اثر اکسایش آندی سطح الیاف کربن بر پایه پلی‌آکریلونیتریل در دو سامانه الکترولیت اسیدی و بازی روی چسبندگی

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

تهران، پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران، پژوهشکده فرایند، گروه لاستیک، صندوق پستی 112-14975

10.22063/jipst.2025.35758.2417

چکیده

فرضیه: الیاف کربن بر پایه پلی‌آکریلونیتریل (PAN) به‌دلیل سطح شیمیایی خنثی دارای چسبندگی ضعیفی به رزین اپوکسی دارد. بنابراین انتظار می‌رود، اکسایش آندی در دو الکترولیت متفاوت (اسیدی و قلیایی) با ایجاد گروه‌های عاملی فعال و افزایش زبری سطح، موجب بهبود قابل‌توجه چسبندگی بین‌سطحی شود. همچنین فرض می‌شود، نوع الکترولیت و شرایط اعمال پتانسیل بر میزان اصلاح شیمیایی و در نهایت بر استحکام برشی بین‌لایه‌ای (ILSS) کامپوزیت اثر معنادار خواهد داشت.
روش‌ها: در پژوهش حاضر به‌منظور اصلاح سطح الیاف از دو نوع الکترولیت بر پایه HNO3 و NaOH با غلظت ثابت در دمای محیط استفاده شده است. اکسایش سطحی الیاف کربن به‌وسیله سامانه الکتروشیمیایی سه‌الکترودی مجهز به پتانسیواستات انجام شد. این سامانه شامل الکترود کار (الیاف کربن)، الکترود کمکی (پلاتین) و الکترود مرجع (Ag/AgCl) است. نمونه‌ها با دو روش ولت‌سنجی چرخه‌ای برای 6 چرخه و ولتاژ ثابت در دو زمان 3 و 10min اکسید شده‌اند.
یافته‌ها: در این پژوهش از ولتامتری چرخه‌ای برای تعیین بازه‌ پتانسیل و شناسایی نقطه‌ی آغاز اکسایش سطح الیاف کربن استفاده شد و سپس فرایند اکسایش اصلی در پتانسیل ثابت مناسب انجام شد. طیف‌سنجی‌های زیرقرمز با تبدیل فوریه و بازتاب ضعیف (ATR-FTIR) به‌دست آمده از سطح الیاف کربن بسته به نوع الکترولیت بیانگر تغییرات شیمیایی و ایجاد گروه‌های عاملی در سطح الیاف هستند. نتایج طیف‌سنجی نشان می‌دهد، بسته به نوع الکترولیت، گروه‌های عاملی حاوی اکسیژن (مانند پیوند C=O) و همچنین گونه‌های حاوی نیتروژن بر سطح الیاف تشکیل می‌شوند. همچنین طیف‌سنجی‌های پراکندگی انرژی پرتو ایکس (EDS) افزایش مقدار اکسیژن و نیتروژن روی سطح را نشان می دهد. تصاویر میکروسکوپ الکترونی پویشی (SEM) تغییرات شکل‌شناسی سطح الیاف اکسیدشده و نیز سطح شکست مواد مرکب‌های حاوی این الیاف را نشان می‌دهد که در اثر اکسایش به ترتیب سطح الیاف از طریق لایه‌برداری زبرتر شده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

The effect of anodic oxidation of PAN-based carbon fiber surfaces in two different acidic and basic electrolyte systems on adhesion

نویسندگان [English]

  • Mohammad Andideh
  • Masoud Esfandeh
  • Mir Hamid Reza Ghoreishy
Tehran - Karaj Road 15 - Research Blvd - Polymer and Petroch
چکیده [English]

Hypothesis: PAN-based carbon fibers exhibit inherently low interfacial adhesion to epoxy matrices due to their chemically inert surfaces. It is therefore expected that anodic oxidation in two different electrolytes (acidic and alkaline) will enhance interfacial bonding by introducing active functional groups and increasing surface roughness. It is further hypothesized that the electrolyte type and the applied potential conditions will significantly influence the extent of chemical modification and, consequently, the interlaminar shear strength (ILSS) of the resulting composites.
Methods: Surface modification was carried out using HNO₃- and NaOH-based electrolytes at fixed concentrations under ambient temperature. Anodic oxidation was performed using a three-electrode electrochemical system equipped with a potentiostat, consisting of a carbon-fiber working electrode, a platinum counter electrode, and an Ag/AgCl reference electrode. The fibers were oxidized via two approaches: (i) cyclic voltammetry (six cycles) to identify the effective oxidation potential, and (ii) potentiostatic oxidation at a constant potential for 3 and 10 minutes.
Findings: Cyclic voltammetry revealed the potential range at which surface oxidation initiates, enabling the selection of an appropriate fixed potential for the main oxidation step. Attenuated total reflectance- Fourier transform infrared spectroscopy (ATR-FTIR) analysis confirmed the formation of oxygen-containing (e.g., C=O) and nitrogen-containing functional groups depending on the electrolyte used. Energy Dispersive X-ray spectroscopy (EDS) analysis showed a substantial increase in surface oxygen and nitrogen content after oxidation. SEM images revealed significant changes in fiber surface morphology—specifically, increased roughness due to layer-by-layer etching—and improved fiber–matrix interfacial adhesion in the composite fracture surfaces. The enhanced ILSS values following anodic oxidation corroborate the synergistic contributions of chemical functionalization and mechanical interlocking to stronger interfacial bonding.
. . . .

کلیدواژه‌ها [English]

  • Polyacrylonitrile-based carbon fibre
  • Surface modification
  • Electrolyte
  • Anodic oxidation
  • Adhesion