酸碱电解质对碳纤维表面电化学活化的影响

以超高惰性表面沥青基碳纤维为研究对象,采用XPS、Raman光谱、动态接触角、单丝拉伸强度和层间剪切强度(ILSS)等方法考察了H_(2)SO_(4)和NH_(4)HCO_(3)电解质对碳纤维表面电化学活化的影响。实验结果表明,以1%(w)的H_(2)SO_(4)为电解质时最优电流强度为1 A,碳纤维的拉伸强度保留率为86%,ILSS为39.7 MPa,较未处理碳纤维提高了64%;以4%(w)的NH_(4)HCO_(3)为电解质时最优电流强度为2 A,处理后碳纤维的单丝拉伸强度不变,ILSS为39.3 MPa。受酸碱环境电解产生活性氧的机理影响,以NH_(4)HCO_(3)为电解质时,活性氧产生速率相对较慢,氧化环境相对温和,碳纤维表面受损较弱,力学性能保留率较高。

硫酸环境下电流强度对碳纤维表面电化学活化的影响

碳纤维的碳含量在90%以上,表面惰性强,表面活化处理是其制备过程中的重要工艺。研究采用XPS、Raman、动态接触角、单丝拉伸和界面剪切强度等测试方法,借助非接触式阳极氧化装置,明确了稀H2SO4作为电解液时电流强度对电化学活化碳纤维表面结构和性能的影响。结果表明:活性氧[O]进攻碳纤维表面使其含氧活性官能团含量增加,在本研究范围内电流越大活化效果越显著;处于阳极附近的碳纤维,受静电与扩散作用影响,SO_(4)^(2−)和S_(2)O_(8)^(2−)进入碳结构内部间隙,碳纤维表面S/C升高,直径增大。在SO_(4)^(2−)刻蚀作用下,碳纤维表面无序碳结构脱落而缺陷减少,石墨化程度降低;SO_(4)^(2−)和S_(2)O_(8)^(2−)插层进入碳结构内部,通过静电作用形成缔合结构,在刻蚀和插层的共同作用下,碳纤维的单丝拉伸强度提升,最高提高了16.77%。0.5 A电流处理后,碳纤维表面粗糙度提升,表面可与环氧树脂基体反应的羟基、羧基官能团含量最高,碳纤维表面极性最强,与去离子水的动态接触角由未处理时的89.9°降低到50.6°,相应的复合材料界面剪切强度提高了47.70%。

碳纤维增强含酯键环氧树脂基复合材料的化学降解与回收

随着环氧树脂基碳纤维复合材料的广泛应用,其废旧产品的回收成为低碳发展的重要问题。采用GC-MS、FTIR、XPS、SEM等表征方法研究了含酯键的环氧树脂基碳纤维复合材料的树脂降解机制及降解过程对回收碳纤维结构和性能的影响。研究结果表明:在苯甲醇用量120 mL、质量比W(NaOH)∶W(ZnCl_(2))=1∶1和降解温度190℃的前提下,最佳降解时间为1 h,较优的降解配方为NaOH和树脂均为1 g。降解得到的产物静置分层,上层清液的苯甲醇含量达99%;环氧树脂的降解机制为苯甲醇在碱性环境下电离生成苄氧基,苄氧基进攻环氧树脂中的酯键,发生酯交换反应,使酯键断裂实现降解,生成苯甲醇酯及醇阴离子,苯甲醇酯在碱性环境下发生皂化反应重新生成苯甲醇,酯交换反应和皂化反应重复进行,直至最终降解完成;回收碳纤维与原始碳纤维的表面O/C、表面光洁程度均在一个水平,回收碳纤维的强度保留率达97%。