涂层 碳纤维经表面处理后，再使其表面附着薄层
聚合物，这就是所谓的上浆处理。这层涂覆 层即保护了碳纤维表面，同时又提高了纤维 对基体的浸润性。
３．２．4表面生成晶须法 在碳纤维表面，通过化学气相沉积生成碳化硅、硼 化金属、二氧化钛、硼氢化合物等晶须，能明显提 高复合材料的层间剪切强度，并且晶须质量只占纤 维的０．５％ ～４％，晶须含量在３％～４％时 层间性能达到最大。生长晶须的过程包括成核过程 以及在碳纤维表面生长非常细的高强度化合物单晶 的过程。尽管晶须处理能获得很好的效果，但因费 用昂贵、难以精确处理，故工业上无法采用。
碳纤维表面改性
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一.定义 二.碳纤维表面结构 三.碳纤维的表面处理 1 氧化处理 2 表面电聚合 3 聚合物涂层 4 表面生成晶须法 5 等离子体处理 四.展望
碳纤维
定义 碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理 而得到的微晶石墨材料。碳纤维的微观结 构类似人造石墨，是乱层石墨结构，是一 种力学性能优异的新材料 。 碳纤维增强树脂基复合材料（ＣＦＲＰ） 由于具有密度小、比强度高、比模量高、 热膨胀系数小等一系列优异特性，在航天 器结构上已得到广泛的应用。其中碳纤维 是增强体，为主要的承力结构，树脂基体 起连接纤维和传递载荷的作用。
高模量碳纤维表面处理技术研究取得新进展
博览I成果简报Review Achievements高模量碳纤维表面处理技术研究取得新进展由于碳纤维表面惰性，复合材料中碳纤维和基体材料间应力载荷无法有效传递，直接影响其性能发挥，限制其规模化应用，工业主要采用阳极氧化法来解决这一问题。
高模量碳纤维具有表面晶面尺寸更大、刚性更好、抗弯折性更差、表面惰性更突出的特性（见图1），采用传统的阳极氧化法进行表面处理，不仅毛丝、断丝多，而且表面处理效果不均匀，反映在复合材料中界面结合性能明显偏弱。
日前，中国科学院山西煤炭化学研究所碳纤维表面工程课题组在表面改性方面取得新进展。
该课题组采用新型非接触电化学处理方法处理高模量碳纤维，经工艺设计及工艺条件优化，可实现良好处理效果并有效减少导丝辊对纤维丝的磨损，建立了高模量碳纤维的连续化表面处理试验线。
据连续试验线效果统计：（1）该工艺对高模量碳纤维无明显损伤，可大大减少高模量碳纤维在表面处理过程中的毛丝、断丝发生量；（2）表面处理后，碳纤维表面元素含量均匀（图2）、可调控；⑶经评价与环氧树脂界面剪切强度值提高55.2%；（4）经第三方单位评价，环氧树脂复合材料层间剪切强度可达80Mpa，弯曲强度可达340MPa，均明显高于目前国内外报道值。
该方法克服了传统阳极氧化方法的固有缺陷，工艺环境友好，为高性能碳纤维，特别是高模量碳纤维的连续化制备及其应用提供了全新的思路和技术。
该研究成果已在2019年度的SAMPE会议上以□头报告的形式进行了介绍。
OriMVUtion1500°C Carbonization2nm2500°C Graphitization816nm 图1高强度碳纤维（左）与高模量碳纤维（右）的结构特征差异日期时间岛放大倍数爲3/25/20198:29:48PM15.0keV15000*9.8mm图2经新型表面处理后高模量碳纤维表面的元素m a pping分析（中科院山西煤炭化学研究所）652019年第3期•总第106期。
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碳纤维表面处理与改性
