(PA)作为一类典型的热塑性树脂与碳纤维(CF)形成的复合材料具有优异的综合性能。CF增强PA (CFRPA)复合材料与热固性复合材料相比具有可回收性、易于加工、成型时间短、抗冲击性好等优点。CFRPA复合材料的力学性能首先取决于CF和PA树脂基体自身性质。同时，纤维与基体之间的界面粘结性很大程度上决定了复合材料的最终力学性能。

然而，未经任何处理CF表面是非极性的，表面活性官能团极少、化学惰性较强，但PA树脂基体因含有大量的酰胺键通常表现为极性，造成了CF与PA树脂基体之间浸润性较差，界面粘结力较弱，限制了CFRPA复合材料在更多领域的应用。因此，要想扩大CFRPA复合材料应用范围，获得力学性能更为优异的CFRPA复合材料就必须对CF表面进行改性。通过对CF表面改性可以有效增大CF表面的粗糙度，同时在其表面引进大量的活性官能团，改善纤维与基体之间的浸润性，进而提高纤维表面与基体之间的机械嵌锁力和化学键合力，使得所受应力在纤维与基体界面之间得到有效传递。

(相关资料图)

基于PA复合材料的CF表面改性方法可以分为以下三大类：干法改性、湿法改性和纳米材料多尺度改性。

· 干法改性 ·

1　气相氧化法

气相氧化法是直接将CF置于氧化性气体中进行表面氧化处理。气相氧化法操作简单、经济实用，对纤维改性效果较好。此方法主要是通过对CF表面进行氧化，使CF表面变得更加粗糙，提高CF与PA树脂基体间的机械嵌锁力。同时引入活性官能团增加CF表面能，增加与PA基体间化学键合力。比如用空气对CF表面进行氧化处理，可使改性后的CF表面粗糙度增加、比表面积增大，CF与PA基体间机械嵌锁力增加；纤维表面生成的羧基(—COOH)和羟基(—OH)官能团易与PA基体中的酰胺键发生化学反应，嵌锁力和化学键合力使得CFRPA界面结合力得到有效改善。除了空气外，臭氧(O3)也可以作为氧化剂对CF表面进行氧化，在CF表面引入—COOH，改善了CF与PA6基体间浸润性，使得纤维与基体的界面粘结性增强。

2　等离子体氧化法

等离子体氧化法是一种重要的CF改性方法。CF经等离子体处理后在其表面生成了含氧官能团如—OH、醚基和羰基等活性官能团。目前最常用的是利用低温等离子体对CF表面进行改性。经空气等离子处理后的CF表面可生成大量含氧极性官能团，改善CF表面活性，提高了纤维与PA基体润湿性和相互作用力，同时此改性方法不会对CF自身强度产生不利影响。利用氧气等离子体对CF表面进行改性，可使纤维表面被氧化刻蚀，同时CF表面含氧活性基团含量增加，改善了CF和PA基体间的浸润性。

3　辐照处理法

辐射处理作为聚合物改性的一种高新技术，具有环保、节能、高效和工艺简单等优点。此技术可以有效增强CF与PA基体的界面粘合力，又不会对CF本身强度造成损失。辐照光源有X射线、γ射线、电子束、微波和紫外光。其中γ射线最常用来对CF表面进行改性，经γ射线辐照的CF表面较未改性CF变得更加粗糙，使得CF与PA基体之间的机械嵌锁力增加。

对CF表面进行辐照处理可以提高其表面的活性，但辐照量过度会破坏CF表面结构，进而影响复合材料界面结合力。因此，控制辐照剂量对复合材料能否成功改性具有至关重要的作用。

与其它表面处理方法相比，辐照处理具有明显的优势。该方法高效节能、操作简单，不会在CF表面引进其它杂质，最重要的是适当的辐照处理不会破坏纤维本身的内部结构和力学特性。但是，辐照处理还存在其它不足的地方，如设备比较昂贵；对CF的改性的机理还不能完全掌握，改性结果存在不确定性。这种改性方法虽然存在着一些缺点，但随着科技的进步，其会受到越来越多的关注。

· 湿法改性 ·

1　液相氧化法

液相氧化法是通过将CF置于强酸（如浓硝酸）溶液，使得纤维表面发生氧化生成—COOH和—OH等基团，提高了CF的表面活性。同时强酸会腐蚀CF表面，使其表面的粗糙度增加，甚至会在其表面形成蚀孔，增加CF与基体间的机械嵌锁力。一般可采用红外光谱、傅里叶变换红外衰减全反射和XPS等技术对经强酸改性后CF的表面进行分析。

