浅谈碳纤维表面处理方法

摘要：主要综述了碳纤维导电混凝土中碳纤维表面处理常用的方法。碳纤维表面处理对提高其在混凝土中分散的均匀性是一个重要的保证措施，针对其不同的使用要求，应采用不同的表面处理方法。

关键词：碳纤维；碳纤维导电混凝土；表面处理

1 引言

碳纤维在混凝土中的分散状态是碳纤维混凝土制备和应用过程中的关键问题，对其导电性能、电一力和力一电等效应具有重要的影响。国内外学者对碳纤维的分散开展了大量研究工作，美国纽约州立大学布法罗分校的D.D.L.Chung最早采用甲基纤维素（MC）作为分散剂对纤维分散进行改善。此外，她还提出对碳纤维进行表面改性的两种方法：一种是将碳纤维浸泡在强氧化剂溶液中或在臭氧中处理[1]，在其表面形成具有亲水性的含氧官能团；另一种方法是将碳纤维浸泡在硅烷偶联剂溶液中，在纤维表面形成硅烷涂层而提高亲水性。孙辉、孙明清等发现在水泥浆体中掺加羧甲基纤维素钠（CMC）和硅灰能显著改善碳纤维的分散性。王闯等[2]使用甲基纤维素（MC）、羧甲基纤维素钠（CMC）、羟乙基纤维素（HEC）3种常用分散剂后发现分散剂对短碳纤维的分散效果为HEC>CMC>MC。

2 常用表面处理方法

2.1 阳极氧化法

阳极氧化法，又称为电化学氧化表面处理，是以碳纤维作为电解池的阳极，石墨作为阴极，在电解水的过程中利用阳极生产的“氧”，氧化碳纤维表面的碳及其含氧官能团，将其先氧化成羟基，之后逐步氧化成酮基、羧基和二氧化碳的过程。

阳极氧化法对碳纤维的处理效果不仅与电解质的种类密切相关，并且增加电流密度与延长氧化时间是等效的。该表面处理方法可以通过改变反应温度、电解质浓度、处理时间和电流密度等条件进行控制。

通过此方法处理后，使碳纤维表面引入各种功能基团而改善纤维的浸润和黏接等特性，显著增加碳纤维增强复合材料的力学性能。庄毅等[3]采用碳酸氢铵为电解质，对PAN基碳纤维进行阳极氧化处理后，测试发现复合材料的层间剪切断裂转变为张力断裂，使其ILSS提高了49%。

阳极氧化法的特点是氧化反应缓和，易于控制，处理效果显著，可对氧化程度进行精确

控制，目前已得到广泛应用，是目前最具有实用价值的方法之一。 但是处理后残留电解质的洗净和干燥十分繁琐，需要连续的电化学处理设备，对处理后的碳纤维进行充分的水洗、烘干，会增加处理成本。

2.2 液相氧化法

液相氧化法是采用液相介质对碳纤维表面进行氧化的方法。常用的液相介质有浓硝酸、混合酸和强氧化剂等，其中硝酸是液相氧化中研究较多的。杜慧玲等[4]用65%的浓硝酸在煮沸8h情况下，处理PAN基碳纤维，制得的C/PAL复合材料的弯曲强度提高12.9%，横向剪切强度提高63.4%，平面剪切强度提高15.6%，并通过X-射线电子能谱分析，发现复合材料界面黏结性能得到改善的根本原因是在界面区域发生了酯化反应。

液相氧化法相对较为温和，一般不使纤维产生过多的起坑和裂解。但是其处理时间较长，与碳纤维生产线匹配难，多用于间歇表面处理。

2.3 气相氧化法

气相氧化法是将碳纤维暴露在氧化性气体（如空气、氧气和臭氧等）中，在一定温度和催化剂等特殊条件下使其表面氧化成如羟基和羧基等一些活性基团。氧化处理后，碳纤维表面积增大，官能团增多，可以提高复合材料界面的黏接强度和材料的力学性能。

冀克俭等[5]采用臭氧氧化法对碳纤维进行了表面处理，发现碳纤维表面羟基或醚基官能团的含量提高，其与环氧树脂制成复合材料后的ILSS提高35%。王玉果等[6]对碳纤维在400℃空气氧化处理1 h和450℃处理1 h后制成三维编织碳纤维/环氧复合材料，研究发现其力学性能（冲击强度除外）随处理温度的升高而增加。近年来，利用惰性气体氧化法进行表面处理，也得到了研究人员的关注。

