低溫等離子體技術在炭材料改性中的應用

文章出處：等離子清洗機廠家 | 深圳納恩科技有限公司| 發(fā)表時間：2023-11-23

炭素材料在許多應用場合常常需要按使用要求改善其表面性能。為了使炭材料適合各種應用需要,一般有兩種作法。一種是利用各種表面改性技術產生一個新的表面活性層,從而改變表面、界面的基本特性;另一種作法是借助功能性薄膜或表面層形成技術在原表面上敷膜、這兩種作法的目的都是為了使材料具有一種或幾種表面性能。為此人們研究開發(fā)了多種表面處理技術。如化學濕法處理、電子束或紫外線處理、以及低溫等離子體處理等。其中低溫等離子體表面處理既能改變表面結構,也可控制界面物性,在炭材料表面處理方面顯示出巨大的應用潛力。

低溫等離子體技術在炭材料改性中的應用

炭材料作為人類最早接觸的物質之一,歷經數百年的發(fā)展,在20世紀末期隨著以富勒烯為代表的一系列具有新穎結構的炭質材料的出現,進入了快速發(fā)展的快車道。炭材料的種類雖然繁多,但它們的化學結構在相當程度上是類似的,幾乎都是由六角碳網面構成的微晶積層體形成的多晶體。下面介紹低溫等離子體技術在炭纖維材料表面改性中的應用。

炭纖維的表面處理

炭纖維(CF)通常作為聚合物、金屬、碳和水泥等基體的增強材料使用,也作為催化劑載體、污染物的吸附脫除介質大量使用,這些應用場合均對炭纖維材料的表面性質有不同程度的要求。比如,炭纖維增強復合材料(CFRC)的力學性能主要取決于基體材料的力學性能、纖維和基體的結合性能以及纖維和基體界面應力的傳遞方式,而后兩種性能與纖維表面性質密切相關。未經表面處理的CF,活性表面積小(≤0.138m2g),邊緣活性碳原子數目也較少,因而表面能低,接觸角大,呈現憎液性,導致使CF與基體的粘結強度較差。因此,有必要對炭纖維表面進行處理,其目的是清除CF材料的表面雜質,在CF表面形成微孔和刻蝕溝槽,從類石墨層面改性成石墨狀結構以增加表面能,或者在其表面引入具有極性或反應性的官能團以及形成與樹脂起作用的中間層,從而改善和基體之間的粘結,提高復合材料的力學性能。

低溫等離子體表面改性的原理

材料的表面改性需要通過斷開或激活材料表面的舊化學鍵并形成新的化學鍵才能實現,這就首先需要低溫等離子體中的各類粒子能夠具有足夠的能量以斷開材料表面的舊化學鍵。低溫等離子體作為一種非熱平衡等離子體,其粒子能量的參數范圍如下:電子(Electrons)0eV～20eV,亞穩(wěn)態(tài)粒子(Meta-stablesExcited)0eV～20eV,離子(Ions)0eV～2eV,光子(UVvisible)3eV～40eV。除離子外,低溫等離子體中絕大數粒子的能量均高于這些化學鍵的鍵能,這表明,利用低溫等離子體完全可以破壞材料表面的舊化學鍵而形成新鍵,從而賦予材料表面新的特性。

低溫等離子體技術是對炭纖維表面進行改性的一種行之有效的方法,它可以使炭纖維表面組成發(fā)生明顯的變化,導致接觸角的減小以及表面能的提高。同時,由于含氧極性基團的引入而使纖維與基團界面形成牢固的化學結合力,提高了復合材料的力學性能。