碳纤维等离子体处理改性机理

碳纤维是指含碳量达到90%以上，由许多微晶堆砌而成的多晶体，且具有耐高温、模量高、强度大的无机高性能纤维。广泛应用于体育器材、汽车构件、航空航天、武器军工等领域。其轴向结合力较大，相对径向强度较弱，所以延伸度低，是一种脆性材料。根据碳纤维制备过程原材料的不同，又将其分为应用范围最广的聚丙烯腈碳纤维、吸音功能较强的沥青基碳纤维、具有储氢功能的碳纳米管碳纤维三类。由于各类碳纤维均由晶体堆砌而成，纤维表面的浸润性差、呈惰性，与有机聚合物基体界面间的范德华力减小、氢键减弱、化学键合能力降低，使纤维应力的传递效率变差，碳纤维与树脂间界面剪切强度减弱。碳纤维使用受到限制，为了提高碳纤维界面活性，增加界面剪切强度，即需要对碳纤维表面进行改性处理。为此以等离子体技术处理碳纤维界面研究为例，探讨等离子体处理过程中碳纤维界面基团变化特性，具体反应机理如下：

(1) 碳纤维界面基团相互作用。碳纤维界面存在不同类型的羧基、羰基、羟基等官能团，相互可能发生反应形成酯基。在高能等离子作用下，碳纤维界面中的酮羰基，受外界氢活性粒子作用，活性粒子位置变化，活性基团产生离子过程。碳纤维界面基团分布如图1所示。

碳纤维界面基团分布

(2) 活性基团产生离子的过程。图2为活性基团产生的离子过程。图3为碳纤维界面等离子反应过程。由以上反应过程可知，碳纤维界面官能团包含酸性的羧基或羧基基团、中性醌类结构和碱性吡喃酮类结构，界面的含氧官能团主要控制其化学活性。

碳纤维界面等离子反应过程

(3) 碳纤维界面活性粒子整体等离子反应。碳纤维界面活性粒子发生反应过程如图3所示。碳纤维分子结构中的羟基、羧基基团及与碳原子相连的氢受高能离子作用后脱落，结构中的碳氢键形成—C•，羟基与羧基脱氢后形成O—O单键以及其他含氧粒子。