碳纤维很少单独使用，主要用作复合材料的增强体，其力学性能优势通过复合材料发挥出来。
但复合材料的性能不仅取决于碳纤维本身，更取决于碳纤维与基体之间的界面。
良好的界面结合才能将载荷有效传递给碳纤维，从而充分发挥碳纤维的高强度、高模量特性。
反之，如果碳纤维与基体之间的界面性能较差，应力无法在界面有效传递，则碳纤维的力学性能优势难以发挥出来，将导致复合材料的性能下降。
碳纤维经过高温炭化处理后，大部分非碳元素被脱除，纤维表面呈现较高的惰性，导致在制造复合材料时基体对碳纤维的浸润性变差。
通过对碳纤维进行表面改性，可以改善其表面活性以及与基体的浸润性，增强纤维与基体之间的相互作用，从而有利于复合材料力学性能的提高。
因此，表面处理工艺是碳纤维制备过程中的重要环节之一。
碳纤维的表面改性处理方法有很多，如气相氧化法（包括空气氧化、臭氧氧化）、等离子体处理、液相氧化法（包括酸液氧化、阳极氧化)、表面涂
层法、表面接枝法等。
每种处理方法都有自己的优缺点，如气相氧化法流程短，碳纤维经过气相氧化处理后可直接上浆，不需要配套水洗和干燥设备，但是其氧化程度不易控制。
而阳极氧化法具有氧化程度易于控制、氧化过程缓和、氧化效果显著等特点，但该方法需要配套水洗和干燥设备，流程较
长。
阳极氧化法的最大优点是处理时间短，能够满足连续生产的要求，因而成为目前国内外碳纤维生产线在线配套的主要方法。
此外，近几年表面涂层法和表面接枝法也发展迅速，特别是基于纳米材料和高分子材料的碳纤维表面改性方法研究较多，在实验室取得了良好的效果，有望成为新一代在线配套的表面处理方法。
1、阳极氧化法
阳极氧化法通常是在电解质溶液中以碳纤维为阳极、石墨板为阴极对碳
纤维表面进行电化学处理。
电解质溶液种类较多,主要可以分为酸性、碱性及中性三种。
酸性电解质主要为无机含氧酸,如硫酸、硝酸、磷酸、硼酸等;碱性电解质有氢氧化钠、氢氧化钡、氢氧化钙、氢氧化镁磷酸钾、磷酸钠等;中性电解质主要有硝酸钾、硝酸钠以及碳酸氢铵、碳酸铵、磷酸铵等铵盐类电解质。
在酸性介质中电解氧化碳纤维时,虽然氧化效果比较显著,但会使得碳纤维力学性能下降严重,且酸性介质易腐蚀设备;使用碱性电解质氧化处理碳纤维后,碳纤维之间和碳纤维表面残留的金属离子不易洗净,而残留碱性金属离子会导致碳纤维的抗氧化性能下降。
因此,目前国内外大多使用铵盐溶液作为电解质,如碳酸氢铵、碳酸铵等,其优点在于:一是对设备无损伤,二是铵盐类电解质在
后续干燥过程中易于分解,不会残留在碳纤维表面。
在碳纤维阳极氧化处理过程中,可通过调整电流密度和处理时间来控制碳纤维的表面氧化程度。
由于处理时间往往受到设备尺寸和丝束运行速度的限
制,不易调节。
因此,电流密度成为最重要的工艺参数。
我们在不同的电流密度下对碳纤维表面进行阳极氧化处理,采用SEM、原子力显微镜(AFM)、X射线光电子能谱仪(XPS)等手段表征处理后碳纤维表面的物理化学结构,并分析表面结构的变化对其增强树脂基复合材料性能的影响,进而获得合适的电流密度参数。
随着电流密度和处理时间的增加，碳纤维表面的碳结构逐渐发生氧化反应，石墨化程度降低，碳元素含量降低，氧氮元素含量增加，表面活性官能团增加。
2、纳米碳材料改性
纳米碳材料因其多样的结构以及优越的物理、化学和力学特性,成为国内外众多科学家关注和研究的热点,其中以一维结构的碳纳米管(carbon nanotube , CNT)和二维结构的石墨烯(graphene)为典型代表。
由于纳米碳材料与碳纤维具有良好的相容性,在碳纤维增强复合材料的研究领域中也受到广泛的关注。
在碳纤维表面引入纳米碳材料可以增加纤维表面的粗糙度,增强纤维和基体树脂之间的机械啮合作用,显著提高复合材料的界面性能。