基于尼龙复合材料的碳纤维表面改性

干燥的修改

(1)气相氧化法
气相氧化法是直接将CF置于氧化气体中进行表面氧化处理。气相氧化法简单、经济、实用，对纤维改性效果好。该方法主要是对CF表面进行氧化，使CF表面更加粗糙，提高CF与PA树脂基体之间的机械锁紧力。同时，活性官能团的引入提高了CF的表面能和CF与PA基体之间的化学键结合力。例如，对CF表面进行空气氧化处理，可以增加改性CF的表面粗糙度和比表面积，增加CF与PA基体之间的机械联锁力;纤维表面形成的羧基(- COOH)和羟基(- OH)官能团容易与PA基体中的酰胺键发生反应，联锁力和化学键能有效提高CFRPA的界面结合力。除空气外，臭氧(O3)也可作为氧化剂氧化CF表面，- COOH在CF表面的引入改善了CF与PA6基体之间的润湿性，增强了CF与基体之间的界面附着力。

(2)等离子体氧化法
等离子体氧化是一种重要的CF改性方法。等离子体处理后，CF表面形成了- Oh、醚、羰基等活性官能团。目前，最常用的方法是用低温等离子体对CF表面进行改性。经空气等离子体处理后，CF表面可形成大量含氧极性官能团，提高了CF的表面活性，提高了纤维与PA基体的润湿性和相互作用力。同时，这种改性方法不会对CF的强度产生不利影响。利用氧等离子体对CF表面进行改性，可以使CF表面发生氧化和蚀刻。同时，CF表面含氧活性基团含量增加，CF与PA基体的润湿性提高。

(3)辐照处理方法
辐射处理作为高分子改性的一项高新技术，具有环保、节能、高效、工艺简单等优点。该技术在不损失CF本身强度的前提下，能有效增强CF与PA基体之间的界面附着力。辐照光源包括x射线γ电子束、微波和紫外线。经x射线辐照的CF表面比未改性的CF表面更加粗糙，这增加了CF与PA基体之间的机械互锁力。

通过辐照处理可以提高CF的表面活性，但过度辐照会破坏CF的表面结构，进而影响复合材料的界面粘附性。因此，辐照剂量的控制对复合材料的成功改性起着重要作用。

与其他表面处理方法相比，辐照处理具有明显的优势。该方法高效节能，操作简单，不会在CF表面引入其他杂质。最重要的是，适当的辐照处理不会破坏纤维本身的内部结构和力学性能。但是，放射治疗还有其他缺点，如设备昂贵;CF改性机理尚不完全清楚，改性结果不确定。虽然这种修改方法存在一些缺点，但随着科学技术的进步，它将受到越来越多的关注。

湿法改性

(1)液相氧化法
液相氧化法是将CF置于强酸(如浓硝酸)溶液中，使纤维表面氧化生成- COOH和- OH基团，提高CF的表面活性，同时强酸会腐蚀CF表面，增加表面粗糙度，甚至在表面形成腐蚀孔，增加CF与基体之间的机械锁紧力。一般情况下，强酸改性后的CF表面可以通过红外光谱、傅里叶变换红外衰减全反射和XPS等方法进行分析。

CF在强酸氧化过程中表面粗糙度增大，其表面会形成凹坑、微裂纹等缺陷，会降低单个CF的强度。

(2)阳极电解氧化法
电化学改性是碳纤维表面改性的另一种重要方法。在阳极电解氧化法中，使用CF作为阳极，而阴极通常是石墨。CF表面通过电解氧化形成含氧官能团，提高了CF的表面能和粗糙度。例如，以碳酸氢铵为电解质，以CF为阳极对CF进行改性，可以蚀刻CF表面。经阳极氧化处理后的纤维表面粗糙度明显高于未经处理的纤维，CF与PA基体之间的相互作用力增加;另一方面，纤维表面含氮、含氧官能团增多。这些基团的出现提高了CF表面的润湿性，增加了CF的表面活性，并能更好地提高CF与PA树脂基体之间的附着力。

(3)施胶处理
施胶处理可以在纤维表面引入大量的活性官能团，提高CF的表面活性，产生的官能团会进一步与基体发生反应，从而使纤维与树脂基体结合更加紧密。这种方法不会在纤维表面造成缺陷，也不会影响其抗拉强度。

施胶剂的选择非常重要。它与CF和树脂基体的相容性直接决定了CF与基体的附着力。因此，CF分级是一个非常复杂的过程。当施胶剂扩散到聚合物基体中时，复合材料的界面强度会受到影响。界面强度的增减取决于它们之间的相容性。

在CF表面涂施胶剂可有效提高CF与树脂基体的界面附着力，不会影响CF本身的优异性能。但不同的基材需要不同的涂层材料，才能达到最佳的改性效果。目前，关于施胶剂的选择还没有系统的理论。研究开发适应性好、效率高、更环保的施胶剂是未来发展的重点。

纳米材料的多尺度改性

在CF表面附着“多尺度”纳米材料是一种有效的改性方法，可以提高纤维表面的化学活性，增加纤维与树脂基体的润湿性，提高CF与PA之间的界面附着力。利用纳米材料改性纤维表面的方法主要有两种。一种方法是通过简单的浸涂方法将纤维浸入含有纳米材料的悬浮液中。另一种方法是通过化学气相沉积(CVD)和注射化学气相沉积(ICVD)等沉积技术将这些纳米材料直接嫁接到纤维表面。这两种技术各有优缺点。例如，后者可以提高纤维/基体界面结合强度，但会降低单纤维强度。而采用浸涂法在CF表面引入纳米材料，可以增加CF的表面粗糙度，改变CF纤维的表面活性，从而增强CF与PA之间的化学键合力。

石墨烯和碳纳米管(CNTs)可用于改性CF表面。如果以六亚甲基二异氰酸酯(HDI)为偶联剂，将氧化石墨烯(go)接枝到CF表面，可以提高纤维表面的活性，提高纤维与PA基体之间的界面附着力。改性CFRPA复合材料的界面剪切强度比未改性CFRPA复合材料提高了40%左右。

CNTs由于其优异的力学性能和导电性，常被用作提高复合材料力学性能和导电性的添加剂。在CF表面接枝CNTs可以有效改善CF增强复合材料的界面性能。目前的研究主要集中在CF接枝CNTs对CF增强环氧树脂复合材料界面的影响。在纤维表面接枝CNTs可有效提高其比表面积，增强CF与PA基体之间的机械联锁力，促进基体与纤维之间的应力传递;CNTs在CF表面接枝的过程中，会引入大量的活性官能团，提高CF和PA基体的润湿性，纤维与基体之间形成大量的化学键，从而提高复合材料的界面附着力。CNTs接枝CF表面的最终改性效果取决于CNTs在CF表面的均匀分布程度以及CNTs与CF的结合强度。