預(yù)應(yīng)力建筑碳纖維的表面改性與力學(xué)性能研究

楊 慶，葉子明，張 健

(柳州工學(xué)院,廣西柳州 545000)

碳纖維是有機纖維經(jīng)過一系列轉(zhuǎn)化處理形成的具有優(yōu)異力學(xué)性能,又兼具柔軟可加工性等特性的新材料[1],在現(xiàn)代化預(yù)應(yīng)力建筑領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用,這主要是因為碳纖維應(yīng)用在建筑領(lǐng)域具有自重輕、施工方便、柔和型好、耐久性佳、抗高溫和抗磨損性能優(yōu)異以及適用于混凝土構(gòu)件等優(yōu)點。然而,隨著現(xiàn)代化建筑朝著預(yù)應(yīng)力、高跨度和高層化方向發(fā)展的趨勢,對建筑用碳纖維的力學(xué)性能提出了更高的要求,這就要求對傳統(tǒng)碳纖維進行表面改性處理,以進一步提升碳纖維的潤濕性和界面性能等[2-3]。在此基礎(chǔ)上,本文嘗試采用逐層組裝法對碳纖維進行表面改性處理[4],并對比分析了不同層數(shù)的碳纖維的表面顯微形貌和力學(xué)性能,以期為高性能預(yù)應(yīng)力建筑用碳纖維復(fù)合材料的制備提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗原料

試驗原料包括德州華益碳纖維制品有限公司提供的碳纖維(直徑6μm、密度1.65g/cm3)、上海乃歐納米科技有限公司提供的多壁碳納米管(CNTs,直徑30μm、純度98%)、吳江市南風(fēng)精細化工有限公司提供的分析純過硫酸鉀和分析純硝酸銀、上海一基實業(yè)有限公司提供的分析純2-(7-偶氮苯并三氮唑)-N 和N,N-二異丙基乙胺,北京化學(xué)試劑廠提供的65% 硝酸和98%硫酸以及分析純丙醇。

1.2 試樣制備

將原始碳纖維浸入丙酮溶液中超聲清洗,真空干燥后得到未處理的碳纖維(Untreated CF,簡稱為CF)；將CF 置于0.1mol/L 過硫酸鉀+0.01mol/ L 硝酸銀混合溶液中進行68℃保溫60min的恒溫處理,之后采用去離子水清洗和乙醇抽提后進行真空干燥,得到氧化纖維；將4g 多壁碳納米管加入體積比1:3的硝酸/ 硫酸溶液中進行68℃保溫60min的恒溫處理,之后采用去離子水清洗和乙醇抽提后進行真空干燥,得到CNT-CООН(CFMC-L1,簡稱為L1)；將CNT-CООН 浸入含0.4g 三聚氰胺的四氫呋喃溶液中,加入8mg的2-(7-偶氮苯并三氮唑)-N 超聲反應(yīng)4h,四氫呋喃多次洗滌后進行真空干燥,然后置于48mL的N,N-二甲基甲酰胺溶液中,超聲處理18min 后升溫至88℃反應(yīng)240min,烘干后接枝碳纖維得到CF-MC-L2(簡稱L2)；進一步將CF-MC-L2置于48mL 異丙醇中超聲18min,然后加入1mL 縮合劑N,N-二異丙基乙胺,升溫至68℃反應(yīng)24h,經(jīng)過丙醇和乙醇洗滌后進行真空干燥處理,得到CF-MC-L3(簡稱為L3)。

1.3 測試方法

采用AXIS Ultra DLD 型X 射線光電子能譜儀對碳纖維表面元素含量和官能團進行表征,并對XPS 圖譜進行分峰擬合得到官能團相對含量[5]；采用Quanta 200FEG 型掃描電鏡對碳纖維表面形貌進行觀察；根據(jù)ASTM D3397 標準在MTS-810 型萬能材料試驗機上進行碳纖維單絲拉伸強度測試,拉伸速率為6mm/min；采用三點短臂梁彎曲法[6]在MTS-810 型萬能材料試驗機上進行層間剪切強度測試；采用ZB-903 型落錘沖擊試驗機進行室溫沖擊性能測試,取5 組試樣平均值作為測試結(jié)果。

2 試驗結(jié)果與分析

圖1 為預(yù)應(yīng)力碳纖維的XPS 圖譜和分峰擬合圖譜。對比分析可知,L1、L2 和L3 碳纖維表面都存在C1s、N1s 和О1s 特征吸收峰,表明在接枝改性過程中碳纖維表面會引入含О 或者含N 官能團[7]；此外,L1、L2 和L3 碳纖維表面C1s、N1s 和О1s 特征吸收峰的強度存在一定差異,具體表現(xiàn)為層數(shù)越多則對應(yīng)的C1s、N1s 特征吸收峰愈強,表明О 和N的含量越高。此外,從分峰擬合譜圖中可見,三種碳纖維都可以擬合得到六個不同的特征吸收峰,分別在284.75、285.7、285.9、287.7、288、289 eV,各個不同基團的相對含量列于表1。

圖1 預(yù)應(yīng)力建筑碳纖維的XPS 圖譜和分峰擬合圖譜Fig.1 XPS spectrum and peak fitting spectrum of prestressed building carbon fiber

表1 預(yù)應(yīng)力建筑碳纖維的官能團相對含量(at.%)Table 1 Relative content of functional groups in prestressed carbon fiber

