納米碳纖維因獨(dú)特性能在多領(lǐng)域受關(guān)注,但原始表面活性低、與其他材料相容性差,通過(guò)表面改性可改善這些問(wèn)題。常見(jiàn)的納米碳纖維表面改性技術(shù)有化學(xué)改性、物理改性和復(fù)合改性等,下面逐一介紹。
化學(xué)改性是常用方式,通過(guò)化學(xué)反應(yīng)改變納米碳纖維表面性質(zhì)。氧化改性是其中一種,利用強(qiáng)氧化劑如濃硝酸、濃硫酸等處理納米碳纖維。在氧化過(guò)程中,納米碳纖維表面的碳原子與氧化劑發(fā)生反應(yīng),引入羥基、羧基等含氧官能團(tuán)。這些官能團(tuán)增加了表面級(jí)性,提升納米碳纖維在級(jí)性溶劑中的分散性,也增強(qiáng)了與其他性材料的結(jié)合力,比如在制備聚合物基復(fù)合材料時(shí),能更好地與聚合物分子相互作用。還有接枝改性,先對(duì)納米碳纖維表面進(jìn)行活化處理,使其產(chǎn)生自由基或活性位點(diǎn),再將特定的單體或聚合物分子接枝到表面。例如,將丙烯酸單體接枝到納米碳纖維表面,可賦予其新的性能,讓其在某些涂料體系中更好地發(fā)揮增強(qiáng)作用。
物理改性不涉及化學(xué)反應(yīng),主要通過(guò)改變納米碳纖維的表面形態(tài)和結(jié)構(gòu)。機(jī)械研磨是一種簡(jiǎn)單的物理改性手段,通過(guò)機(jī)械外力對(duì)納米碳纖維進(jìn)行研磨處理,使纖維表面變得粗糙,增加比表面積。粗糙的表面能提高與其他材料的機(jī)械嚙合作用,在復(fù)合材料中增強(qiáng)界面結(jié)合強(qiáng)度。還有等離子體處理,將納米碳纖維置于等離子體環(huán)境中,等離子體中的高能粒子與纖維表面發(fā)生碰撞,使表面的化學(xué)鍵斷裂、重組,引入新的官能團(tuán),同時(shí)改變表面的微觀結(jié)構(gòu),提升表面活性和潤(rùn)濕性,讓納米碳纖維更容易與其他材料復(fù)合。
復(fù)合改性結(jié)合化學(xué)和物理方法,發(fā)揮兩者優(yōu)勢(shì)。比如先對(duì)納米碳纖維進(jìn)行等離子體處理,增加表面活性位點(diǎn),再進(jìn)行化學(xué)接枝反應(yīng),使接枝的聚合物分子更牢固地附著在纖維表面?;蛘呦韧ㄟ^(guò)化學(xué)氧化引入含氧官能團(tuán),再利用機(jī)械攪拌等物理方式,讓納米碳纖維在改性劑溶液中充分分散,使改性效果更均勻。
此外,還有偶聯(lián)劑改性技術(shù)。偶聯(lián)劑分子含有兩種不同性質(zhì)的基團(tuán),一端能與納米碳纖維表面的官能團(tuán)發(fā)生反應(yīng),另一端能與基體材料發(fā)生作用。例如硅烷偶聯(lián)劑,可在納米碳纖維與無(wú)機(jī)材料基體之間形成 “分子橋”,增強(qiáng)兩者的界面結(jié)合,提高復(fù)合材料的整體性能 。