等離子體處理工藝對汽車碳纖維表面改性的影響

文章出處：等離子清洗機廠家 | 深圳納恩科技有限公司| 發表時間：2022-09-06

碳纖維是含碳量95%以上的特種纖維。采用腈綸絲（PAN）等含碳的有機纖維，在惰性氣體氛圍中，施以一定的張力、壓強和溫度，經預氧化、碳化和石墨化等過程制得。碳纖維為石墨平面網層結構，如圖所示1-1所示。平面網層中的C原子由共價鍵相連，其結合力要遠大于平面網層間范德華力。故制備碳纖維常采用較高的熱處理溫度并施加合適的張力，以保證石墨平面網層與纖維軸向趨于平行，使纖維受到的外力更多地作用在相互平行的石墨平面網層上，當碳纖維受到拉力作用時不易發生斷裂。因此，碳纖維具有較高的強度和模量，其抗拉強度是鋼材的4-5倍，比強度是鋼材的10倍，且密度很小，僅為1.5-2g/cm3，相當于鋼材密度的1/5、鋁合金密度的1/2。碳纖維的熱膨脹系數小，能夠耐高溫和低溫，耐驟冷和急熱。碳纖維耐酸性能也很好，能耐濃酸腐蝕。此外，碳纖維還具有降噪、減震等優異性能。

圖 1-1 碳纖維石墨平面網層結構

正是由于碳纖維上述眾多優異的物理化學性能，并兼具紡織纖維柔軟易于加工性，被廣泛應用于汽車制造領域，助力實現汽車輕量化。根據2018全球碳纖維復合材料市場報告，碳纖維在汽車領域的需求量很大，市場份額占比11.7%，2018年需求量為10800噸，較2017年增長10.2%。寶馬2018年年報數據顯示，BMWi3電動車銷量同比增長10.6%，該電動車的坐艙全部采用碳纖維復合材料，使整個座艙減重達50%，其車身覆蓋件也部分采用碳纖維復合材料，使整車質量降到1.25t以下。此外，大眾、奔馳、雪鐵龍等多家汽車公司也在不斷研發應用于車身、座椅、底盤、傳動軸等重要部件的車用碳纖維復合材料，碳纖維有望成為實現汽車輕量化的重要材料。

碳纖維增強熱塑性樹脂復合材料在汽車制造領域有巨大的應用潛力，但碳纖維與熱塑性樹脂之間的粘結性能不佳，這將嚴重影響材料的力學性能。為改善碳纖維/熱塑性樹脂復合材料的界面性能，需要對碳纖維或熱塑性樹脂進行改性，碳纖維表面處理的方法很多，其中低溫等離子體技術是一種新的材料表面處理技術。低溫等離子體技術是一種干式工藝，具有節能、無公害、處理時間短、效率高以及能滿足環境保護要求等優點。

等離子處理改性碳纖維原理：

其原理包括兩方面如圖1-2所示：一是等離子體中存在高能（幾十電子伏特）的帶電粒子、紫外光及亞穩態粒子轟擊纖維表面，導致纖維分子激發、電離、化學鍵斷裂與重組等發生，一定時間后在纖維表面形成大量自由基和活性基團等新的化學結構；二是等離子體中的高能量電子可以加速較低溫度的活性粒子，使其在纖維表面引起濺射反應，清除纖維表面雜質，刻蝕纖維表面，導致纖維表面粗糙度增大并產生溝槽，增加了纖維與樹脂的接觸面積，進而增強了兩相之間的界面粘結強度。

圖1-2 等離子處理碳纖維原理

水滴角測試等離子體對碳纖維表面潤濕性的影響

碳纖維表面呈現非極性的特點。碳纖維表面處理的目的是改變碳纖維表面的極性和形貌，增強碳纖維與樹脂之間的界面性能。水是一種極性材料，采用水來表征碳纖維表面處理后的效果，從宏觀上可以直接對比出碳纖維表面處理前后的效果。如圖1所示，采用水滴角測試儀檢測碳纖維表面水滴角對比。本試驗對比觀察了經過低溫等離子體處理前后的碳纖維表面的極性狀態。試驗結果顯示：未經過表面處理的碳纖維與水幾乎不發生浸潤，說明未經過低溫等離子表面處理的碳纖維表面惰性很強，與強極性的水不發生潤濕，碳纖維表面呈現非極性；經過低溫等離子體處理的碳纖維與水的潤濕性好，說明碳纖維經過低溫等離子體表面處理后，其表面發生一系列復雜的反應，宏觀上碳纖維表面呈現出極性。未經過表面處理的碳纖維，表面呈現出憎水的現象，與水潤濕性差，使其很難與其他極性材料良好結合充分發揮出碳纖維的特性，達到復合材料最優的性能；經過低溫等離子體處理后的碳纖維表面呈現出極性，能更加充分地發揮碳纖維的特性，提高碳纖維復合材料的性能。

不同工藝參數低壓等離子體處理前后碳纖維表面浸潤形貌

等離子處理碳纖維表面的形貌分析

低溫等離子體轟擊材料表面時，通常會改變材料的表面狀態，通常情況下，等離子體作用于材料表面，會在微觀結構上對材料表面進行修飾，對材料表面結構薄弱的部分進行刻蝕，斷開材料表面的價鍵，形成一些新的官能團等。對不同處理時間低溫等離子體處理的碳纖維表面形貌進行了觀察，經過表面處理的碳纖維形貌如圖2所示。低溫等離子體處理碳纖維表面，會產生明顯的清潔效果，即經過處理后，纖維表面附著物以及他凸起物都會明顯消除，纖維表面更加光滑。但長時間的低溫等離子體處理，也會造成一定程度的表面刻蝕，使碳纖維表面粗糙度增加。

不同等離子處理時間碳纖維表面的形貌

等離子處理碳纖維XPS測試結果

經過前述的滴水試驗可知，碳纖維經過低溫等離子體表面處理后，表面呈現出親水性。SEM觀察發現碳纖維表面經過低溫等離子體處理后，表面刻蝕作用明顯，但是碳纖維表面的極性是否是由于碳纖維表面生成了極性的官能團，這需要進一步驗證。采用XPS對經過低溫等離子體處理和陽極氧化法處理的碳纖維表面進行檢測，結果如圖3所示，不難發現，經過低溫等離子體表面處理的碳纖維樣品表面極性官能團總含量為17.1%。

等離子處理后碳纖維表面XPS測試結果

本文由國產等離子清洗機廠家納恩科技整理編輯。汽車的安全性能是汽車設計與制造首先要考慮的重要性能，需要制造材料具備優異的力學性能以滿足汽車較高的安全性能要求。對復合材料而言，纖維增強體與樹脂基體間良好的界面性能是其力學性能的重要保障。然而，碳纖維由于表面較為光滑且呈現化學惰性，較難與熱塑性樹脂形成牢固的結合。因此，在制備復合材料前需要對碳纖維進行表面改性，以增加其與樹脂的結合牢度。與其他處理方式相比，等離子體處理能夠在幾乎不損害材料本身性能的前提下，增加纖維表面粗糙度和表面極性，且效率非常高，能夠在短短幾秒到幾分鐘內獲得滿意的處理效果，等離子體處理屬于干法改性，改性過程中不使用也不產生任何化學物質，不會造成環境污染。因此，等離子處理是一種較為理想的碳纖維表面改性方式。