Estudo da superfície de fibras de carbono após tratamento de implantação iônica por imersão em plasma (3IP)

Abstract

In this work, plasma immersion ion implantation (PIII) treatments of carbon fibers (CFs) were performed in order to induce modifications of chemical and physical properties of the CF surface aimed to improve the performance of thermoplastic composite. The samples to be treated were immersed in nitrogen or air glow discharge plasma and pulsed at −3.0 kV for 2.0, 5.0, 10.0, and 15.0 min. After PIII processing, the specimens were characterized by atomic force microscopy (AFM), scanning electron microscopy, Raman spectroscopy, and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). After CFs treatments, the CF/Polypropylene (PP) composites were produced by hot pressing method. Surface morphology of as-received CFs exhibited some scratches aligned along the fibers due to the fiber manufacturing process. After both treatments, these features became deeper, and also, a number of small particles nonuniformly distributed on the fiber surface can be observed. These particles are product of CF surface sputtering during the PIII treatment, which removes the epoxy layer that covers as-received samples. AFM analyses of CF samples treated with nitrogen depicted a large increase of the surface roughness (Rrms value approximately six times higher than that of the untreated sample). The increase of the roughness was also observed for samples treated by air PIII. Raman spectra of all samples presented the characteristic D- and G-bands at approximately 1355 and 1582 cm−1, respectively. Analysis of the surface chemical composition provided by the XPS showed that nitrogen and oxygen were incorporated onto the surface. The polar radicals formed on the surface lead to increasing of the CF surface energy. Both the modification of surface roughness and the surface oxidation contributed for the enhancement of CF adhesion to the polymeric matrix. These features were confirmed ... (Complete abstract click electronic access below)

Neste trabalho, os tratamentos de implantação iônica por imersão em plasma (3IP) de fibras de carbono (FC) foram realizados com o intuito de modificar as propriedades químicas e físicas da superfície das FC para melhorar o desempenho do compósito. As amostras foram imersas no plasma de descarga luminescente de nitrogênio e ar atmosférico e pulsadas a -3,0 kV durante 2, 5, 10 e 15 minutos. Depois dos tratamentos das fibras de carbono, os compósitos FC/Polipropileno (PP) foram produzidos pelo método de prensagem a quente. Após os tratamentos 3IP, as amostras foram caracterizadas por microscopia de força atômica (AFM), microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia Raman e espectroscopia de raios-X (XPS). A morfologia superficial das FC não tratadas apresentou alguns sulcos ao longo das fibras devido ao processo de fabricação. Depois de ambos os tratamentos, estes sulcos se aprofundaram e também algumas partículas não uniformes distribuídas na superfície da FC puderam ser observados. Estas partículas são produtos do ataque superficial da FC durante o tratamento 3IP, que remove a camada de resina epoxy, que recobre as amostras como recebidas. As análises AFM das amostras de FC tratadas com nitrogênio apresentaram um grande aumento de rugosidade (valores de rugosidade média quadrática de aproximadamente seis vezes maior do que a amostra não tratada). Um aumento da rugosidade também foi observado para as amostras tratadas com 3IP de ar atmosférico. Os espectros Raman de todas as amostras apresentaram as bandas características D e G em aproximadamente 1355 e 1582 cm-1, respectivamente. A análise da composição química da superfície obtida por XPS mostrou que nitrogênio e oxigênio são incorporados na superfície. Grupos polares formados na superfície levaram ao aumento da energia superficial ... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo)