碳纖維被譽(yù)為“黑色黃金”，不僅承認(rèn)了其物質(zhì)價(jià)值，同樣也是肯定了其應(yīng)用價(jià)值。碳纖維可以與不同基體組成性能更加完善的復(fù)合材料，目前使用較多的為熱固性樹脂（如環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂等），而更具潛力的熱塑性樹脂也有不少成功的應(yīng)用案例，如聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚酰胺等。碳纖維自身惰性較強(qiáng)，熱塑性樹脂高溫熔融狀態(tài)粘性較大，因此結(jié)合難度極高。需要對碳纖維進(jìn)行一定的表面處理，才能更好的與熱塑性樹脂相結(jié)合。智上新材將結(jié)合專業(yè)論文，介紹一種在碳纖維表面增加聚合物膠體涂層的方式，可以提高碳纖維表面活性，改善碳纖維與熱塑性樹脂之間的界面粘附力。
　　
 
　　聚合物膠體改性碳纖維后，電鏡觀察吸附的PMMA顆粒數(shù)量
　　
　　為了研究聚合物顆粒甲基丙烯酸甲酯（MMA）在碳纖維上的吸附能力，通過使用硫酸鉀（KPS）或 2,2'-偶氮雙(2-甲基丙脒)二鹽酸鹽（V-50）的無皂乳液聚合制備了聚合物膠體。在無皂乳液聚合中使用的水通過純化系統(tǒng)純化，電導(dǎo)率< 1.0*10-5 S/m，然后通過氮?dú)馊コ芙庋?，以甲基丙烯酸甲?(MMA) 作為聚合單體。使用過硫酸鉀 (KPS) 和 2,2'-偶氮雙(2-甲基丙脒) 二鹽酸鹽 (V-50) 作為自由基引發(fā)劑，無需進(jìn)一步純化，其中 KPS 或 V-50 使得 MMA 顆粒分別帶負(fù)電或正電。
　　
　　使用標(biāo)準(zhǔn)電化學(xué)氧化法處理并改性碳纖維，去除上漿劑后待用。將改性后的碳纖維浸入聚合物膠體中 1 天，以便在其表面吸附聚合物顆粒，然后用水清洗碳纖維以去除多余的聚合物顆粒，并在室溫下干燥。通過電子顯微鏡觀察碳纖維和顆粒的形態(tài)。通過熱重分析儀的 TG 曲線計(jì)算碳纖維上吸附的 PMMA 顆粒的數(shù)量。
　　
 
上圖顯示了用兩種聚合物膠體改性的碳纖維的 SEM 圖像，發(fā)現(xiàn)用 V-50 合成的帶正電的聚合物顆粒（右）比用 KPS 合成的帶負(fù)電的聚合物顆粒（左）更多地吸附在碳纖維上。這表明碳纖維在水中帶負(fù)電，吸引力可能源于纖維和顆粒之間的靜電相互作用，帶正電的聚合物膠體（V-50）有效地吸附在碳纖維表面。此時(shí)，通過 TG 曲線計(jì)算碳纖維上吸附的 PMMA 顆粒的量為 0.056 g/m2。
 
 
　　制備復(fù)合材料試樣后，使用拉伸設(shè)備實(shí)驗(yàn)評估機(jī)械性能變化
　　
使用熱壓機(jī)將改性后的單根碳纖維置于兩片 PMMA 薄膜之間，制備成對應(yīng)的復(fù)合材料試樣，以待后續(xù)的拉伸實(shí)驗(yàn)使用。先在PMMA顆粒吸附前后，通過熱壓機(jī)在 180°C 下熱壓 1 分鐘，然后在 25°C 下放置在用水冷卻的鋼板之間冷卻，然后將薄膜切割成 25 mm 標(biāo)距長度和 4 mm 寬度的條狀試樣。界面剪切強(qiáng)度 (τm) 計(jì)算公式為：τm = Dσf / 2lc，其中有效長度 (lc) 計(jì)算公式為：<L> = 3/4 * lc。
　　
　　通過激光束在纖維上的衍射測量碳纖維的平均直徑 (D)。通過使用單纖維拉伸試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行 Weibull 分析估算碳纖維的抗拉強(qiáng)度 (σf) (長度為 lc 的纖維)。使用拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。根據(jù) ASTM C-1577-03 標(biāo)準(zhǔn)，測試機(jī)在 25 mm 的標(biāo)距長度下以 1 mm/min 的速度運(yùn)行。
　　
 
　　結(jié)果表明，碳纖維與樹脂之間的界面剪切強(qiáng)度為 8.18 ± 1.73 MPa，表面吸附PMMA涂層的碳纖維與樹脂之間的界面剪切強(qiáng)度為 13.3 ± 3.40 MPa，證實(shí)經(jīng)過表面處理的復(fù)合材料的界面剪切強(qiáng)度提升較為明顯。另外在空氣中以 50°C/min 的升溫速率，使用數(shù)字顯微鏡觀察到 PMMA 顆粒在碳纖維上熔化變形并均勻地涂覆在碳纖維表面，溫度增加時(shí)制備的改性碳纖維與樹脂復(fù)合材料的表面粘附力同樣得到加強(qiáng)。
　　
 
　　實(shí)驗(yàn)證明，聚合物膠體處理后的碳纖維表面，更容易吸附PMMA顆粒，并改善了碳纖維與PMMA樹脂的界面粘附力，最終提升了復(fù)合材料的界面剪切強(qiáng)度。碳纖維表面改性是改善熱塑性碳纖維復(fù)合材料制備難題的一種可行性方式，包括但不限于聚合物膠體處理。智上新材認(rèn)為，不管是當(dāng)下，還是未來，在這方面的努力都不會(huì)停止，直到更易于批量生產(chǎn)的方式出現(xiàn)。