陈平教授丨高性能纤维表面改性及其双马树脂基复合材料界面调控

　　关于高性能纤维表面改性的方法
　　(1)化学氧化
　　对非极性材料，化学氧化是一种有效的处理方法，主要目的是使材料表面产生相当大量的含氧基团。处理的主要程序是将待处理材料浸人浓硝酸或硫酸、次氯酸钠、高锰酸钾、重铬酸盐或过氧化氢等氧化剂溶液中。
　　对碳材料，硝酸氧化是最广泛使用的增强活性的湿态氧化处理方法。例如在沸腾的硝酸中处理的碳材料将引起酸性表面基团(如羰基和羧基)的大量增加。
　　(2)电化学氧化
　　上述浸人法处理常常引起原材料结构的变化，甚至导致基本性质的改变。温和的电氧化处理能在增强体表面建立氧功能基团，同时克服了浸入法的缺点。这种方法比起传统的化学氧化法有下列明显的优点:
　　1. 由直流电源提供的电子是唯一的反应剂;
　　2. 反应条件能准确地重现;反应化学计量能用功率供应调节;
　　3. 尽管表面活性有显著增强，增强体(如碳纤维)的力学性能和表面积保持不变。
　　阳极氧化主要用于碳纤维。不同电解质处理后的碳纤维表面有不同的化学组成。例如，用NH4HCO3作电解质，碳纤维表面将引人能增加界面化学键的含氮基团，并减弱表面的氧化程度。
　　(3)偶联剂改性
　　偶联剂对玻璃纤维表面的改性效果显著，已经在工业规模的生产中使用。偶联剂可用水或有机溶剂溶解后涂覆在纤维表面。通常，化学键理论被用于解释硅烷偶联剂与增强体玻璃纤维和基体树脂之间的反应，双官能团的硅烷偶联剂分子通过硅氧键与纤维表面形成化学键连接，而其有机官能团部分则与树脂基团相连接。
　　(4)等离子体处理
　　等离子体处理是增强体表面改性很普遍使用的方法，适用于各种增强体材料。它能使增强体表面产生自由基、离子和亚稳态物质，引起烧蚀、交联和氧化反应。等离子体处理的表面改性效果显著。例如，氧等离子体处理可使碳纤维表面生成-COOH、C-OH等官能团，同时改善了碳纤维的润湿性，表面粗糙度也有明显增大。对有机纤维的处理也有类似的结果。例如 PBO纤维经氧等离子体处理15min后，表面总自由能由47.6mJ/m2增大到64.4mJ/m2。芳纶纤维在常压下的等离子体处理后，表面粗糙度发生明显变化，O/C质量比从处理前的15.99%增大到处理后的27.15%。这种方法有两个明显的优点:反应深度易于控制，反应一般仅发生在材料表面，因而不影响材料的整体性质;可使用多种环境气氛，例如氧化、还原或惰性气体环境。此外，所使用的技术操作简便，效率较高。
　　设备推荐
　　(5)臭氧处理
　　非极性碳材料可以通过在空气或氧(O2)或臭氧(O3)中热处理的氧化反应获得适当的表面处理。在各种氧源中，臭氧是最常使用的一种。臭氧处理用于在碳材料表面引人氧官能团。
　　(6)高能射线辐照处理
　　使用高能射线辐照处理改善增强体表面性质有如下优点:可在包括室温在内的任意温度下实施;射线穿透力强，作用比较均匀，除表面外还能改善材料本体的结构和性质;处理工艺简单，操作方便，便于连续化批量生产;无环境污染。
　　双马树脂基复合材料
　　双马树脂作为先进复合材料基体，具有耐高温、耐湿热等优点，在航空航天等领域应用广泛。但是存在预聚体黏度大、单体溶解性差、对增强体浸润差和加工成本高等不足。
　　因此，研究双马树脂基复合材料界面调控对于其复合材料应用而言至关重要。
