碳纳米纤维的氧化程度是否会影响其增强聚酰亚胺（PI）树脂的摩擦性能和耐腐蚀性？

《Surfaces and Interfaces》：Does the oxidation degree of carbon nanofibers affect the friction and corrosion resistance of their reinforced PI resins?

碳纳米纤维（CNFs）氧化程度对其增强聚酰亚胺（PI）涂层摩擦性能和耐腐蚀性的影响研究。通过调整超声频率（4,20,40 kHz）制备不同氧化程度的CNFs，发现氧化处理改善CNFs与PI的相容性，摩擦系数随氧化程度增加显著降低（0.3594→0.2643），但仅CNF-3/PI涂层腐蚀电流密度降低。分子动力学模拟表明CNFs垂直排列及与PI相容性差导致耐腐蚀性不足，高分散和相容性是关键。

　　在当今材料科学领域，纳米材料因其独特的物理和化学性质而受到广泛关注。碳纳米纤维（CNFs）作为一种一维纳米材料，因其高强、高模量、良好的抗摩擦和抗腐蚀性能，以及优异的热稳定性，被认为是理想的增强材料。然而，如何有效提升CNFs在复合材料中的性能，尤其是在摩擦性能和抗腐蚀能力方面，仍然是一个值得深入研究的问题。传统的做法通常是通过氧化处理来改性CNFs的表面，使其具备更多的活性基团，从而增强其与基体材料的相容性。然而，这种氧化处理是否对CNFs的增强效果产生显著影响，以及不同氧化程度的CNFs在改善聚酰亚胺（PI）涂层性能方面的作用机制，尚缺乏系统性的探讨。

为了回答这些问题，研究者通过控制超声频率，制备了不同氧化程度的CNFs，分别标记为CNF-1（4 kHz）、CNF-2（20 kHz）和CNF-3（40 kHz）。随后，将这些CNFs添加到PI树脂中，系统评估了其对摩擦性能和抗腐蚀能力的影响。研究结果表明，随着氧化程度的增加，CNFs的摩擦系数逐渐降低，而磨损率则相应减少。例如，在0.5 wt%的添加量下，PI的摩擦系数为0.3594，而CNF/PI的摩擦系数为0.3077，CNF-1/PI为0.3059，CNF-2/PI为0.2991，CNF-3/PI则降至0.2643。同时，磨损率呈现出PI > CNF/PI > CNF-1/PI > CNF-2/PI > CNF-3/PI的顺序，进一步证实了CNFs的引入可以提升PI涂层的摩擦性能，主要是通过增强其机械强度。

除了摩擦性能，研究还关注了CNFs对PI抗腐蚀能力的影响。结果表明，氧化处理在一定程度上改善了CNFs与PI链的相容性，并对腐蚀性能产生了明显的提升效果。然而，不同氧化程度的CNFs在抗腐蚀能力上的表现存在差异。其中，CNF-3/PI涂层的腐蚀电流密度为2.8×10?? A/cm2，显著低于纯PI的4.0×10?? A/cm2。这说明，较高的氧化程度不仅有助于提高CNFs的表面活性，还能有效增强其在PI基体中的分散性，从而提升涂层的抗腐蚀能力。

进一步的分子动力学（MD）模拟研究表明，CNFs与氧化后的CNFs在PI树脂中的行为存在显著差异。模拟结果揭示了CNFs和氧化CNFs在改善PI树脂抗腐蚀性能方面的机制。通过分析CNFs与PI链之间的相互作用，以及NaCl-H?O溶液中的扩散行为，研究发现，CNFs与PI链的不兼容性以及其垂直排列的结构，对PI树脂的抗腐蚀性能具有不利影响。因此，在腐蚀环境中，纳米填料的高分散性和与树脂的良好相容性显得尤为重要。这些发现为CNFs的氧化处理提供了重要的技术指导，有助于优化其在复合材料中的应用。

为了深入理解CNFs的表面特性及其在PI树脂中的行为，研究者对CNFs进行了系统的表征分析。通过扫描电子显微镜（SEM）观察，不同氧化程度的CNFs呈现出不同的形貌特征。原始CNFs呈现出一种圆柱形的管状结构，直径约为280 nm，表面较为光滑。而经过氧化处理的CNFs（CNF-1、CNF-2、CNF-3）表面出现了不同程度的损伤，其结构逐渐从管状转变为多层的丝状结构。这种结构的变化不仅影响了CNFs的物理性能，还对其与PI基体的结合方式产生了重要影响。

