低温等离子体技术在炭材料改性中的应用

文章出处：等离子清洗机厂家 | 快盈47| 发表时间：2023-11-23

炭素材料在许多应用场合常常需要按使用要求改善其表面性能。为了使炭材料适合各种应用需要,一般有两种作法。一种是利用各种表面改性技术产生一个新的表面活性层,从而改变表面、界面的基本特性;另一种作法是借助功能性薄膜或表面层形成技术在原表面上敷膜、这两种作法的目的都是为了使材料具有一种或几种表面性能。为此人们研究开发了多种表面处理技术。如化学湿法处理、电子束或紫外线处理、以及低温等离子体处理等。其中低温等离子体表面处理既能改变表面结构,也可控制界面物性,在炭材料表面处理方面显示出巨大的应用潜力。

低温等离子体技术在炭材料改性中的应用

炭材料作为人类最早接触的物质之一,历经数百年的发展,在20世纪末期随着以富勒烯为代表的一系列具有新颖结构的炭质材料的出现,进入了快速发展的快车道。炭材料的种类虽然繁多,但它们的化学结构在相当程度上是类似的,几乎都是由六角碳网面构成的微晶积层体形成的多晶体。下面介绍低温等离子体技术在炭纤维材料表面改性中的应用。

炭纤维的表面处理

炭纤维(CF)通常作为聚合物、金属、碳和水泥等基体的增强材料使用,也作为催化剂载体、污染物的吸附脱除介质大量使用,这些应用场合均对炭纤维材料的表面性质有不同程度的要求。比如,炭纤维增强复合材料(CFRC)的力学性能主要取决于基体材料的力学性能、纤维和基体的结合性能以及纤维和基体界面应力的传递方式,而后两种性能与纤维表面性质密切相关。未经表面处理的CF,活性表面积小(≤0.138m2g),边缘活性碳原子数目也较少,因而表面能低,接触角大,呈现憎液性,导致使CF与基体的粘结强度较差。因此,有必要对炭纤维表面进行处理,其目的是清除CF材料的表面杂质,在CF表面形成微孔和刻蚀沟槽,从类石墨层面改性成石墨状结构以增加表面能,或者在其表面引入具有极性或反应性的官能团以及形成与树脂起作用的中间层,从而改善和基体之间的粘结,提高复合材料的力学性能。

低温等离子体表面改性的原理

材料的表面改性需要通过断开或激活材料表面的旧化学键并形成新的化学键才能实现,这就首先需要低温等离子体中的各类粒子能够具有足够的能量以断开材料表面的旧化学键。低温等离子体作为一种非热平衡等离子体,其粒子能量的参数范围如下:电子(Electrons)0eV～20eV,亚稳态粒子(Meta-stablesExcited)0eV～20eV,离子(Ions)0eV～2eV,光子(UVvisible)3eV～40eV。除离子外,低温等离子体中绝大数粒子的能量均高于这些化学键的键能,这表明,利用低温等离子体完全可以破坏材料表面的旧化学键而形成新键,从而赋予材料表面新的特性。

低温等离子体技术是对炭纤维表面进行改性的一种行之有效的方法,它可以使炭纤维表面组成发生明显的变化,导致接触角的减小以及表面能的提高。同时,由于含氧极性基团的引入而使纤维与基团界面形成牢固的化学结合力,提高了复合材料的力学性能。