醫(yī)院外墻裝飾碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用性能研究

王吉浩,李鐘仁

（1上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院,上海 200011；2 上海工程技術(shù)大學(xué),上海201620 ）

碳纖維復(fù)合材料作為現(xiàn)代材料家族中重要的一個組成部分，由于具有具備高強度、高模量、低比重、優(yōu)良的減振性、耐疲勞和耐腐蝕等特性，而在醫(yī)院外墻裝飾等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用[1]。尤其是隨著我國經(jīng)濟建設(shè)和建筑領(lǐng)域的快速發(fā)展，高層建筑與大跨度建筑的不斷推出，建筑和醫(yī)院外墻裝飾中很多材料的設(shè)計載荷已經(jīng)無法滿足使用要求，尤其是醫(yī)院外墻裝飾中一些新功能的開發(fā)，急需找到一種具有高疏水特性和高耐磨性能的材料來滿足使用和設(shè)計要求[2]，碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料成為了設(shè)計首選，但是常規(guī)碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料很難在滿足高疏水特性同時實現(xiàn)高耐磨性能[3]。因此，本文設(shè)計了新型超疏水耐磨碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，并研究了全氟乙烯丙烯共聚物（FEP）和聚氨酯（PU）含量對復(fù)合材料潤濕性能和摩擦學(xué)性能的影響，以期為醫(yī)院外墻裝飾用碳纖維復(fù)合材料的開發(fā)與應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

以北海碳素有限公司生產(chǎn)的厚度3mm碳纖維布，南京古田化工有限公司提供的純度99%環(huán)氧樹脂E44和固化劑TETA，美國杜邦公司提供的Φ6.5μm全氟乙烯丙烯共聚物（FEP），北京化學(xué)試劑公司提供的純度67%硝酸、純度99.9%氨基硅油、聚氨酯（PU）、平均直徑38nm的疏水二氧化硅納米粒子和99.8%無水乙醇為原料，采用浸涂法制備了醫(yī)院外墻裝飾用超疏水碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。

原始碳纖維布經(jīng)過清洗和烘干后置于10%硝酸中進行98℃/18min浸泡處理，用蒸餾水沖洗至pH值為中性后烘干，即得化學(xué)刻蝕碳纖維布；刻蝕碳纖維布浸入3g氨基硅油/100mL乙酸乙酯混合溶液中進行58℃/28min水浴加熱，取出烘干后得到疏水碳纖維布；將5g環(huán)氧樹脂、6.8g乙酸乙酯、質(zhì)量分數(shù)0.8.%疏水二氧化硅納米粒子和質(zhì)量比10%～50%（與環(huán)氧樹脂的質(zhì)量比）不等的FEP組成的混合溶液超聲處理28min后，加入3.8g乙酸乙酯以及與環(huán)氧樹脂質(zhì)量比為2%～6%的聚氨酯并超聲處理8min，再將固化劑和疏水碳纖維布置于混合溶液中浸漬8min后取出進行常溫固化5h，烘干固化后得到碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。

采用RTracer-100型紅外光譜儀對復(fù)合材料進行紅外光譜分析；采用JC2000DM接觸角測量儀對復(fù)合材料的表面接觸角進行測試，取5個不同位置的平均值作為結(jié)果；采用 MMG-5滾動磨損試驗機對復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能進行測試，試驗條件為室溫和無潤滑，載荷2.8MPa、滑動速度0.48m/s，利用FA2018型分析電子天平稱量摩擦前后試樣的質(zhì)量，磨損率可以表示[4]為：其中，Δm為磨損失重為復(fù)合材料的密度（g/cm3），NF 為垂直載荷（N），L為銷的滑行距離（m）。

2 結(jié)果與分析

對原始碳纖維布、刻蝕碳纖維布和疏水碳纖維布進行紅外光譜測試，結(jié)果如圖1所示。可見，這三種碳纖維布在3450cm-1位置處都存在-OH的伸縮振動峰，但是經(jīng)過刻蝕處理后，刻蝕碳纖維布在1650cm-1、1385cm-1和771cm-1位置處還分別出現(xiàn)了C=O伸縮振動峰、硝基伸縮振動峰和亞硝基伸縮振動峰，這表明原始碳纖維布已經(jīng)被硝酸刻蝕；疏水碳纖維布的紅外光譜圖中還可見在1160cm-1位置處還存在Si-O-Si鍵的伸縮振動峰，這主要是因為氨基硅油已經(jīng)涂覆在碳纖維表面[5]。

圖1 不同類別的碳纖維布的紅外光譜圖Fig.1 Infrared spectra of different types of carbon fibre cloth

原始碳纖維布的纖維之間存在較多的孔隙，整體結(jié)構(gòu)較為松散，需要填充環(huán)氧樹脂增加致密性；局部放大后可見單根碳纖維表面較為光滑，而經(jīng)過硝酸刻蝕后的碳纖維表面出現(xiàn)了較多的凹坑，局部發(fā)生了脫落以及表面溝槽加深。從疏水碳纖維布表面形貌中可見，經(jīng)過氨基硅油涂覆后，碳纖維表面被一層薄膜包覆，這種薄膜的存在可以提升碳纖維的疏水性能，且還有助于改善碳纖維與環(huán)氧樹脂的界面結(jié)合，有利于壓力傳遞和抑制裂紋擴展[6]。