从能量色散光谱（EDS）分析结果来看，经过氧化处理的CNFs中氧元素的含量显著增加。这表明，氧化处理确实对CNFs的表面特性产生了显著影响，使其表面具备更多的极性基团，从而提高了其与PI基体的相容性。然而，表面修饰的充分性也对CNFs的增强效果至关重要。研究表明，未经过适当修饰的CNFs由于表面光滑、缺乏足够的极性基团，导致其与树脂基体的结合能力较弱，难以充分发挥其增强性能。因此，在将CNFs引入PI树脂之前，进行适当的表面处理和修饰是必要的。

研究还发现，不同氧化程度的CNFs在PI树脂中的分散性和结合方式存在差异。其中，CNF-3（40 kHz）由于较高的氧化程度，其表面活性和分散性得到了显著提升，从而在PI树脂中表现出更好的结合效果。这种更好的结合不仅有助于提高涂层的机械强度，还对涂层的抗腐蚀性能产生了积极影响。然而，CNF-1（4 kHz）和CNF-2（20 kHz）虽然也表现出一定的增强效果，但其与PI基体的结合能力仍不如CNF-3。这说明，氧化处理的程度对CNFs的增强效果具有重要影响，而过高的氧化处理可能会导致表面结构的破坏，从而影响其性能。

此外，研究还关注了CNFs在PI树脂中的微观结构及其对宏观性能的影响。通过X射线衍射（XRD）和热重分析（TGA）等手段，研究者对不同氧化程度的CNFs进行了系统的结构表征。结果表明，随着氧化程度的增加，CNFs的晶体结构逐渐发生变化，其热稳定性也有所提高。这表明，氧化处理不仅改变了CNFs的表面特性，还对其内部结构产生了影响，从而影响了其在复合材料中的性能表现。

为了进一步验证这些结论，研究者还进行了摩擦测试和电化学测试。摩擦测试结果表明，随着氧化程度的增加，CNFs的引入有效降低了PI涂层的摩擦系数，同时提高了其耐磨性能。电化学测试结果则显示，CNF-3/PI涂层的抗腐蚀能力显著优于纯PI涂层。这些结果表明，CNFs的氧化处理不仅有助于提高其与PI基体的结合能力，还能有效改善涂层的摩擦和腐蚀性能。

研究还发现，不同氧化程度的CNFs在PI树脂中的分散性和结合方式对涂层的性能产生了重要影响。其中，CNF-3由于较高的氧化程度，其表面活性和分散性得到了显著提升，从而在PI树脂中表现出更好的结合效果。这种更好的结合不仅有助于提高涂层的机械强度，还对涂层的抗腐蚀性能产生了积极影响。然而，CNF-1和CNF-2虽然也表现出一定的增强效果，但其与PI基体的结合能力仍不如CNF-3。这说明，氧化处理的程度对CNFs的增强效果具有重要影响，而过高的氧化处理可能会导致表面结构的破坏，从而影响其性能。

为了更深入地理解CNFs在PI树脂中的行为，研究者还进行了分子动力学（MD）模拟。模拟结果揭示了CNFs与氧化后的CNFs在PI树脂中的相互作用机制。通过分析CNFs与PI链之间的相互作用，以及NaCl-H?O溶液中的扩散行为，研究发现，CNFs与PI链的不兼容性以及其垂直排列的结构，对PI树脂的抗腐蚀性能具有不利影响。因此，在腐蚀环境中，纳米填料的高分散性和与树脂的良好相容性显得尤为重要。这些发现为CNFs的氧化处理提供了重要的技术指导，有助于优化其在复合材料中的应用。

综上所述，研究结果表明，CNFs的氧化处理对其在PI树脂中的增强效果具有重要影响。通过控制超声频率，可以调节CNFs的氧化程度，从而优化其表面活性和分散性。不同氧化程度的CNFs在改善PI涂层的摩擦性能和抗腐蚀能力方面表现出不同的效果，其中CNF-3由于较高的氧化程度，其性能提升最为显著。这些发现不仅有助于深入理解CNFs在复合材料中的行为机制，还为实际应用提供了重要的技术指导。未来的研究可以进一步探索不同氧化处理方式对CNFs性能的影响，以及如何通过优化表面处理工艺来提升其在复合材料中的应用效果。