Modificación de fibra de carbono

I. Propósito de la modificación de la fibra de carbono

Mejorar la compatibilidad entrefibra de carbonoy la matriz: mejorar las propiedades mecánicas de los materiales compuestos y fortalecer el entrelazado mecánico, la adhesión física y la unión química entre la superficie de la fibra y la matriz.

Mejora de la unión interfacial: durante la fabricación, las fibras de carbono se someten a un tratamiento de carbonización a alta temperatura por encima de 1000 ℃, lo que da como resultado una superficie lisa que carece de grupos funcionales activos. Esto conduce a una superficie inerte, una mala adhesión a los polímeros y una unión interfacial débil, lo que afecta directamente la resistencia al corte interlaminar del material compuesto.

Mejora de la actividad de la superficie: esto permite una transferencia efectiva de carga de tensión entre la fibra de carbono y el material de la matriz, aumentando así el valor del material de fibra en aplicaciones industriales.

Mejora de las propiedades de la fibra: esto incluye mejorar la resistencia a la temperatura y la resistencia a la oxidación, lo que se puede lograr introduciendo trazas de elementos como P, B y Zn en la superficie de la fibra o recubriéndola con capas metálicas o no metálicas.

II. Análisis del mecanismo de modificación.

1. Mecanismo de modificación física: La modificación física de las fibras de carbono logra principalmente el refuerzo interfacial aumentando la rugosidad superficial y el área superficial específica:

Aumento de la rugosidad de la superficie: métodos como la oxidación en fase gaseosa y el tratamiento con plasma pueden aumentar significativamente la rugosidad de la superficie de las fibras de carbono. "El tratamiento con plasma de argón a presión atmosférica puede aumentar el contenido de oxígeno en la superficie de la fibra de carbono en un 22,5%, reducir el ángulo de contacto con el agua a 45,1° y mantener la resistencia a la tracción en 3,23 GPa después de 300 segundos de tratamiento". Las pruebas AFM mostraron que la rugosidad de la superficie (Ra) aumentó de 0,31 μm a 0,47 μm.

Grabado y activación de la superficie: el tratamiento de oxidación electroquímica, a través de un "proceso combinado de grabado de oxidación capa por capa y cambios de grupo funcional", crea microporos y ranuras en la superficie de la fibra de carbono, aumentando el efecto de entrelazado mecánico.

Mejora de la morfología de la superficie: "El tratamiento con plasma elimina los contaminantes mediante bombardeo físico e introduce grupos activos hidroxilo/carboxilo, lo que mejora significativamente la resistencia al corte entre capas".

2. Mecanismo de modificación química

La modificación química de las fibras de carbono logra principalmente una mejora interfacial mediante la introducción de grupos funcionales activos:

Introducción de grupos funcionales que contienen oxígeno: la oxidación en fase líquida (usando ácido nítrico concentrado, ácido sulfúrico concentrado, peróxido de hidrógeno, etc. como oxidantes) y la oxidación electroquímica pueden aumentar significativamente los tipos y números de grupos funcionales que contienen oxígeno (como los grupos hidroxilo y carboxilo) en la superficie de la fibra de carbono. "El tratamiento potenciométrico electrolítico puede aumentar el contenido de oxígeno en la superficie de la fibra de carbono del 9,36% al 18,04%, reducir el ángulo de contacto de 90,2° a 62,4° y aumentar la resistencia al corte interlaminar hasta en un 56%".

Formación de enlaces químicos: "La DA o polidopamina (PDA) logra principalmente la modificación química del injerto al hacer reaccionar el -NH₂ en la molécula con los grupos funcionales -C=O y -COO- en la superficie de la fibra de carbono a través de una reacción de base de Schiff, formando enlaces químicos estables en la superficie de la fibra de carbono".

Reacción de injerto de superficie: El método de injerto de superficie implica "colocar la fibra de carbono en una atmósfera de monómeros activos, donde, bajo la acción de un iniciador, los monómeros reaccionan con los grupos activos o átomos de carbono de los bordes de la fibra".

Método de modificación especial: "En solución de NH₄HCO₃, la superficie de la fibra sufre principalmente una reacción electrolítica de liberación de oxígeno del agua y una reacción de oxidación electroquímica de algunas sustancias electroactivas; el contenido de varios grupos funcionales que contienen oxígeno en la superficie de la fibra cambia continuamente con la extensión del tiempo de tratamiento, y la reacción de NH₄⁺ con los grupos funcionales en la superficie de la fibra introduce una gran cantidad de grupos amida en la superficie de la fibra". Modificación del agente de acoplamiento: "Se utilizó un agente de acoplamiento de aminosilano (KH550) para tratar la superficie de las fibras de carbono, formando una capa de interfaz unida químicamente.

Después de la modificación: el número de grupos funcionales activos aumentó: el contenido de O-C=O aumentó en un 95,24% y el contenido de C=O aumentó en un 508,45%, formando más sitios de unión de resina".

III. Rendimiento integral de los efectos de modificación

Después de la modificación, la polaridad de la superficie de las fibras de carbono mejoró significativamente, el ángulo de contacto disminuyó y la humectabilidad mejoró, mejorando así efectivamente las propiedades interfaciales del material compuesto. "La tecnología de modificación de la superficie mejora la actividad superficial de las fibras de carbono, fortalece las propiedades interfaciales entre las fibras de carbono y el material de la matriz y mejora su adhesión a la matriz".

En aplicaciones prácticas, la resistencia al corte interfacial entre las fibras de carbono modificadas y la matriz de resina mejoró significativamente. "El IFSS de las fibras de carbono modificadas con DA y la resina epoxi E51 aumentó a 65,32 MPa, un aumento del 47,35 % en comparación con las fibras de carbono no modificadas".

En resumen,fibra de carbonoLa modificación mejora efectivamente las propiedades interfaciales entre las fibras de carbono y la matriz a través de mecanismos físicos y químicos, mejorando así significativamente el rendimiento general del material compuesto.

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