Carbonfaser-Modifikation

I. Zweck der Kohlenstofffasermodifikation

Verbesserung der Kompatibilität zwischenKohlefaserund die Matrix: Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Verbundwerkstoffen und Stärkung der mechanischen Verzahnung, physikalischen Adhäsion und chemischen Bindung zwischen der Faseroberfläche und der Matrix.

Verbesserung der Grenzflächenbindung: Bei der Herstellung werden Kohlenstofffasern einer Hochtemperatur-Karbonisierungsbehandlung bei über 1000 °C unterzogen, was zu einer glatten Oberfläche ohne aktive funktionelle Gruppen führt. Dies führt zu Oberflächenträgheit, schlechter Haftung an Polymeren und schwacher Grenzflächenbindung, was sich direkt auf die interlaminare Scherfestigkeit des Verbundmaterials auswirkt.

Verbesserung der Oberflächenaktivität: Dies ermöglicht eine effektive Spannungslastübertragung zwischen der Kohlenstofffaser und dem Matrixmaterial und erhöht dadurch den Wert des Fasermaterials in industriellen Anwendungen.

Verbesserung der Fasereigenschaften: Dazu gehört die Verbesserung der Temperaturbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit, die durch das Einbringen von Spurenmengen von Elementen wie P, B und Zn auf die Faseroberfläche oder durch die Beschichtung mit metallischen oder nichtmetallischen Schichten erreicht werden kann.

II. Mechanismusanalyse der Modifikation

1. Physikalischer Modifikationsmechanismus: Durch die physikalische Modifikation von Kohlenstofffasern wird hauptsächlich eine Grenzflächenverstärkung durch Erhöhung der Oberflächenrauheit und der spezifischen Oberfläche erreicht:

Erhöhung der Oberflächenrauheit: Methoden wie Gasphasenoxidation und Plasmabehandlung können die Oberflächenrauheit von Kohlenstofffasern deutlich erhöhen. „Eine Argonplasmabehandlung bei Atmosphärendruck kann den Sauerstoffgehalt auf der Kohlenstofffaseroberfläche um 22,5 % erhöhen, den Wasserkontaktwinkel auf 45,1° reduzieren und die Zugfestigkeit nach 300 Sekunden Behandlung bei 3,23 GPa halten.“ AFM-Tests zeigten, dass die Oberflächenrauheit (Ra) von 0,31 μm auf 0,47 μm anstieg.

Oberflächenätzung und -aktivierung: Die elektrochemische Oxidationsbehandlung erzeugt durch einen „kombinierten Prozess aus schichtweisem Oxidationsätzen und Veränderungen funktioneller Gruppen“ Mikroporen und Rillen auf der Kohlenstofffaseroberfläche und erhöht so den mechanischen Verriegelungseffekt.

Verbesserung der Oberflächenmorphologie: „Die Plasmabehandlung entfernt Verunreinigungen durch physikalischen Beschuss und führt aktive Hydroxyl-/Carboxylgruppen ein, wodurch die Scherfestigkeit zwischen den Schichten erheblich verbessert wird.“

2. Chemischer Modifikationsmechanismus

Durch die chemische Modifikation von Kohlenstofffasern wird vor allem eine Grenzflächenverstärkung durch die Einführung aktiver funktioneller Gruppen erreicht:

Einführung sauerstoffhaltiger funktioneller Gruppen: Flüssigphasenoxidation (mit konzentrierter Salpetersäure, konzentrierter Schwefelsäure, Wasserstoffperoxid usw. als Oxidationsmittel) und elektrochemische Oxidation können die Art und Anzahl sauerstoffhaltiger funktioneller Gruppen (wie Hydroxyl- und Carboxylgruppen) auf der Kohlenstofffaseroberfläche erheblich erhöhen. „Eine elektrolytische potentiometrische Behandlung kann den Sauerstoffgehalt auf der Kohlenstofffaseroberfläche von 9,36 % auf 18,04 % erhöhen, den Kontaktwinkel von 90,2° auf 62,4° reduzieren und die interlaminare Scherfestigkeit um bis zu 56 % erhöhen.“

Bildung chemischer Bindungen: „DA oder Polydopamin (PDA) erreicht eine chemische Pfropfmodifikation hauptsächlich durch die Reaktion des -NH₂ im Molekül mit den funktionellen Gruppen -C=O und -COO- auf der Kohlenstofffaseroberfläche durch eine Schiff-Base-Reaktion, wodurch stabile chemische Bindungen auf der Kohlenstofffaseroberfläche gebildet werden.“

Oberflächenpfropfungsreaktion: Bei der Oberflächenpfropfmethode wird „die Kohlenstofffaser in eine Atmosphäre aus aktiven Monomeren gebracht, wo die Monomere unter der Wirkung eines Initiators mit den aktiven Gruppen oder Randkohlenstoffatomen auf der Faser reagieren“.

Spezielle Modifikationsmethode: „In einer NH₄HCO₃-Lösung unterliegt die Faseroberfläche hauptsächlich einer elektrolytischen Sauerstofffreisetzungsreaktion von Wasser und einer elektrochemischen Oxidationsreaktion einiger elektroaktiver Substanzen; der Gehalt verschiedener sauerstoffhaltiger funktioneller Gruppen auf der Faseroberfläche ändert sich kontinuierlich mit der Verlängerung der Behandlungszeit, und die Reaktion von NH₄⁺ mit den funktionellen Gruppen auf der Faseroberfläche führt eine große Anzahl von Amidgruppen in die Faseroberfläche ein.“ Modifikation des Haftvermittlers: „Ein Aminosilan-Haftvermittler (KH550) wurde verwendet, um die Oberfläche von Kohlenstofffasern zu behandeln und eine chemisch gebundene Grenzflächenschicht zu bilden.

Nach der Modifikation: Die Anzahl der aktiven funktionellen Gruppen nahm zu: Der O-C=O-Gehalt erhöhte sich um 95,24 % und der C=O-Gehalt stieg um 508,45 %, wodurch mehr Harzbindungsstellen gebildet wurden.“

III. Umfassende Leistung von Modifikationseffekten

Nach der Modifizierung verbesserte sich die Oberflächenpolarität der Kohlenstofffasern erheblich, der Kontaktwinkel verringerte sich und die Benetzbarkeit verbesserte sich, wodurch die Grenzflächeneigenschaften des Verbundmaterials wirksam verbessert wurden. „Die Oberflächenmodifikationstechnologie erhöht die Oberflächenaktivität von Kohlenstofffasern, stärkt die Grenzflächeneigenschaften zwischen Kohlenstofffasern und dem Matrixmaterial und verbessert deren Haftung an der Matrix.“

In praktischen Anwendungen wurde die Grenzflächenscherfestigkeit zwischen modifizierten Kohlenstofffasern und der Harzmatrix deutlich verbessert. „Der IFSS von DA-modifizierten Kohlenstofffasern und Epoxidharz E51 stieg auf 65,32 MPa, eine Steigerung von 47,35 % im Vergleich zu unmodifizierten Kohlenstofffasern.“

Zusammenfassend:KohlefaserDurch die Modifizierung werden die Grenzflächeneigenschaften zwischen Kohlenstofffasern und der Matrix sowohl durch physikalische als auch chemische Mechanismen effektiv verbessert, wodurch die Gesamtleistung des Verbundmaterials erheblich verbessert wird.

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