圖2為FEP和PU含量對碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料表面接觸角和滾動角的影響曲線。當FEP含量(質(zhì)量分數(shù)）從10%增加至50%時，復(fù)合材料的表面接觸角呈現(xiàn)先增加而后減小的趨勢，在FEP含量為40%時取得最大值，而復(fù)合材料的表面滾動角則表現(xiàn)為先減小而后增加的趨勢，在FEP含量為40%時取得最小值，此時水滴易于從復(fù)合材料表面掉落，如果FEP含量過量（50%），環(huán)氧樹脂溶液中的FEP并不能均勻分散而造成復(fù)合材料表面只有一部分達到超疏水效果[7]。當PU含量（質(zhì)量分數(shù)）從2%增加至8%時，碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在PU含量為2%～6%時的表面接觸角相當，且都能實現(xiàn)疏水效果，而PU含量為8%時的表面接觸角明顯減小，已經(jīng)無法實現(xiàn)超疏水特性。綜合而言，F(xiàn)EP含量為40%時，碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料具有表面接觸角最大值和滾動角最小值，且在PU含量為2%～6%時的表面接觸角相當。

圖2 FEP(a)和PU(b)對碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料表面潤濕性能的影響Fig.2 Effects of FEP(a) and PU(b) on the surface wettability of carbon fiber/epoxy resin composites

對醫(yī)院外墻裝飾用碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在PU含量為2%～6%時的磨損率和摩擦系數(shù)進行測量。從磨損率測試結(jié)果來看，隨著摩擦試驗的進行，不同PU含量的復(fù)合材料的磨損率都呈現(xiàn)逐漸減小的特征，但是在相同的摩擦條件下，PU含量為6%的復(fù)合材料的磨損率最小，而PU含量為2%的復(fù)合材料的磨損率相對較大。從摩擦系數(shù)的測定結(jié)果可見，PU含量為2%、4%和6%的復(fù)合材料的摩擦系數(shù)分別為0.398、0.363和0.318，可見復(fù)合材料的摩擦系數(shù)隨著PU含量增加而逐漸減小。綜合而言，在PU含量為6%時，碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料具有最佳的耐磨性能。

對經(jīng)歷了1200000圈摩擦試驗后的復(fù)合材料的表面潤濕性能進行了測試，摩擦試驗示意圖、疏水機理圖和PU含量為2%～6%試樣摩擦后的表面潤濕性能如圖3所示。從摩擦后的復(fù)合材料的疏水性能測試結(jié)果來看，經(jīng)過1200000圈摩擦后，PU含量為2%、4%和6%的復(fù)合材料的表面接觸角相當且都保持在140°以上，可見三種復(fù)合材料都具有較高的疏水性能。這主要是由于在摩擦過程中，雖然有一部分裸露的碳纖維會被折斷，但是表面的二氧化硅納米顆粒仍然能形成一定的粗糙度，且FEP在摩擦過程中會顯現(xiàn)出來并有助于提高疏水性能，而PU的存在在改善復(fù)合材料耐磨性能的同時，可以抑制FEP和二氧化硅顆粒的剝落[8]，從而實現(xiàn)高耐磨和高疏水特性。

圖3 摩擦試驗后復(fù)合材料的表面潤濕性能Fig.3 Surface wettability of composites after friction test

經(jīng)歷60000圈摩擦后，碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料表面可見環(huán)氧樹脂發(fā)生破損，而碳纖維與環(huán)氧樹脂之間并沒有出現(xiàn)空隙，整體較為完整，這也就說明復(fù)合材料中碳纖維與環(huán)氧樹脂的界面結(jié)合力較強，具有較好的耐磨性能；經(jīng)歷120000圈摩擦后，碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料表面的環(huán)氧樹脂磨損更為嚴重，且有部分碳纖維發(fā)生折斷，局部放大后可見斷裂的碳纖維表面存在二氧化硅納米顆粒且環(huán)氧樹脂也發(fā)生破損，復(fù)合材料的表面粗糙度增加，從而有助于維持表面高疏水特性[9]。

3 結(jié)論

（1）原始碳纖維布、刻蝕碳纖維布和疏水碳纖維布在3450cm-1位置處都存在-OH的伸縮振動峰，刻蝕碳纖維布在1650cm-1、1385cm-1和771cm-1位置處還分別出現(xiàn)了C=O伸縮振動峰、硝基伸縮振動峰和亞硝基伸縮振動峰，疏水碳纖維布在1160cm-1位置處還存在Si-O-Si鍵的伸縮振動峰。

（2）當FEP含量從10%增加至50%時，復(fù)合材料的表面接觸角呈現(xiàn)先增加而后減小的趨勢，在FEP含量為40%時取得最大值，而復(fù)合材料的表面滾動角則表現(xiàn)為先減小而后增加的趨勢，在FEP含量為40%時取得最小值。當PU含量從2%增加至8%時，醫(yī)院外墻裝飾用碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在PU含量為2%～6%時的表面接觸角相當，而PU含量為8%時的表面接觸角明顯減小。

（3）隨著摩擦試驗的進行，不同PU含量的復(fù)合材料的磨損率都呈現(xiàn)逐漸減小的特征，但是在相同的摩擦條件下，PU含量為6%的復(fù)合材料的磨損率最小，而PH含量為2%的復(fù)合材料的磨損率相對較大。