硅烷偶联剂处理碳纤维，可提升热塑性CF/PI拉伸性能

　　聚酰亚胺（PI）树脂具备较好的机械强度、高耐磨性、热稳定性、高真空稳定性、良好的抗辐射性和不错的耐溶剂性，是材料摩擦方向研究的重点对象之一。而碳纤维具有优异的机械性能，同时轻质优势让其成为工业制造领域备受关注的研究材料之一。将碳纤维与聚酰亚胺相结合，组合而成的热塑性CF/PI复合材料继承了两者的多种性能优势。不过CF/PI复合材料的制备难度并不低，其中碳纤维表面化学惰性较强，而聚酰亚胺树脂熔融后粘度较高，科学家们通过碳纤维表面处理，增加含氧官能团的方式，进一步提升纤维和树脂的界面粘结强度，从而提升CF/PI复合材料的性能上限。智上新材结合专业论文，介绍硅烷偶联剂（SGS）处理后的碳纤维制备而成的CF/PI复合材料的拉伸性能变化。

　　硅烷偶联剂、空气氧化处理碳纤维，并制备CF/PI复合材料

　　1、硅烷偶联剂处理碳纤维：配制不同浓度（0.1~0.5wt%）硅烷偶联剂（SG-Si900），然后将碳纤维浸入到SGS溶剂中，持续10分钟，拿出后在烘烤箱中保持120℃下干燥4小时。

　　2、空气氧化处理碳纤维：在氧化炉中对碳纤维进行氧化处理，设备程序控制氧化过程，在450℃下等温保持10秒，然后在氧化炉中将其冷却至室温。

　　3、制备CF/PI复合材料：将未处理、硅烷偶联剂处理和空气氧化处理的碳纤维分别与聚酰亚胺（PI）树脂组合，利用硫化机等设备制备成不同类别的CF/PI复合材料。

　　4、拉伸实验：将CF/PI复合材料试样切割成需要的尺寸，经过埃里克森实验，记录不同试样拉伸强度和模量的数据，对比其中存在的性能差异。

　　硅烷偶联剂处理碳纤维，可提升热塑性CF/PI拉伸性能

　　1、不同硅烷偶联剂浓度下CF/PI拉伸数据：拉伸强度数分别为114.5Pa（0.1wt%）、119MPa（0.2wt%）、124MPa（0.3wt%）、120MPa（0.4wt%）和117MPa（0.5wt%），拉伸模量分别为3.05GPa（0.1wt%）、3.12GPa（0.2wt%）、3.24GPa（0.3wt%）、3.17GPa（0.4wt%）和3.07GPa（0.5wt%）。拉伸强度和模量随着硅烷偶联剂（SGS）浓度提升而增加，在0.3wt%浓度时达到顶峰，随后随着浓度的提升而减少。

　　分析认为，认为硅烷偶联剂（SGS）通过化学键合吸附在碳纤维表面和聚酰亚胺（PI）基体上，在增强体和基体之间形成有效的键合。键合的主要成分是纤维表面官能团与PI（如磺酸基（-SO2-）和羰基（C=O））形成的配位键。这些活性官能团可以提高碳纤维与PI基体的界面粘附性，但过量的SGS可能会导致CF/PI的拉伸性能下降。另一方面，当SGS太少而不能形成完整的单分子层时，在空隙中没有有效的粘附作用，从而影响整个拉伸强度。

　　2、硅烷偶联剂处理对比空气氧化处理和未处理数据：选择0.3wt%浓度硅烷偶联剂（SGS）处理碳纤维的CF/PI复合材料试样，对比空气氧化处理和未经过处理的CF/PI复合材料试样的拉伸数据。其中拉伸强度分别为124MPa（0.3wt% SGS）、111MPa（空气氧化）和104MPa（未经处理），拉伸模量分别为3.24GPa（0.3wt% SGS）、2.87GPa（空气氧化）和2.76GPa（未经处理）。对比未经过处理的CF/PI实验，硅烷偶联剂和空气氧化处理的CF/PI试样在拉伸数据上有明显的提升，其中硅烷偶联剂处理的试样提升更为明显。

　　3、不同类别试样拉伸断裂表面电镜扫描图：上图（a）为未经过处理的CP/PI试样，其中碳纤维表面光滑，纤维与树脂存在较大空隙，界面粘附性较差；上图（b）为空气氧化处理的CF/PI试样，其中碳纤维表面较为粗糙，是空气氧化处理造成，纤维与基体中存在较小的空隙，空气氧化处理方法主要增加碳纤维的表面官能团和粗糙度，从而提高了界面的粘附能力，但会对碳纤维造成一定损伤；上图（c）为硅烷偶联剂处理的CF/PI试样，断裂表面较为平坦，碳纤维与基体一起断裂，不留孔洞，说明两者结合较为紧密，证实界面粘结强度的大幅提升。

　　研究证明，硅烷偶联剂处理后的碳纤维与聚酰亚胺的界面粘结强度显着提高，对比空气氧化处理效果更为明显，是提升热塑性CF/PI复合材料拉伸性能的有效方式。未来该方式是否能够大范围应用，在批量制备CF/PI复合材料中大放异彩还尚未可知，但科学需要想象，更需要实验，正是因为有了这些，热塑性碳纤维复合材料才会从概念走进现实。