탄소 섬유 수정

I. 탄소섬유 개질의 목적

간의 호환성 향상탄소섬유및 매트릭스: 복합재료의 기계적 특성을 향상시키고 섬유 표면과 매트릭스 사이의 기계적 연동, 물리적 접착 및 화학적 결합을 강화합니다.

계면 결합 개선: 탄소 섬유는 제조 과정에서 1000℃ 이상의 고온 탄화 처리를 거쳐 활성 작용기가 부족한 매끄러운 표면을 갖게 됩니다. 이는 표면 불활성, 폴리머에 대한 접착 불량, 계면 결합 약화로 이어져 복합 재료의 층간 전단 강도에 직접적인 영향을 미칩니다.

표면 활동 강화: 이는 탄소 섬유와 매트릭스 재료 사이의 효과적인 응력 하중 전달을 허용하여 산업 응용 분야에서 섬유 재료의 가치를 높입니다.

섬유 특성 개선: 여기에는 P, B, Zn과 같은 미량 원소를 섬유 표면에 도입하거나 금속 또는 비금속 층으로 코팅하여 달성할 수 있는 내온도성 및 내산화성 개선이 포함됩니다.

II. 변형 메커니즘 분석

1. 물리적 변형 메커니즘: 탄소 섬유의 물리적 변형은 주로 표면 거칠기와 비표면적을 증가시켜 계면 강화를 달성합니다.

표면 거칠기 증가: 기상 산화 및 플라즈마 처리와 같은 방법은 탄소 섬유의 표면 거칠기를 크게 증가시킬 수 있습니다. "대기압 아르곤 플라즈마 처리는 탄소섬유 표면의 산소 함량을 22.5% 증가시키고, 물 접촉각을 45.1°로 감소시키며, 300초 처리 후에도 인장 강도를 3.23GPa로 유지할 수 있습니다." AFM 테스트에서는 표면 거칠기(Ra)가 0.31μm에서 0.47μm로 증가한 것으로 나타났습니다.

표면 에칭 및 활성화: 전기화학적 산화 처리는 "층별 산화 에칭과 작용기 변화의 결합 과정"을 통해 탄소 섬유 표면에 미세 기공과 홈을 생성하여 기계적 연동 효과를 증가시킵니다.

표면 형태 개선: "플라즈마 처리는 물리적 충격을 통해 오염 물질을 제거하고 수산기/카르복실 활성 그룹을 도입하여 층간 전단 강도를 크게 향상시킵니다."

2. 화학적 변형 메커니즘

탄소 섬유의 화학적 변형은 주로 활성 작용기를 도입하여 계면 강화를 달성합니다.

산소 함유 작용기 도입: 액상 산화(농축 질산, 농축 황산, 과산화수소 등을 산화제로 사용) 및 전기화학적 산화는 탄소 섬유 표면의 산소 함유 작용기(예: 수산기 및 카르복실기)의 유형과 수를 크게 증가시킬 수 있습니다. "전해 전위차 처리는 탄소 섬유 표면의 산소 함량을 9.36%에서 18.04%로 증가시키고 접촉각을 90.2°에서 62.4°로 감소시키며 층간 전단 강도를 최대 56%까지 증가시킬 수 있습니다."

화학적 결합 형성: "DA 또는 폴리도파민(PDA)은 주로 Schiff 염기 반응을 통해 분자 내 -NH2를 탄소 섬유 표면의 -C=O 및 -COO- 작용기와 반응시켜 탄소 섬유 표면에 안정적인 화학 결합을 형성함으로써 화학적 그래프팅 변형을 달성합니다."

표면 그래프팅 반응: 표면 그래프팅 방법은 "개시제의 작용에 따라 단량체가 섬유의 활성 그룹 또는 가장자리 탄소 원자와 반응하는 활성 단량체 대기에 탄소 섬유를 배치하는 것"을 포함합니다.

특수 변형 방법: "NH₄HCO₃ 용액에서 섬유 표면은 주로 물의 전기분해 산소 방출 반응과 일부 전기 활성 물질의 전기화학적 산화 반응을 겪습니다. 섬유 표면의 다양한 산소 함유 관능기 함량은 처리 시간의 연장에 따라 지속적으로 변화하며 NH₄⁺와 섬유 표면의 관능기와의 반응은 섬유 표면에 많은 수의 아미드기를 도입합니다." 커플링제 수정: "아미노실란 커플링제(KH550)를 사용하여 탄소 섬유의 표면을 처리하여 화학적으로 결합된 인터페이스 층을 형성했습니다.

수정 후: 활성 작용기의 수가 증가했습니다. O-C=O 함량은 95.24% 증가하고 C=O 함량은 508.45% 급증하여 더 많은 수지 결합 사이트를 형성했습니다."

III. 수정 효과의 종합적인 성능

개질 후 탄소섬유의 표면 극성이 크게 개선되고, 접촉각이 감소하며, 젖음성이 향상되어 복합재료의 계면특성이 효과적으로 향상되었다. "표면 개질 기술은 탄소 섬유의 표면 활성을 향상시키고 탄소 섬유와 매트릭스 재료 사이의 계면 특성을 강화하며 매트릭스에 대한 접착력을 향상시킵니다."

실제 적용에서 변형된 탄소 섬유와 수지 매트릭스 사이의 계면 전단 강도가 크게 향상되었습니다. "DA 변형 탄소 섬유와 에폭시 수지 E51의 IFSS는 65.32 MPa로 증가했으며 이는 변형되지 않은 탄소 섬유에 비해 47.35% 증가했습니다."

요약하자면,탄소섬유변형은 물리적, 화학적 메커니즘을 통해 탄소 섬유와 매트릭스 사이의 계면 특성을 효과적으로 향상시켜 복합 재료의 전반적인 성능을 크게 향상시킵니다.

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