等离子体处理工艺对汽车碳纤维表面改性的影响

文章出处：等离子清洗机厂家 | 深圳纳恩科技有限公司| 发表时间：2022-09-06

碳纤维是含碳量95%以上的特种纤维。采用腈纶丝（PAN）等含碳的有机纤维，在惰性气体氛围中，施以一定的张力、压强和温度，经预氧化、碳化和石墨化等过程制得。碳纤维为石墨平面网层结构，如图所示1-1所示。平面网层中的C原子由共价键相连，其结合力要远大于平面网层间范德华力。故制备碳纤维常采用较高的热处理温度并施加合适的张力，以保证石墨平面网层与纤维轴向趋于平行，使纤维受到的外力更多地作用在相互平行的石墨平面网层上，当碳纤维受到拉力作用时不易发生断裂。因此，碳纤维具有较高的强度和模量，其抗拉强度是钢材的4-5倍，比强度是钢材的10倍，且密度很小，仅为1.5-2g/cm3，相当于钢材密度的1/5、铝合金密度的1/2。碳纤维的热膨胀系数小，能够耐高温和低温，耐骤冷和急热。碳纤维耐酸性能也很好，能耐浓酸腐蚀。此外，碳纤维还具有降噪、减震等优异性能。

图 1-1 碳纤维石墨平面网层结构

正是由于碳纤维上述众多优异的物理化学性能，并兼具纺织纤维柔软易于加工性，被广泛应用于汽车制造领域，助力实现汽车轻量化。根据2018全球碳纤维复合材料市场报告，碳纤维在汽车领域的需求量很大，市场份额占比11.7%，2018年需求量为10800吨，较2017年增长10.2%。宝马2018年年报数据显示，BMWi3电动车销量同比增长10.6%，该电动车的坐舱全部采用碳纤维复合材料，使整个座舱减重达50%，其车身覆盖件也部分采用碳纤维复合材料，使整车质量降到1.25t以下。此外，大众、奔驰、雪铁龙等多家汽车公司也在不断研发应用于车身、座椅、底盘、传动轴等重要部件的车用碳纤维复合材料，碳纤维有望成为实现汽车轻量化的重要材料。

碳纤维增强热塑性树脂复合材料在汽车制造领域有巨大的应用潜力，但碳纤维与热塑性树脂之间的粘结性能不佳，这将严重影响材料的力学性能。为改善碳纤维/热塑性树脂复合材料的界面性能，需要对碳纤维或热塑性树脂进行改性，碳纤维表面处理的方法很多，其中低温等离子体技术是一种新的材料表面处理技术。低温等离子体技术是一种干式工艺，具有节能、无公害、处理时间短、效率高以及能满足环境保护要求等优点。

等离子处理改性碳纤维原理：

其原理包括两方面如图1-2所示：一是等离子体中存在高能（几十电子伏特）的带电粒子、紫外光及亚稳态粒子轰击纤维表面，导致纤维分子激发、电离、化学键断裂与重组等发生，一定时间后在纤维表面形成大量自由基和活性基团等新的化学结构；二是等离子体中的高能量电子可以加速较低温度的活性粒子，使其在纤维表面引起溅射反应，清除纤维表面杂质，刻蚀纤维表面，导致纤维表面粗糙度增大并产生沟槽，增加了纤维与树脂的接触面积，进而增强了两相之间的界面粘结强度。

图1-2 等离子处理碳纤维原理

水滴角测试等离子体对碳纤维表面润湿性的影响

碳纤维表面呈现非极性的特点。碳纤维表面处理的目的是改变碳纤维表面的极性和形貌，增强碳纤维与树脂之间的界面性能。水是一种极性材料，采用水来表征碳纤维表面处理后的效果，从宏观上可以直接对比出碳纤维表面处理前后的效果。如图1所示，采用水滴角测试仪检测碳纤维表面水滴角对比。本试验对比观察了经过低温等离子体处理前后的碳纤维表面的极性状态。试验结果显示：未经过表面处理的碳纤维与水几乎不发生浸润，说明未经过低温等离子表面处理的碳纤维表面惰性很强，与强极性的水不发生润湿，碳纤维表面呈现非极性；经过低温等离子体处理的碳纤维与水的润湿性好，说明碳纤维经过低温等离子体表面处理后，其表面发生一系列复杂的反应，宏观上碳纤维表面呈现出极性。未经过表面处理的碳纤维，表面呈现出憎水的现象，与水润湿性差，使其很难与其他极性材料良好结合充分发挥出碳纤维的特性，达到复合材料最优的性能；经过低温等离子体处理后的碳纤维表面呈现出极性，能更加充分地发挥碳纤维的特性，提高碳纤维复合材料的性能。

不同工艺参数低压等离子体处理前后碳纤维表面浸润形貌

等离子处理碳纤维表面的形貌分析

低温等离子体轰击材料表面时，通常会改变材料的表面状态，通常情况下，等离子体作用于材料表面，会在微观结构上对材料表面进行修饰，对材料表面结构薄弱的部分进行刻蚀，断开材料表面的价键，形成一些新的官能团等。对不同处理时间低温等离子体处理的碳纤维表面形貌进行了观察，经过表面处理的碳纤维形貌如图2所示。低温等离子体处理碳纤维表面，会产生明显的清洁效果，即经过处理后，纤维表面附着物以及他凸起物都会明显消除，纤维表面更加光滑。但长时间的低温等离子体处理，也会造成一定程度的表面刻蚀，使碳纤维表面粗糙度增加。

不同等离子处理时间碳纤维表面的形貌

等离子处理碳纤维XPS测试结果

经过前述的滴水试验可知，碳纤维经过低温等离子体表面处理后，表面呈现出亲水性。SEM观察发现碳纤维表面经过低温等离子体处理后，表面刻蚀作用明显，但是碳纤维表面的极性是否是由于碳纤维表面生成了极性的官能团，这需要进一步验证。采用XPS对经过低温等离子体处理和阳极氧化法处理的碳纤维表面进行检测，结果如图3所示，不难发现，经过低温等离子体表面处理的碳纤维样品表面极性官能团总含量为17.1%。

等离子处理后碳纤维表面XPS测试结果

本文由国产等离子清洗机厂家纳恩科技整理编辑。汽车的安全性能是汽车设计与制造首先要考虑的重要性能，需要制造材料具备优异的力学性能以满足汽车较高的安全性能要求。对复合材料而言，纤维增强体与树脂基体间良好的界面性能是其力学性能的重要保障。然而，碳纤维由于表面较为光滑且呈现化学惰性，较难与热塑性树脂形成牢固的结合。因此，在制备复合材料前需要对碳纤维进行表面改性，以增加其与树脂的结合牢度。与其他处理方式相比，等离子体处理能够在几乎不损害材料本身性能的前提下，增加纤维表面粗糙度和表面极性，且效率非常高，能够在短短几秒到几分钟内获得满意的处理效果，等离子体处理属于干法改性，改性过程中不使用也不产生任何化学物质，不会造成环境污染。因此，等离子处理是一种较为理想的碳纤维表面改性方式。