對于L1 碳纖維,C-C(1)、C-C(2)、C-N、C=N、NН-CО 和-CООН 官能團的相對含量分別為64.34%、7.70%、8.45%、6.59%、5.52% 和7.40%；隨著表面層數(shù)增多,C-C(1)逐漸降低,C-N、C=N、NН-CО 和-CООН官能團的相對含量都呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢；L3 碳纖維的C-C(1)、C-C(2)、C-N、C=N、NН-CО 和-CООН 官 能團的相對含量分別為54.31%、8.75%、10.47%、8.58%、7.51% 和10.38%。由此可見,在碳纖維表面接枝改性過程中,有更多的C-N、C=N、NН-CО 和-CООН 官能團連接到碳纖維表面。

圖2 為預(yù)應(yīng)力建筑碳纖維表面顯微形貌?？梢?CF碳纖維表面除了有少量犁溝外,未見表面顆粒狀附著物；L1、L2 和L3 碳纖維表面粗糙度都相對CF 碳纖維有所增加,且碳纖維表面都可見數(shù)量和尺寸不等的顆粒狀附著物,且這些附著物都未出現(xiàn)團聚現(xiàn)象。這些顆粒狀附著物的存在可以提高碳纖維表面活性,并有助于碳纖維與其它聚合物形成良好接觸,從而提高界面結(jié)合力[8]。

圖2 預(yù)應(yīng)力建筑碳纖維的表面SEM 形貌Fig.2 SEM surface morphology of prestressed carbon fiber

圖3 為預(yù)應(yīng)力建筑碳纖維單絲的拉伸強度測試結(jié)果。對比分析可知,未接枝改性的CF 單絲拉伸強度為3.77GPa,接枝改性后碳纖維的單絲拉伸強度都相較于未經(jīng)過改性的CF 碳纖維有一定程度提高,且層數(shù)越多,相應(yīng)的改性碳纖維的單絲拉伸強度越大。這主要是因為在接枝改性過程中,碳纖維表面缺陷會有一定程度減少并對碳纖維起到補強作用,且層數(shù)越多補強作用越大[9],相應(yīng)的拉伸強度提升越明顯。

圖3 預(yù)應(yīng)力建筑碳纖維單絲的拉伸強度Fig.3 Tensile strength of carbon fiber

圖4 為預(yù)應(yīng)力建筑碳纖維的界面剪切強度測試結(jié)果。對比分析可知,未經(jīng)改性的碳纖維界面剪切強度為48MPa,而經(jīng)過接枝改性后的碳纖維界面剪切強度都有不同程度提高；隨著層數(shù)增多,改性碳纖維的界面剪切強度先增加后減小,L2 碳纖維的界面剪切強度最大,約為97MPa?？梢?層數(shù)并不是越多越好,L2 碳纖維的界面剪切強度最大,如果繼續(xù)提高層數(shù)至L3,碳纖維的界面剪切強度反而會減小。這主要是因為層數(shù)的增加會改變碳纖維表面的浸潤能力,并在界面處形成空隙等缺陷[10],從而降低了界面結(jié)合強度。

圖4 預(yù)應(yīng)力建筑碳纖維的界面剪切強度Fig.4 Interfacial shear strength of prestressed carbon fiber

圖5 為預(yù)應(yīng)力建筑碳纖維的室溫沖擊性能測試結(jié)果,分別列出了沖擊試驗過程中碳纖維的裂紋擴展功、裂紋形成功以及總沖擊功[11]。對比分析可知,碳纖維改性前的裂紋擴展功、裂紋形成功以及總沖擊功分別為0.26J、0.52J 和0.78J；改性后碳纖維的裂紋擴展功、裂紋形成功以及總沖擊功都有不同程度增大,且層數(shù)越多,相應(yīng)的裂紋擴展功、裂紋形成功以及總沖擊功越大；層數(shù)為3 時L3 碳纖維的裂紋擴展功、裂紋形成功以及總沖擊功分別達到0.51J、0.91J 和1.42J。這主要是因為在碳纖維表面接枝改性過程中,碳纖維的界面性能會得到不同程度改變[12],相應(yīng)的抗沖擊性能得到提高。

圖5 預(yù)應(yīng)力建筑碳纖維的室溫沖擊性能Fig.5 Room temperature impact properties of prestressed carbon fiber

3 結(jié)論

(1)L1、L2 和L3 碳纖維表面都存在C1s、N1s 和О1s 特征吸收峰,表明在接枝改性過程中碳纖維表面會引入含О 或者含N 官能團；隨著表面層數(shù)增多,C-C(1)逐漸降低,C-N、C=N、NН-CО 和-CООН 官能團的相對含量都呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。

(2)CF 碳纖維表面除了有少量犁溝外,未見表面顆粒狀附著物；L1、L2 和L3 碳纖維表面粗糙度都相對CF 碳纖維有所增加,且碳纖維表面都可見數(shù)量和尺寸不等的顆粒狀附著物,且這些附著物都未出現(xiàn)團聚現(xiàn)象。

(3)接枝改性后碳纖維的單絲拉伸強度都相較于未經(jīng)過改性的CF 碳纖維有一定程度提高,且層數(shù)越多,相應(yīng)的改性碳纖維的單絲拉伸強度越大。隨著層數(shù)增多,改性碳纖維的界面剪切強度先增加后減小,L2 碳纖維的界面剪切強度最大,約為97MPa。改性后碳纖維的裂紋擴展功、裂紋形成功以及總沖擊功都有不同程度增大,且層數(shù)越多,相應(yīng)的裂紋擴展功、裂紋形成功以及總沖擊功越大。