高性能纖維模壓成形前的表面處理技術 zundG3-硬質發泡台中雷射雕刻－丁彥廷焦點新聞熱搜

1、前言

高性能纖維由于有某些特殊的性能，其應用領域越來越廣泛，特別是以增強材料的復合，功能性材料的廣泛應用，使得復合材料的預成型的工藝越來越復雜、加工過程中的機械化、自動化的程度越來越高；目前復合材料已向結構件、主承力件、承受動載荷、沖擊載荷件的方向發展。但是，碳纖維、玻璃纖維的斷裂伸長率小。玻璃纖維的耐磨性、耐扭斷性差，吸水后裂紋擴展，更檢第了本身的耐磨性、耐扭斷性。碳纖維存在脆弱性等缺點，因此高性能纖維的可紡性、可織性較差。高性能纖維表面活性能低，基體與纖維在界面上難以形成理想的結合，這將會嚴重影響復合材料的力學性能。對高性能纖維進行表面處理是解決這些問題的有效的方法。這一領域的研究十分活躍，并取得了許多重要成果。

2、高性能纖維表面處理技術和研究

2.1 碳纖維

碳纖維存在脆弱性和抗氧化性等缺點，很少單獨使用。若單獨使用，在彎曲時極易破壞。故常與基體材料復合，加工成型成不同的復合材料。

    為了促進碳纖維與基體（金屬、陶瓷、橡膠等）兩相之間的粘接，提高復合材料性能，一般對碳纖維進行涂層處理，所獲得的涂層制品皆可稱之為碳纖維中間產品。樹脂基復合材料中間制品將是熱固性或熱塑性樹脂浸漬、涂膜或混煉到碳纖維束絲或短切纖維。氈或織物中制成不同品種的預浸料、粒料和片狀模塑等半成品；金屬基復合材料中間制品是采用CVD、熔融金屬預浸劑、離子鍍和電鍍等方法，將涂層物（如鈦硼鈉鋅鎂銅鋯硅及其碳化物）復合到碳纖維表面，制成涂層（單層成分或多層成分）的碳束絲，再通過基體金屬熔融，使液態金屬基體均勻地浸漬到已涂層地纖維束中，形成金屬基復合體。
    由于碳纖維為圓截面，比表面積小，邊緣活性原子少，表面能低，表面與樹脂接觸角大，使得纖維與樹脂接觸不良。為了克服這些缺陷，常對纖維進行表面氧化處理、涂層處理、電聚合和電沉積處理、等離子體處理。氧化處理由氣相、液相、陽極氧化三類。所有的氧化處理都是減量處理，即纖維在氧化的刻蝕作用下，被清潔、剝離和粗化。涂層法一般多應用沉積土層法，在高溫或還原氣氛中使金屬鹵化物等以碳化物的形式在纖維表面形成沉積膜。電聚合法是將現瓦誒作為陽極，在電極液中加入含不飽和的丙稀酸酯、苯乙烯、丙稀腈等大單體，通過電極反應產生自由基，在纖維表面發生聚合形成含有大分子支鏈的碳，以提高碳纖維表面活性。
    對碳纖維進行等離子表面處理的研究和應用成果很多。目前，常用的方法由（1）冷等離子體表面處理。在低壓（2～20Pa）下，相密閉的容器輸入高頻電源（一般13.6Hz）電感耦合而使氣體產生等離子，依氣體的化學處理活性不同，可分為惰性氣體（N2、Ar、He）等離子體處理活性氣體（O2、NH3、CO2）等離子體處理。（2）電暈放電等離子體處理，使用的氣體可以是惰性氣體或活性氣體、碳纖維表面等離子體處理后，拉伸強度提高70％左右。

