2022複合材料介面論壇
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大多數增強體的表面常常只有低表面能，而且顯現化學惰性，還存在表面汙染以及邊界層，因而大都表現出液態基體的低浸潤性和黏結性。表面處理能改變增強體表面的化學組成，增大表面能，並改變其晶態及表面形貌。此外，還能清除表面汙染物。這些效果提高了基體對增強體表面的浸潤和黏結效能，進而改善了介面性質。
增強體表面改性可分為溼法和幹法兩類，可應用於範圍廣泛的各種材料，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體表面形成功能基團。溼處理主要包括化學或電化學處理和偶聯劑或金屬塗覆，而幹處理主要包括等離子體、光輻射、微波、無線電頻率波、臭氧和氟化處理等。各種處理的最終目標是改變增強體的表面化學和增強體材料的表面結構，從而控制增強體表面的某些性質，如化學反應活性、浸潤性、粗糙度、生物相容性和導電性等。當然，對所有處理，除表面性質外，增強體的整體性質應該得到最大程度的保留。
改性方法
(1)化學氧化
對非極性材料，化學氧化是一種有效的處理方法，主要目的是使材料表面產生相當大量的含氧基團。處理的主要程式是將待處理材料浸人濃硝酸或硫酸、次氯酸鈉、高錳酸鉀、重鉻酸鹽或過氧化氫等氧化劑溶液中。
對碳材料，硝酸氧化是最廣泛使用的增強活性的溼態氧化處理方法。例如在沸騰的硝酸中處理的碳材料將引起酸性表面基團(如羰基和羧基)的大量增加。
(2)電化學氧化
上述浸人法處理常常引起原材料結構的變化，甚至導致基本性質的改變。溫和的電氧化處理能在增強體表面建立氧功能基團，同時克服了浸入法的缺點。這種方法比起傳統的化學氧化法有下列明顯的優點:
1. 由直流電源提供的電子是唯一的反應劑;
2. 反應條件能準確地重現;反應化學計量能用功率供應調節;
3. 儘管表面活性有顯著增強，增強體(如碳纖維)的力學效能和表面積保持不變。
陽極氧化主要用於碳纖維。不同電解質處理後的碳纖維表面有不同的化學組成。例如，用NH4HCO3作電解質，碳纖維表面將引人能增加介面化學鍵的含氮基團，並減弱表面的氧化程度。
(3)偶聯劑改性
偶聯劑對玻璃纖維表面的改性效果顯著，已經在工業規模的生產中使用。偶聯劑可用水或有機溶劑溶解後塗覆在纖維表面。通常，化學鍵理論被用於解釋矽烷偶聯劑與增強體玻璃纖維和基體樹脂之間的反應，雙官能團的矽烷偶聯劑分子透過矽氧鍵與纖維表面形成化學鍵連線，而其有機官能團部分則與樹脂基團相連線。
(4)等離子體處理
等離子體處理是增強體表面改性很普遍使用的方法，適用於各種增強體材料。它能使增強體表面產生自由基、離子和亞穩態物質，引起燒蝕、交聯和氧化反應。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，同時改善了碳纖維的潤溼性，表面粗糙度也有明顯增大。對有機纖維的處理也有類似的結果。例如 PBO纖維經氧等離子體處理15min後，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後，表面粗糙度發生明顯變化，O/C質量比從處理前的15.99%增大到處理後的27.15%。這種方法有兩個明顯的優點:反應深度易於控制，反應一般僅發生在材料表面，因而不影響材料的整體性質;可使用多種環境氣氛，例如氧化、還原或惰性氣體環境。此外，所使用的技術操作簡便，效率較高。
(5)臭氧處理
非極性碳材料可以透過在空氣或氧(O2)或臭氧(O3)中熱處理的氧化反應獲得適當的表面處理。在各種氧源中，臭氧是最常使用的一種。臭氧處理用於在碳材料表面引人氧官能團。
臭氧是一種強氧化劑，易於與非飽和鍵反應，而對飽和鍵反應緩慢。透過氫氧自由基的形成，臭氧也與無機和有機化合物直接或間接地發生反應。氫氧自由基比臭氧有更強的氧化能力，它與有機物的反應十分快速。基於工藝相對簡便和強的反應性，有機和無機材料的臭氧處理已經在工業生產上得到廣泛應用，包括在複合材料增強體表面改性中的應用。
碳纖維臭氧處理時，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生化學反應。處理爐內的臭氧分解速度與溫度直接相關，隨溫度的升高分解加快，約150℃時分解達到100%。碳纖維經臭氧處理後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體表面性質有如下優點:可在包括室溫在內的任意溫度下實施;射線穿透力強，作用比較均勻，除表面外還能改善材料本體的結構和性質;處理工藝簡單，操作方便，便於連續化批次生產;無環境汙染。
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。
使用射線對碳纖維做輻照處理的研究指出，處理使纖維表面極性基團的含量、表面粗糙度和浸潤效能都有顯著提升。對有機物增強體，γ射線輻照處理同樣有好的效果。研究指出，輻照除了能使有機纖維的表面變得更粗糙，形成更多的含氧極性基團，導致表面浸潤性增強外，還能發生輻照交聯，改變纖維的微結構，如晶體結構的變化，提高纖維本體的強度。輻照接枝反應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後，酚醛樹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：《複合材料的介面行為》作者 楊序綱、吳琪琳著，出版時間：2020-04-01