　　为了更好地了解高性能纤维表面改性及其双马树脂基复合材料界面调控，2022复合材料界面论坛 邀请大连理工大学陈平教授 作为论文特邀嘉宾，分享《高性能纤维表面改性及其双马树脂基复合材料界面调控 》主题报告。
　　报告主要内容
　　采用电感耦合射频等离子体(ICP)和介质阻挡放电(DBD)低温等离子体对高性能连续纤维表面进行改性，分别采用X光电子能谱(XPS)、原子力显微镜(AFM)和动态接触角测定仪(DCA)等分析测试手段系统地研究了等离子体处理时间、放电功率、放电气压等对连续碳纤维、聚苯并二噁唑(PBO)纤维改性处理前后,纤维表面状态、表面组成、表面形貌、浸润性能的变化规律以及经等离子体处理前后纤维增强双马树脂基复合材料界面结构与性能的影响关系及变化规律、复合材料界面粘结和破坏机理。
　　研究结果表明，经过等离子体处理后，纤维表面接枝上了大量的含羧基、羟基等极性官能团，表面粗糙度增加，表面自由能增加，纤维浸润性能得到明显改善，导致纤维与双马树脂基体界面层间剪切强度(ILSS)明显提高，复合材料的破坏模式由未处理的界面脱粘破坏转变为等离子体处理后的树脂基体破坏。最后，对纤维表面时效性及其对纤维增强双马树脂基复合材料界面性能的影响关系也进行了论述。
　　嘉宾介绍
　　陈平，大连理工大学化工学院教授/博士生导师，享受国务院政府特殊津贴专家。现任辽宁省先进聚合物基复合材料工程重点实验室主任兼学科带头人。中国材料研究学会资深会员；中国复合材料学会界面科学与工程专业委员会委员；全国橡塑技术专家委员会第一届委员；中国化工学会化工新材料专委会委员；《材料研究学报》第四届、第五届编委。
　　长期从事高性能高分子材料和先进聚合物基复合材料方面的研究工作。在航空航天、交通运输、电气绝缘等领域用新型耐高温树脂设计合成与功能化改性、纤维表面低温等离子体改性技术与结构表征、复合材料界面结构调控与制备技术方面取得重要成就。承担完成国家重点科技攻关项目、国家863计划项目、国防基础科研重点项目、装备预研项目和军工配套项目30余项。
　　先后获得国家技术发明奖2项；中国专利奖1项；省部级科学技术奖一、二等奖18项。获得国家发明专利授权56项。发表学术论文220余篇，其中160篇被SCI收录、180余篇被EI收录。出版《环氧树脂及其应用》、《先进聚合物基复合材料界面及纤维表面改性》、《双马树脂基复合材料空间损伤与界面改性》、《磁功能化石墨烯三维结构设计及其吸波复合材料》学术专著6部；出版教材2部；其中《高分子合成材料学》获得＂十一五＂国家级规划教材用书。
　　先后获得1999年国务院政府特殊津贴，2003年首届＂辽宁省十大青年科技英才＂,2004年＂辽宁省新世纪百千万人工程＂百人计划，2005年第三届＂侯德榜化工科学技术奖＂青年奖，2006年由其领导组建的＂先进聚合物基复合材料＂团队入选首批辽宁省高校科技创新团队；2008年首届＂中国石油与化学工业协会＂青年科技突出贡献奖，2010年大连市第五批优秀专家、2014年辽宁省第九届优秀科技工作者、2018年第七批辽宁省优秀专家、第十届＂侯德榜化工科学技术奖＂创新奖、全国石油和化工行业优秀科技工作者、首批辽宁省兴辽英才计划科技创新领军人才、辽宁省特聘教授、2020年辽宁省学术头雁等荣誉称号。主持完成＂系列耐高温双马树脂及其复合材料＂项目成果入选首届中国科协＂科创中国先导技术＂-先进材料领域10强榜单。
　　8月11-12日，复合材料界面领域大咖齐聚，聊一聊复合材料界面的那些事儿！