表面改性使碳纤维复合材料更加坚韧

在现实生活中，复合材料的性能可能取决于不同部件之间的界面兼容性。最具挑战性的复合材料组合之一是碳纤维和聚丙烯。

在碳纤维表面安装分支的正丁基苯基物种的表面改性方法示意图

澳大利亚迪肯大学的卢克·C·亨德森指出："聚丙烯聚合物与碳纤维的相容性极差。我们想看看是否能用表面改性的方法来增强这种兼容性，最终改善这种复合材料的物理性能，以便更广泛地使用。"

聚丙烯是使用最广泛的热塑性塑料之一，因为它易于加工，生产成本低，而且非常耐用。它的机械性能可以通过增强材料（如玻璃纤维或碳纤维）来加强。然而，聚丙烯的惰性分子结构使其难以与嵌入的碳纤维粘合，因此通常会添加额外的成分（即共单体）以提高兼容性。然而，这意味着更大的加工难度、更高的生产成本等方面的代价。

亨德森和DEVCOM陆军研究实验室的同事利用碳纤维的导电性，用电化学修饰方法用小分子修饰其表面。将正丁基苯基基团电化学接枝到纤维表面并加入到聚丙烯中，可使复合材料的韧性提高30-32%。与未经处理的纤维相比，具有表面改性的纤维的复合材料在失效前可以承受更大的冲击，而不会对其他物理性能产生不利影响。

亨德森解释，这样做可以使纤维的表面更像聚丙烯的表面，同时试图捕捉与大团聚合物的100%的潜在相互作用。

由于该方法使用共价键将小分子附着在纤维表面，它们不能像涂层一样被移除，所以它更加坚固。这个过程也是快速的，不可逆的，而且比碳纤维加工中使用的许多处理方法要温和得多。

类似的电化学方法已经在碳纤维生产中使用了近50年，所以亨德森团队的改性策略可以直接映射到现有的大规模基础设施上。

该团队还已经在一个试验规模的设施上生产了改性纤维复合材料，现在正在努力提高其他物理性能，如拉伸强度和刚度。改进后的复合材料可大幅改善氢气压力容器或容易受到轻微碰撞的汽车部件的性能，这些部件的抗冲击性往往很关键。

此文由中国复合材料工业协会编译，文章不用于商业目的，仅供行业人士交流，引用请注明出处。