大多數(shù)增強(qiáng)體的表面常常只有低表面能，而且顯現(xiàn)化學(xué)惰性，還存在表面污染以及邊界層，因而大都表現(xiàn)出液態(tài)基體的低浸潤(rùn)性和黏結(jié)性。表面處理能改變?cè)鰪?qiáng)體表面的化學(xué)組成，增大表面能，并改變其晶態(tài)及表面形貌。此外，還能清除表面污染物。這些效果提高了基體對(duì)增強(qiáng)體表面的浸潤(rùn)和黏結(jié)性能，進(jìn)而改善了界面性質(zhì)。

增強(qiáng)體表面改性可分為濕法和干法兩類，可應(yīng)用于范圍廣泛的各種材料，包括聚合物、金屬、陶瓷和各種形式的碳材料。表面處理常常能促使在增強(qiáng)體表面形成功能基團(tuán)。濕處理主要包括化學(xué)或電化學(xué)處理和偶聯(lián)劑或金屬涂覆，而干處理主要包括等離子體、光輻射、微波、無(wú)線電頻率波、臭氧和氟化處理等。各種處理的最終目標(biāo)是改變?cè)鰪?qiáng)體的表面化學(xué)和增強(qiáng)體材料的表面結(jié)構(gòu)，從而控制增強(qiáng)體表面的某些性質(zhì)，如化學(xué)反應(yīng)活性、浸潤(rùn)性、粗糙度、生物相容性和導(dǎo)電性等。當(dāng)然，對(duì)所有處理，除表面性質(zhì)外，增強(qiáng)體的整體性質(zhì)應(yīng)該得到最大程度的保留。

改性方法

（1）化學(xué)氧化

對(duì)非極性材料，化學(xué)氧化是一種有效的處理方法，主要目的是使材料表面產(chǎn)生相當(dāng)大量的含氧基團(tuán)。處理的主要程序是將待處理材料浸人濃硝酸或硫酸、次氯酸鈉、高錳酸鉀、重鉻酸鹽或過(guò)氧化氫等氧化劑溶液中。

對(duì)碳材料，硝酸氧化是最廣泛使用的增強(qiáng)活性的濕態(tài)氧化處理方法。例如在沸騰的硝酸中處理的碳材料將引起酸性表面基團(tuán)（如羰基和羧基）的大量增加。

（2）電化學(xué)氧化

上述浸人法處理常常引起原材料結(jié)構(gòu)的變化，甚至導(dǎo)致基本性質(zhì)的改變。溫和的電氧化處理能在增強(qiáng)體表面建立氧功能基團(tuán)，同時(shí)克服了浸入法的缺點(diǎn)。這種方法比起傳統(tǒng)的化學(xué)氧化法有下列明顯的優(yōu)點(diǎn)：

1． 由直流電源提供的電子是唯一的反應(yīng)劑；

2． 反應(yīng)條件能準(zhǔn)確地重現(xiàn)；反應(yīng)化學(xué)計(jì)量能用功率供應(yīng)調(diào)節(jié)；

3． 盡管表面活性有顯著增強(qiáng)，增強(qiáng)體（如碳纖維）的力學(xué)性能和表面積保持不變。

陽(yáng)極氧化主要用于碳纖維。不同電解質(zhì)處理后的碳纖維表面有不同的化學(xué)組成。例如，用NH4HCO3作電解質(zhì)，碳纖維表面將引人能增加界面化學(xué)鍵的含氮基團(tuán)，并減弱表面的氧化程度。

（3）偶聯(lián)劑改性

偶聯(lián)劑對(duì)玻璃纖維表面的改性效果顯著，已經(jīng)在工業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)中使用。偶聯(lián)劑可用水或有機(jī)溶劑溶解后涂覆在纖維表面。通常，化學(xué)鍵理論被用于解釋硅烷偶聯(lián)劑與增強(qiáng)體玻璃纖維和基體樹(shù)脂之間的反應(yīng)，雙官能團(tuán)的硅烷偶聯(lián)劑分子通過(guò)硅氧鍵與纖維表面形成化學(xué)鍵連接，而其有機(jī)官能團(tuán)部分則與樹(shù)脂基團(tuán)相連接。