CF在强酸氧化过程中表面粗糙度有所增加，同时会在其表面形成坑槽和微裂缝等缺陷，会导致单根CF的强度降低。

2　阳极电解氧化法

电化学改性是另一种重要的CF表面改性方法。在阳极电解氧化法中，CF作为阳极，而阴极通常为石墨。通过电解使得CF表面发生氧化反应，生成含氧官能团，提高了CF的表面能和粗糙度。如以碳酸氢铵为电解液、CF作为阳极对CF进行改性，可对CF表面产生刻蚀作用，经阳极氧化处理后的纤维表面比未处理的纤维表面粗糙度明显提高，增加了CF与PA基体间的相互作用力；另一方面，纤维表面的含氮和含氧官能团增加，这些基团的出现改善了CF表面的浸润性，使CF表面活性增加，能够更好地提高CF与PA树脂基体间的粘结性。

3　上浆处理

上浆处理可以在纤维表面引入大量活性官能团，提高CF的表面活性，产生的官能团会进一步与基体发生化学反应，进而使纤维与树脂基体结合得更加紧密。该方法不会使纤维表面产生缺陷，同时不会影响其拉伸强度。

上浆剂的选择很重要，其与CF及树脂基体的相容性直接决定了CF与基体界面的粘结性，故CF上浆是一个十分复杂的过程。当上浆剂扩散到聚合物基体中会对复合材料的界面强度产生影响，界面强度增强还是降低取决于它们之间的相容性。

采用上浆剂对CF表面进行涂覆能有效改善CF与树脂基体的界面粘结力，且不会对CF自身的优异性能产生不利影响。但针对不同的基体需要使用不同的涂覆材料才能使改性效果达到最优，目前关于上浆剂的选择还没有形成一个系统的理论。研究开发适应性好、更高效、更环保的上浆剂是未来发展的重点。

· 纳米材料多尺度改性 ·

CF表面附着“多尺度”纳米材料是一种有效的改性方法，可以提高纤维表面化学活性，增加纤维与树脂基体的浸润性，改善CF与PA 之间的界面粘结性。纳米材料改性纤维表面主要有两种方法。一种方法是通过简单的浸涂方法，将纤维浸入含有纳米材料的悬浮液中；另一种方法是通过沉积技术，如化学气相沉积(CVD)和注入化学气相沉积(ICVD)将这些纳米材料直接接枝到纤维表面。这两种技术都有其优点和局限性，例如后者可以提高纤维／基体界面粘结强度，但却会使单纤维强度降低。而采用浸涂法在CF表面引入纳米材料，可增加CF表面粗糙度，同时改变纤维表面活性，进而增强CF与PA界面间的化学键合力。

石墨烯和碳纳米管(CNTs)都可以用于改性CF表面。如采用六亚甲基二异氰酸酯(HDI)作为偶联剂将氧化石墨烯(GO)接枝到CF的表面上，可改善纤维表面的活性，提高纤维与PA基体的界面结合力，改性后的CFRPA复合材料界面剪切强度(IFSS)较未改性复合材料的IFSS提高了约40%。

CNTs因其优异的力学性能和导电性常被用作添加剂来改善复合材料的力学性能和导电性。CF表面接枝CNTs可以有效改善CF增强复合材料界面性能，目前研究主要集中在CF接枝CNTs对CF增强环氧树脂复合材料界面的影响。将CNTs接枝到纤维表面可以有效地提高其表面积，增强CF与PA基体界面的机械嵌锁力，有利于应力在基体和纤维之间传递；在CNTs接枝到CF表面过程中会引入大量活性官能团，改善了CF与PA基体的浸润性，纤维与基体间大量化学键的生成，使得复合材料的界面粘结性改善。CF表面接枝CNTs，最终的改性效果取决于CNTs在CF表面均匀分布程度和CNTs与CF之间结合的强弱。

除石墨烯和CNTs外，纳米氧化镁和纳米二氧化硅均可用于CF的表面改性，经改性后纤维的表面粗糙度增加，表现出与PA基体界面间的强相互作用力。注：本文摘编自《工程塑料应用》

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