碳纤维的硝酸氧化及表面的化学分析探讨

罗 悦

（成都理工大学，四川成都 610059）

碳纤维的硝酸氧化及表面的化学分析探讨

罗 悦

（成都理工大学，四川成都 610059）

分别运用化学衍生法与X光电子能谱（XPS）分析了硝酸氧化前、后的碳纤堆表面所发生的化学变化。结果表明，高模量碳纤维表面化学基团含量要明显低于低模量碳纤维的含量；硝酸氧化对于低模量碳纤维表面改性显著大于高模量碳纤维；硝酸氧化使得碳纤维表面相应羟基含量得以减少，而碳纤维表面羟基含量却有所增加。

碳纤维；硝酸氧化；化学分析

碳纤维多用于增强复合材料。碳纤维复合材料所具有的机械性能，除了对于基体、碳纤维自身的机械性能具有决定作用之外，还对二者间的界面作用起到决定作用。对于没有经过处理的的碳纤维表面，一般具有较低的能，因此，为将此方面增强，通常情况下，需对表面实施预处理。为了能够更好的了解复合材料所具有的增强机理，需研究碳纤维的表面化学。针对碳纤维的硝酸氧化，以及其对表面化学所具有的影响展开探讨。

1 实验方法

本次实验共选用了两类种碳纤维样品，即低模量（LM）与高模量（HM），均产自Courtaulda公司。实验当中所运用的化学试剂均为分析纯试剂。利用硝酸氧化法实施碳纤维氧化，方法：把碳纤维样品浸入浓硝酸当中，实施回流操作，时间3h，而后运用三级蒸馏水，对其予以充分清洗，完成清洗后，用三级蒸馏水对其进行侵泡，时间48h，而后置于真空环境中，保持干燥。为便于X光电子能谱（XPS）对羟基含量实施检测，在研究过程中，运用表面衍生反应来达此目的。对于碳纤维的表面衍生反应而言，其选用2个液氮冷却装置、1个扩散真空泵及1个旋转真空泵，能够在比较短的时间内，实现真空要求（1.32×10-3Pa）。对于抽真空后的碳纤维样品，将其与位于烧瓶当中的试剂蒸气予以反应。实验得知，羟基和三氟乙酸酐（TFAA）蒸气反应，能够在6h内完成，而羧基与三氟乙醇（TFE），则需15h。所以，羧基为15h，而羟基的衍生反应为7h[1]。

2 结果与讨论

2.1 碳纤维表面元素组成分析

经实验得知，没有经过处理的碳纤维，其表面上存在氮原子。而对于HM碳纤维表面，具有很低的氮含量，仅0.3%。但对于LM碳纤维表面而言，其氮含量高于HM碳纤维表面的含量，乃为后者的10倍以上。针对温度较低且经过碳化的PAN碳纤维而言，常见表面有氮原子。此些氮原子通常情况下，由于PAN不完全分解而得以生成。HM碳纤维在实际生产时，其运用高于LM碳纤维的温度，即前者温度为2 500℃，后者则为1400℃。这便造成HM碳纤维在具体的氧化程度方面，要高于HM碳纤维，所以其具有较低的含氮量。此外，HM碳纤维具有较高的碳化、石墨化程度，因此，其表面含氧量要低于LM碳纤维的含氧量。

浓硝酸对于碳纤维表面相应活性基团具有氧化作用。硝酸出现氧化状况，对HM碳纤维表面相应含氧量具有较小的影响，究其原因，可能与HM碳纤维表面具有很高的石墨化程度相关。LM碳纤维表面具有比较低的石墨化程度，因此，其表面上具有比较多的能够氧化的活性基团。

2.2 碳纤维表面基团的变化

为了能够更好的对碳纤维表面上的官能团进行研究，可利用较高分辨率的XPSC1经分析而得到。硝酸氧化对于HM碳纤维相应表面化学影响不大，但也有比较少的COOH/COOR基团存在。硝酸氧化较大影响着LM碳纤维表面的化学结构。其中最为明显变化便是氧化使得COOH/COOR含量大大增加。主要因为硝酸乃为比较强的氧化剂，其能够把将碳纤维表面诸多表面活性基团进行氧化，使之成为COOH。XPS对于C—O—C键与C—CH无法进行区分，同时也不能对COOR于COOH进行区分，因为它们具有相似的化学移位。对此，有效的方法便是把需要检测的官能团，与特定试剂进行反应。通过此反应，将一种新元素引进。通过XPS检测反应之后，所得到的新元素的表面含量，便能将样品表面的原基因含量推算出来。

另外，LM碳纤维表面的官能团含量多于HM碳纤维的。硝酸氧化使得两种碳纤维表面上OH基团含量得以降低。究其原因，主要由于OH基团易被硝酸氧化。氧化之后的后HM碳纤维表面，在COOH含量方面未发生较大改变。而对于LM碳纤维表面而言，则增加了5倍以上[2]。

3 结束语

通过研究LM、HM碳纤维的表面化学，得知HM在表面含氧量以及活性基团含量较LM低。硝酸氧化对于HM碳纤维表面化学具有较小的影响，原因为HM的表面具有比较高的石墨化程度，因此，具有较少的可供硝酸氧化基团。针对还没有处理的的HM碳纤维，其表面的COOH及OH含量较少。硝酸氧化使得OH含量减少，但对COOH却具有较小的影响。硝酸氧化增加了LM碳纤维表面相应含氧量。为实施处理的LM碳纤维表面，OH基团较多，但氧化之后的碳纤维表面，以COOH居多。

[1] 李泽英，易丹青，汪波，等.HNO3/H2SO4处理对碳纤维表面性质以及碳纤维/环氧树脂复合材料力学性能的影响[J].粉末冶金材料科学与工程，2014，（6）：887-896.

[2] 何昌飞.碳纤维液相氧化后的性能及微观结构研究[D].北京：北京化工大学，2012.

Nitric Acid Oxidation of Carbon Fibers and Discussion on Chemical Analysis of Surface

Luo Yue

Chemical chemotaxis and X-ray photoelectron spectroscopy（XPS）were used to analyze the chemical changes that occurred on the surface of the fi ber before and after nitric acid oxidation.It was found that the content of chemical groups on the surface of high modulus carbon fi ber was signif i cantly lower than that of low modulus carbon fi ber.Nitric acid oxidation for low modulus carbon fi ber surface modif i cation，to signif i cantly larger than the high modulus of carbon fi ber.Oxidation of nitric acid causes the corresponding hydroxyl content on the surface of carbon fi ber to be reduced，while the carbon content of carbon fi ber surface has increased.

carbon fi ber；nitric acid oxidation；chemical analysis

O647.

A

1003–6490（2017）03–0049–01

2017–02–22

罗悦（1993—），男，四川巴中人，主要研究方向为环境分析。