（4）等離子體處理

等離子體處理是增強(qiáng)體表面改性很普遍使用的方法，適用于各種增強(qiáng)體材料。它能使增強(qiáng)體表面產(chǎn)生自由基、離子和亞穩(wěn)態(tài)物質(zhì)，引起燒蝕、交聯(lián)和氧化反應(yīng)。等離子體處理的表面改性效果顯著。例如，氧等離子體處理可使碳纖維表面生成－COOH、C－OH等官能團(tuán)，同時(shí)改善了碳纖維的潤(rùn)濕性，表面粗糙度也有明顯增大。對(duì)有機(jī)纖維的處理也有類似的結(jié)果。例如 PBO纖維經(jīng)氧等離子體處理15min后，表面總自由能由47．6mJ／m2增大到64．4mJ／m2。芳綸纖維在常壓下的等離子體處理后，表面粗糙度發(fā)生明顯變化，O／C質(zhì)量比從處理前的15．99％增大到處理后的27．15％。這種方法有兩個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)：反應(yīng)深度易于控制，反應(yīng)一般僅發(fā)生在材料表面，因而不影響材料的整體性質(zhì)；可使用多種環(huán)境氣氛，例如氧化、還原或惰性氣體環(huán)境。此外，所使用的技術(shù)操作簡(jiǎn)便，效率較高。

（5）臭氧處理

非極性碳材料可以通過(guò)在空氣或氧（O2）或臭氧（O3）中熱處理的氧化反應(yīng)獲得適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚怼Ｔ诟鞣N氧源中，臭氧是最常使用的一種。臭氧處理用于在碳材料表面引人氧官能團(tuán)。

臭氧是一種強(qiáng)氧化劑，易于與非飽和鍵反應(yīng)，而對(duì)飽和鍵反應(yīng)緩慢。通過(guò)氫氧自由基的形成，臭氧也與無(wú)機(jī)和有機(jī)化合物直接或間接地發(fā)生反應(yīng)。氫氧自由基比臭氧有更強(qiáng)的氧化能力，它與有機(jī)物的反應(yīng)十分快速?；诠に囅鄬?duì)簡(jiǎn)便和強(qiáng)的反應(yīng)性，有機(jī)和無(wú)機(jī)材料的臭氧處理已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)上得到廣泛應(yīng)用，包括在復(fù)合材料增強(qiáng)體表面改性中的應(yīng)用。

碳纖維臭氧處理時(shí)，在高溫下分解出的活性氧原子將與碳纖維表面的不飽和碳原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。處理爐內(nèi)的臭氧分解速度與溫度直接相關(guān)，隨溫度的升高分解加快，約150℃時(shí)分解達(dá)到100％。碳纖維經(jīng)臭氧處理后表面含氧量明顯增加。

（6）高能射線輻照處理

使用高能射線輻照處理改善增強(qiáng)體表面性質(zhì)有如下優(yōu)點(diǎn)：可在包括室溫在內(nèi)的任意溫度下實(shí)施；射線穿透力強(qiáng)，作用比較均勻，除表面外還能改善材料本體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)；處理工藝簡(jiǎn)單，操作方便，便于連續(xù)化批量生產(chǎn)；無(wú)環(huán)境污染。

γ射線是使用較多的一種高能射線，其它還有高能電子束和X射線。

使用射線對(duì)碳纖維做輻照處理的研究指出，處理使纖維表面極性基團(tuán)的含量、表面粗糙度和浸潤(rùn)性能都有顯著提升。對(duì)有機(jī)物增強(qiáng)體，γ射線輻照處理同樣有好的效果。研究指出，輻照除了能使有機(jī)纖維的表面變得更粗糙，形成更多的含氧極性基團(tuán)，導(dǎo)致表面浸潤(rùn)性增強(qiáng)外，還能發(fā)生輻照交聯(lián)，改變纖維的微結(jié)構(gòu)，如晶體結(jié)構(gòu)的變化，提高纖維本體的強(qiáng)度。輻照接枝反應(yīng)也是這種處理的一種有效方法，例如，將Armoc纖維浸入酚醛／乙醇溶液中用輻射源處理后，酚醛樹(shù)脂將接枝到纖維表面，從而增加了纖維表面C－O基的含量，表面粗糙度也有所增大。

參考資料：《復(fù)合材料的界面行為》作者 楊序綱、吳琪琳著，出版時(shí)間：2020－04－01

       原文標(biāo)題 : 復(fù)合材料界面丨增強(qiáng)體表面改性技術(shù)及方法