此方法的优点是可以方便在线配套使用。但是氧化的均匀性有待商榷，氧化条件稍有改变就会造成氧化过度，从而对碳纤维的强度造成极大的损伤。

2.4 等离子体氧化法

等离子体是具有足够数量，而且电荷数近似相等的正负带电粒子的物质聚集态。用等离子体氧化法对纤维表面进行改性处理，通常指利用非聚合性气体（可以是活性气体，也可是惰性气体）对材料表面进行物理和化学作用的过程。

等离子体表面处理时，电场中产生的大量等离子体及其高能的自由电子撞击碳纤维表面晶角、晶边等缺陷处，促使纤维表层产生活性基团，在空气中氧化后生产羰基、羧基等基团。

华东理工大学贾玲等[7]将碳纤维预浸芳基乙炔进行空气等离子处理，使芳基乙炔接枝在碳纤维上，结果表明：经过等离子处理后的碳纤维/芳基乙炔复合材料的ILSS最大可提高12.4MPa，而碳布接枝了丙烯酸单体以后，ILSS最大提高到51.27MPa。

此表面处理方法可在低温下进行，避免高温对纤维的损伤；处理时间短，经改性的表面厚度薄，可做到使材料表面性质发生较大的变化，而本体的性质基本保持不变。且经等离子体处理的纤维干燥、干净，免去了后续处理工艺。但是等离子体的生产需要一定的真空环境，设备复杂，因此，给连续、稳定和长时间处理带来一定的困难。

2.5 表面涂层改性法

将某种聚合物涂覆在碳纤维表面，改变复合材料界面层的结构与性能，使界面极性等相适应以提高界面黏结强度，并提供一个可塑界面层，以消除界面内应力。用热塑性PPQ作为涂覆剂，涂层处理碳纤维表面增强环氧树脂，使CFRP的层间剪切强度由64.4MPa提高到78.9MPa。

2.6 气液双效氧化法

气液双效氧化法是指先用液相涂层，后用气相氧化，使碳纤维的自身抗拉强度及其复合材料的层间剪切强度均得到提高。贺福等[8]用此方法对碳纤维表面进行了处理，羰基的质量分数由13.6%提高到16.0%，层间剪切强度由70.0MPa提高到96.6MPa，拉伸强度的提高幅度为6%～19%。

该方法兼具液相补强和气相氧化的作用，是新一代的碳纤维表面处理方法。但存在于气相氧化法相同的缺点，即反应激烈，反应条件难以控制。

3 结语

碳纤维的各种表面处理方法各有特点，有一部分方法还只停留在实验室阶段，如气相沉积法和等离子法等。但是复合表面处理法可适当调和几种表面处理方法的优缺点，必将成为今后碳纤维表面处理的主要研究方向。随着社会的发展，未来对碳纤维导电混凝土的需求必然增加，同时对混凝土的整体性能提出更高的要求。通过改善增强纤维的表面性能，提高纤维在水泥基体内的分散程度，以降低混凝土的导电性能，必然会得到更高的重视。

参考文献

[1]Fu X L，Lu w M，Chung D D L.[J].Cement and ConcreteResearch，1996，26（10）：1485―1488.

[2]王闯，李克智，李贺军.[J].精细化工，2007，1：1-4.

[3]庄毅，梁节英，刘杰.PAN基碳纤维阳极电解氧化表面处理的研究[J].合成纤维工业，2003，26（3）：5-8.

[4]杜慧玲，齐锦刚，庞洪涛，等.表面处理对碳纤维增强聚乳酸材料界面性能的影响[J].材料保护，2003，36（2）：16 - 18.

[5]冀克俭，邓卫华，陈刚，等，臭氧处理对碳纤维表面及其复合材料性能的影响[J].工程塑料应用，2003，31（5）：34 - 36.

[6]王玉果，王玉林，万怡灶，等，纤维表面处理对三维编织碳纤维/环氧复合材料力学性能的影响[J].工兵器材料科学与工程，2001，24（2）：41 - 43 .