2.1 玻璃纖維

    在拉制連接玻璃纖維中，在單根纖維表面涂敷的一種由粘結組分、潤滑組分和表面活性劑配置合成的乳液統稱為浸潤劑，分成紡織型和增強型兩種。20世紀80年代國外開發了增強紡織型浸潤劑。使用的紡織型浸潤劑主要是石蠟型浸潤劑。國際上廣泛使用的是淀粉－油浸潤劑。紡織型浸潤劑具有良好的集束性、浸滑性、成膜性和抗靜電性。主要用于生產玻璃纖維紡織加工制品，如玻璃紗線和織物等。增強型浸潤劑是專門為了生產增強用玻璃纖維發展起來的，它除了能滿足纖維生產工藝要求外，還要滿足纖維制品加工以及玻璃纖維復合材料成型中的多方面要求，更主要的是改善樹脂對纖維浸潤行，提高樹脂與纖維的粘接力。主要成分油：成膜劑、偶聯劑、潤滑劑和潤濕機、抗靜電劑及其它添加劑。
    增強紡織型親潤劑是國際上80年代新發展的用于三向編織紗的親潤劑，其紗既有良好的紡織性能既有良好的紡織性能，可經受苛刻的制造條件而保持較高的強度，又可直接浸潤樹脂，有較高的浸透性。此種浸潤劑的成膜劑主要采用水溶性聚氨酯乳液，聚丙烯酸酯乳液等。此種浸潤劑已在研制成功，定名為N-40系列增強型親潤劑。
    研究表明，玻璃纖維經0.2％陽離子活性劑水溶液處理后，耐磨性提高200多倍，經A-172硅烷偶聯劑處理，耐扭斷性液可大幅度提高。而且，經硅烷偶聯劑處理的玻璃纖維能有效地解決玻璃纖維增強聚丙烯復合材料中，由于聚丙烯基體材料地非常性而導致纖維界面粘性差，影響復合材料的力學性能的問題，研究表面，馬來酸酐接枝改性的基體與未經偶聯劑溶液處理的玻璃纖維能產生化學反應，形成良好的界面粘性，顯著提高復合材料的拉伸、彎曲性能。

2.3 超高分子量聚乙烯纖維
    超高分子量聚乙烯纖維具有高強度、高模量的獨特性能，其力學性能已超過了KEVLAR纖維。質輕、耐磨、耐腐蝕、優異的耐沖擊性能。但由于聚乙烯大分子無極性基團，無化學活性，表面能很低，纖維與樹脂之間難以產生化學鍵結合，纖維分子與樹脂分子之間不易產生較強的相互作用力，纖維液不易倍樹脂浸潤。纖維表面光滑，纖度較高，比表面積小，不利于纖維與樹脂的結合。
    改善纖維粘接強度的有效方法之一是在纖維的表面引入反應性基團，使制能與基體材料分子上的基團反應，同時，又能增加纖維表面能，并改善纖維的浸潤行。引入反應性基團通常采用化學刻蝕或接枝，涂層和氧化等方法，但因纖維的化學惰性，很難改善纖維的表面粘合性。低溫等離子體表面改性能有效地提高纖維地表面能，并引入極性基團，產生刻蝕，從而提高和改善纖維與樹脂地結合能力，而對纖維地性能損傷很小。
    有機氣體或蒸氣和通過等離子態形成聚合物，在纖維比哦阿門形成涂層，從而改變表面性能。如：丙稀胺等離子處理UHMW-PE纖維時，在纖維表面形成地聚合物層中含有大量地一級胺，少量地二級胺、三級胺、腈等官能團，還有CO、CN等不飽和官能團，是纖維地界面粘合性有所改善。但對纖維本身強度有輕微地損傷。
    日本三菱化成公司對浸漬環氧樹脂錢地UHMW-PE纖維進行火焰處理，制得的預浸料和片材適用于作船舶的結構構件和建筑板材。Stamicarbon公司采用材氧或二氧化碳中進行電暈來處理UHMW-PE纖維表面，大大提高了纖維對聚酯、環氧和聚酰胺基材的粘結性，處理后纖維的熔點可提高8℃。另外，在紡絲液中添加填料液可改善纖維的粘結性、浸潤性。

2.4 芳綸纖維
芳綸纖維表面改性方法主要有化學改性和物理改性方法兩種。化學改性是通過硝化/還原、鹵氯磺化等化學反應，在纖維表面引入胺基等活性或極性基團，通過化學鍵合或極性作用提高纖維與基體之間的粘合強度；而物理改性方法則是通過等離子體，電子束等物理技術對纖維表面進行刻蝕和清洗，并在纖維表面引入羥基、羰基等極性或活性基團，還可以在纖維表面形成一些活性中心，進而引發接枝聚合，通過刻蝕、清洗、活化和接枝的綜合作用，改善纖維表面的物理和化學狀態，進而提高纖維與基體之間的相互作用。在上述改性方法中，冷等離子體改性是應用為廣泛的一種。
有些學者將一種大分子接枝偶聯劑MGC, 采用等離子體處理將大分子直接接枝到F-12.采用硅烷偶聯劑A和雙官能的大分子預聚物B在適當的催化劑催化下生成大分子接枝偶聯劑MGC系列，將纖維收卷在框上，在120℃、20

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