碳纖維被譽為“黑色黃金”，不僅承認了其物質(zhì)價值，同樣也是肯定了其應用價值。碳纖維可以與不同基體組成性能更加完善的復合材料，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，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，電導率< 1.0*10-5 S/m，然后通過氮氣去除溶解氧，以甲基丙烯酸甲酯 (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，無需進一步純化，其中 KPS 或 V-50 使得 MMA 顆粒分別帶負電或正電。
　　
　　使用標準電化學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，通過 TG 曲線計算碳纖維上吸附的 PMMA 顆粒的量為 0.056 g/m2。
 
 
　　制備復合材料試樣后，使用拉伸設備實驗評估機械性能變化
　　
使用熱壓機將改性后的單根碳纖維置于兩片 PMMA 薄膜之間，制備成對應的復合材料試樣，以待后續(xù)的拉伸實驗使用。先在PMMA顆粒吸附前后，通過熱壓機在 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 標距長度和 4 mm 寬度的條狀試樣。界面剪切強度 (τm) 計算公式為：τm = Dσf / 2lc，其中有效長度 (lc) 計算公式為：<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的結(jié)果進行 Weibull 分析估算碳纖維的抗拉強度 (σf) (長度為 lc 的纖維)。使用拉伸試驗機進行拉伸試驗。根據(jù) ASTM C-1577-03 標準，測試機在 25 mm 的標距長度下以 1 mm/min 的速度運行。
　　
 
　　結(jié)果表明，碳纖維與樹脂之間的界面剪切強度為 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度為 13.3 ± 3.40 MPa，證實經(jīng)過表面處理的復合材料的界面剪切強度提升較為明顯。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，溫度增加時制備的改性碳纖維與樹脂復合材料的表面粘附力同樣得到加強。
　　
 
　　實驗證明，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，最終提升了復合材料的界面剪切強度。碳纖維表面改性是改善熱塑性碳纖維復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。智上新材認為，不管是當下，還是未來，在這方面的努力都不會停止，直到更易于批量生產(chǎn)的方式出現(xiàn)。