西南交通大学电气工程学院、成都国佳电气工程有限公司--氧化石墨烯和NH3等离子体处理碳纤维的静电自组装对复合材料的界面增强作用
在碳纤维(CF)表面引入氧化石墨烯(GO)是调节碳纤维增强聚合物复合材料中纤维/基体界面结构和性能的有效策略。然而，由于处理过程中的蚀刻效应，纤维的抗拉强度往往会降低。本研究提出了一种通过静电自组装将氧化石墨烯接枝到纤维表面的新方法。结果表明:通过NH3等离子体处理NH2接枝CF，使CF和GO在去离子水中电荷相反;随后，它们在静电力的作用下自组装形成CF@GO。CF@GO的抗拉强度比原始CF高31.23%，这可能是因为不同尺寸的GO以其多层修复结构修复了CF的表面缺陷。由于GO涂层，CF的表面润湿性有了明显的改善。此外，界面性能得到显著改善，CF@GO的界面剪切强度(IFSS)提高到81.31 MPa，是未改性CF的2倍左右。这为纳米颗粒在CF上进行无损接枝，在CF复合材料中建立强界面提供了一种很有前景的策略。
图1. (a)等离子体处理系统示意图(b)GO和CF的静电自组装过程示意图。
图2. GO的表征:(a)GO的SEM图像。(b) GO的TEM图像。(c) GO的AFM图像。白线插图表示对应于GO的厚度剖面。(d)GO的FTIR光谱。(e)石墨和GO的XRD测量光谱。
图3. 不同NH3等离子体处理时间后CFs的表征:(a) FTIR光谱，(b) XPS光谱和(c) CF-0、CF-5、CF-10、CF15和CF-20的元素含量。(d) CF-0、CF-5、CF-10、CF-15、CF-20和GO的平均zeta电位。插图显示了CFs和GO的代表性zeta势图。
图4. (a) GO， (b) CF-0， (c) CF-5， (d) CF-10， (e) CF-15和(f) CF-20的C 1s XPS谱。
图5. (a) CF-0和CF@GO，(b) CF@GO-0， (c) CF@GO-5， (d) CF@GO-10， (e) CF@GO-15和(f) CF@GO-20的SEM图像。
图6. (a) GO、CF、CF@GO的TG曲线。(b) EP树脂在CF和CF@GO上的接触角。(c)不同NH3等离子体处理时间和CF@GO的CFs的抗拉强度。
图7. CF和GO的静电诱导自组装示意图。
相关研究成果由西南交通大学电气工程学院、成都国佳电气工程有限公司Zefeng Yang等人于2022年发表在Applied Surface Science (https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.152717)上。原文：Interfacial reinforcement of composites by the electrostatic self-assembly of graphene oxide and NH3 plasma-treated carbon fiber。