Modyfikacja włókna węglowego

I. Cel modyfikacji włókna węglowego

Poprawa kompatybilności pomiędzywłókno węglowei matryca: Poprawianie właściwości mechanicznych materiałów kompozytowych i wzmacnianie mechanicznego blokowania, fizycznej adhezji i wiązań chemicznych pomiędzy powierzchnią włókna a matrycą.

Poprawa wiązania międzyfazowego: Podczas produkcji włókna węglowe poddawane są obróbce karbonizacji w wysokiej temperaturze powyżej 1000 ℃, w wyniku czego powstaje gładka powierzchnia pozbawiona aktywnych grup funkcyjnych. Prowadzi to do obojętności powierzchni, słabej przyczepności do polimerów i słabego wiązania międzyfazowego, co bezpośrednio wpływa na wytrzymałość materiału kompozytowego na ścinanie międzywarstwowe.

Zwiększenie aktywności powierzchniowej: Pozwala to na efektywne przenoszenie obciążenia naprężeniowego pomiędzy włóknem węglowym a materiałem matrycy, zwiększając w ten sposób wartość materiału włóknistego w zastosowaniach przemysłowych.

Poprawa właściwości włókien: Obejmuje to poprawę odporności na temperaturę i odporność na utlenianie, co można osiągnąć poprzez wprowadzenie śladowych ilości pierwiastków, takich jak P, B i Zn, na powierzchnię włókna lub poprzez powlekanie warstwami metalowymi lub niemetalowymi.

II. Analiza mechanizmu modyfikacji

1. Mechanizm modyfikacji fizycznej: Fizyczna modyfikacja włókien węglowych polega głównie na wzmocnieniu powierzchni międzyfazowej poprzez zwiększenie chropowatości powierzchni i powierzchni właściwej:

Zwiększanie chropowatości powierzchni: Metody takie jak utlenianie w fazie gazowej i obróbka plazmowa mogą znacznie zwiększyć chropowatość powierzchni włókien węglowych. „Obróbka plazmą argonową pod ciśnieniem atmosferycznym może zwiększyć zawartość tlenu na powierzchni włókna węglowego o 22,5%, zmniejszyć kąt zwilżania wody do 45,1° i utrzymać wytrzymałość na rozciąganie na poziomie 3,23 GPa po 300 sekundach obróbki”. Badania AFM wykazały, że chropowatość powierzchni (Ra) wzrosła z 0,31 µm do 0,47 µm.

Trawienie i aktywacja powierzchni: Elektrochemiczna obróbka utleniająca, poprzez „połączony proces trawienia utleniającego warstwa po warstwie i zmiany grup funkcyjnych”, tworzy mikropory i rowki na powierzchni włókna węglowego, zwiększając efekt mechanicznego blokowania.

Poprawa morfologii powierzchni: „Obróbka plazmowa usuwa zanieczyszczenia poprzez bombardowanie fizyczne i wprowadza aktywne grupy hydroksylowe/karboksylowe, znacznie poprawiając wytrzymałość na ścinanie międzywarstwowe”.

2. Mechanizm modyfikacji chemicznej

Chemiczna modyfikacja włókien węglowych polega głównie na wzmocnieniu powierzchni międzyfazowej poprzez wprowadzenie aktywnych grup funkcyjnych:

Wprowadzenie grup funkcyjnych zawierających tlen: Utlenianie w fazie ciekłej (przy użyciu stężonego kwasu azotowego, stężonego kwasu siarkowego, nadtlenku wodoru itp. jako utleniaczy) i utlenianie elektrochemiczne mogą znacząco zwiększyć rodzaj i liczbę grup funkcyjnych zawierających tlen (takich jak grupy hydroksylowe i karboksylowe) na powierzchni włókna węglowego. „Elektrolityczna obróbka potencjometryczna może zwiększyć zawartość tlenu na powierzchni włókna węglowego z 9,36% do 18,04%, zmniejszyć kąt zwilżania z 90,2° do 62,4° i zwiększyć wytrzymałość na ścinanie międzywarstwowe nawet o 56%.

Tworzenie wiązań chemicznych: „DA lub polidopamina (PDA) uzyskuje modyfikację szczepienia chemicznego głównie poprzez reakcję -NH₂ w cząsteczce z grupami funkcyjnymi -C=O i -COO- na powierzchni włókna węglowego poprzez reakcję zasady Schiffa, tworząc stabilne wiązania chemiczne na powierzchni włókna węglowego.

Reakcja szczepienia powierzchniowego: Metoda szczepienia powierzchniowego polega na „umieszczeniu włókna węglowego w atmosferze aktywnych monomerów, gdzie pod działaniem inicjatora monomery reagują z grupami aktywnymi lub brzegowymi atomami węgla na włóknie”.

Specjalna metoda modyfikacji: „W roztworze NH₄HCO₃ powierzchnia włókna ulega głównie reakcji elektrolitycznego uwalniania tlenu z wody i reakcji elektrochemicznego utleniania niektórych substancji elektroaktywnych; zawartość różnych grup funkcyjnych zawierających tlen na powierzchni włókna zmienia się w sposób ciągły wraz z wydłużaniem się czasu obróbki, a reakcja NH₄⁺ z grupami funkcyjnymi na powierzchni włókna wprowadza do powierzchni włókna dużą liczbę grup amidowych.” Modyfikacja środka sprzęgającego: „Aminosilanowy środek sprzęgający (KH550) zastosowano do obróbki powierzchni włókien węglowych, tworząc chemicznie związaną warstwę pośrednią.

Po modyfikacji: wzrosła liczba aktywnych grup funkcyjnych: zawartość O-C=O wzrosła o 95,24%, a zawartość C=O wzrosła o 508,45%, tworząc więcej miejsc wiązań żywicy.

III. Kompleksowe wykonanie efektów modyfikacji

Po modyfikacji znacznie poprawiła się polaryzacja powierzchni włókien węglowych, zmniejszył się kąt zwilżania i poprawiła się zwilżalność, skutecznie poprawiając tym samym właściwości międzyfazowe materiału kompozytowego. „Technologia modyfikacji powierzchni zwiększa aktywność powierzchniową włókien węglowych, wzmacnia właściwości międzyfazowe pomiędzy włóknami węglowymi a materiałem matrycy oraz poprawia ich przyczepność do matrycy”.

W zastosowaniach praktycznych znacznie poprawiła się wytrzymałość na ścinanie międzyfazowe pomiędzy modyfikowanymi włóknami węglowymi a osnową żywiczną. „IFSS włókien węglowych modyfikowanych DA i żywicy epoksydowej E51 wzrósł do 65,32 MPa, co stanowi wzrost o 47,35% w porównaniu z niemodyfikowanymi włóknami węglowymi”.

Podsumowując,włókno węgloweModyfikacja skutecznie poprawia właściwości międzyfazowe pomiędzy włóknami węglowymi a osnową poprzez mechanizmy fizyczne i chemiczne, znacznie poprawiając w ten sposób ogólne właściwości materiału kompozytowego.

Semicorex oferuje wysoką jakośćkompozyt z włókna węglowegoprodukty. Jeśli masz jakiekolwiek pytania lub potrzebujesz dodatkowych szczegółów, nie wahaj się z nami skontaktować.

Numer telefonu kontaktowego +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com