Modifica della fibra di carbonio

I. Scopo della modifica della fibra di carbonio

Migliorare la compatibilità trafibra di carbonioe la matrice: miglioramento delle proprietà meccaniche dei materiali compositi e rafforzamento dell'incastro meccanico, dell'adesione fisica e del legame chimico tra la superficie della fibra e la matrice.

Miglioramento del legame interfacciale: durante la produzione, le fibre di carbonio vengono sottoposte a un trattamento di carbonizzazione ad alta temperatura superiore a 1000 ℃, risultando in una superficie liscia priva di gruppi funzionali attivi. Ciò porta a inerzia superficiale, scarsa adesione ai polimeri e debole legame interfacciale, influenzando direttamente la resistenza al taglio interlaminare del materiale composito.

Miglioramento dell'attività superficiale: ciò consente un efficace trasferimento del carico di stress tra la fibra di carbonio e il materiale della matrice, aumentando così il valore del materiale in fibra nelle applicazioni industriali.

Miglioramento delle proprietà delle fibre: ciò include il miglioramento della resistenza alla temperatura e alla resistenza all'ossidazione, che può essere ottenuto introducendo tracce di elementi come P, B e Zn sulla superficie della fibra o rivestendo con strati metallici o non metallici.

II. Analisi dei meccanismi di modifica

1. Meccanismo di modifica fisica: la modifica fisica delle fibre di carbonio ottiene principalmente un rinforzo interfacciale aumentando la ruvidità superficiale e l'area superficiale specifica:

Aumento della ruvidità superficiale: metodi come l’ossidazione in fase gassosa e il trattamento al plasma possono aumentare significativamente la ruvidità superficiale delle fibre di carbonio. "Il trattamento al plasma di argon a pressione atmosferica può aumentare il contenuto di ossigeno sulla superficie della fibra di carbonio del 22,5%, ridurre l'angolo di contatto con l'acqua a 45,1° e mantenere la resistenza alla trazione a 3,23 GPa dopo 300 secondi di trattamento." I test AFM hanno mostrato che la rugosità superficiale (Ra) è aumentata da 0,31 μm a 0,47 μm.

Incisione e attivazione della superficie: il trattamento di ossidazione elettrochimica, attraverso un "processo combinato di incisione per ossidazione strato per strato e modifiche dei gruppi funzionali", crea micropori e scanalature sulla superficie della fibra di carbonio, aumentando l'effetto di incastro meccanico.

Miglioramento della morfologia superficiale: "Il trattamento al plasma rimuove i contaminanti attraverso il bombardamento fisico e introduce gruppi attivi idrossile/carbossile, migliorando significativamente la resistenza al taglio interstrato."

2. Meccanismo di modificazione chimica

La modifica chimica delle fibre di carbonio ottiene principalmente un miglioramento interfacciale introducendo gruppi funzionali attivi:

Introduzione di gruppi funzionali contenenti ossigeno: l'ossidazione in fase liquida (utilizzando acido nitrico concentrato, acido solforico concentrato, perossido di idrogeno, ecc. come ossidanti) e l'ossidazione elettrochimica possono aumentare significativamente i tipi e il numero di gruppi funzionali contenenti ossigeno (come gruppi idrossilici e carbossilici) sulla superficie della fibra di carbonio. "Il trattamento potenziometrico elettrolitico può aumentare il contenuto di ossigeno sulla superficie della fibra di carbonio dal 9,36% al 18,04%, ridurre l'angolo di contatto da 90,2° a 62,4° e aumentare la resistenza al taglio interlaminare fino al 56%."

Formazione di legami chimici: "DA o polidopamina (PDA) ottiene principalmente la modifica dell'innesto chimico facendo reagire -NH₂ nella molecola con i gruppi funzionali -C=O e -COO- sulla superficie della fibra di carbonio attraverso una reazione di base di Schiff, formando legami chimici stabili sulla superficie della fibra di carbonio."

Reazione di innesto superficiale: il metodo di innesto superficiale prevede "il posizionamento della fibra di carbonio in un'atmosfera di monomeri attivi, dove, sotto l'azione di un iniziatore, i monomeri reagiscono con i gruppi attivi o gli atomi di carbonio marginali sulla fibra".

Metodo di modifica speciale: "Nella soluzione NH₄HCO₃, la superficie della fibra subisce principalmente una reazione elettrolitica di rilascio dell'ossigeno dell'acqua e una reazione di ossidazione elettrochimica di alcune sostanze elettroattive; il contenuto di vari gruppi funzionali contenenti ossigeno sulla superficie della fibra cambia continuamente con l'estensione del tempo di trattamento e la reazione di NH₄⁺ con i gruppi funzionali sulla superficie della fibra introduce un gran numero di gruppi ammidici nella superficie della fibra." Modifica dell'agente di accoppiamento: "Un agente di accoppiamento aminosilano (KH550) è stato utilizzato per trattare la superficie delle fibre di carbonio, formando uno strato di interfaccia legato chimicamente.

Dopo la modifica: il numero di gruppi funzionali attivi è aumentato: il contenuto di O-C=O è aumentato del 95,24% e il contenuto di C=O è aumentato del 508,45%, formando più siti di legame della resina.

III. Prestazioni complete degli effetti di modifica

Dopo la modifica, la polarità superficiale delle fibre di carbonio è migliorata significativamente, l'angolo di contatto è diminuito e la bagnabilità è aumentata, migliorando così efficacemente le proprietà interfacciali del materiale composito. "La tecnologia di modificazione della superficie migliora l'attività superficiale delle fibre di carbonio, rafforza le proprietà interfacciali tra le fibre di carbonio e il materiale della matrice e migliora la loro adesione alla matrice."

Nelle applicazioni pratiche, la resistenza al taglio interfacciale tra le fibre di carbonio modificate e la matrice di resina è notevolmente migliorata. "L'IFSS delle fibre di carbonio modificate DA e della resina epossidica E51 è aumentato a 65,32 MPa, un aumento del 47,35% rispetto alle fibre di carbonio non modificate."

In sintesi,fibra di carboniola modifica migliora efficacemente le proprietà interfacciali tra le fibre di carbonio e la matrice attraverso meccanismi sia fisici che chimici, migliorando così in modo significativo le prestazioni complessive del materiale composito.

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