建筑用碳纖維復(fù)合材料的增強(qiáng)改性與性能研究

胡 凱，楊 瑩

(1 中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)，湖北 武漢 430074 ；2 中國建筑第三工程局，湖北 武漢 430000；3 武漢工程大學(xué)，湖北 武漢 430205)

碳纖維及其復(fù)合材料由于具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高和良好的阻尼性能等，在現(xiàn)代化建筑、航空航天和交通運(yùn)輸領(lǐng)域都有廣泛運(yùn)用，尤其是隨著近年來高層/超高層、大跨度建筑的不斷興起，給建筑用碳纖維復(fù)合材料帶來了巨大發(fā)展機(jī)遇，同時也對建筑用碳纖維復(fù)合材料提出了更高的性能要求[1-2]。雖然碳纖維復(fù)合材料科研機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)企業(yè)嘗試采用不同手段來增強(qiáng)碳纖維復(fù)合材料的綜合性能，如成型工藝升級、加入增強(qiáng)體等，但是由于生產(chǎn)工藝相對復(fù)雜，增強(qiáng)體與樹脂基體界面性能較差而無法滿足使用要求等，而在很大程度上限制了高性能碳纖維復(fù)合材料在高層大寬度建筑領(lǐng)域的應(yīng)用[3-5]，其中，較為關(guān)鍵的因素是難以解決碳纖維與樹脂基體間的界面粘接性能較差的問題[6]。較為可行的辦法是對碳纖維進(jìn)行表面改性處理，如采用液相氧化法、等離子處理法和電化學(xué)處理法等在碳纖維表面產(chǎn)生極性基團(tuán)，進(jìn)而改善界面粘接性能[7-9]。本文以氧化石墨烯、碳纖維、PP樹脂為原料，研究氧化石墨烯（GO）含量和短切碳纖維（SCF）增強(qiáng)對碳纖維復(fù)合材料表面形貌、熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能的影響，結(jié)果有助于新型高綜合性能碳纖維復(fù)合材料的開發(fā)，并推動其在建筑領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

實驗材料包括采用Hummers法制備的氧化石墨烯（GO）、商業(yè)碳纖維（CF）、工業(yè)級PP樹脂（聚丙烯樹脂）、工業(yè)級無水乙醇、工業(yè)級丙酮。

1.2 試樣制備

首先將CF剪切成長度4mm的SCF（短切碳纖維）備用，然后配制0.15mg/mL 的GO懸浮液，超聲震蕩24h后加入SCF和PP，并采用擠出注塑工藝[10]制備碳纖維復(fù)合材料，質(zhì)量配比見表1，其中，擠出機(jī)溫度為170℃、喂料速度為5r/min。GO-SCF/GO-PP表示GO包裹的 SCF 增強(qiáng) GO/PP 復(fù)合材料。CF除漿試劑為質(zhì)量比1：1的無水乙醇和丙酮溶液，溫度為68℃，反復(fù)沖刷直至表面漿料完全去除，轉(zhuǎn)入干燥箱中進(jìn)行干燥，并空冷至室溫。

表1 建筑用碳纖維復(fù)合材料的質(zhì)量配比 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Mass ratio of carbon fiber composite for building (mass fraction,%)

1.3 測試方法

采用S-4800型場發(fā)射掃描電鏡觀察碳纖維及復(fù)合材料的顯微形貌和斷口形貌[11]；采用STA449C同步熱分析儀對碳纖維及其復(fù)合材料進(jìn)行熱穩(wěn)定性分析[12]；室溫拉伸性能測試根據(jù)ASTM D638-2014標(biāo)準(zhǔn)，在MTS-810型萬能材料試驗機(jī)上進(jìn)行，取5根試樣測試結(jié)果平均值作為結(jié)果；室溫彎曲性能測試根據(jù)ASTM D790標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，在MTS-810型萬能材料試驗機(jī)上進(jìn)行，取5根試樣測試結(jié)果平均值作為結(jié)果；室溫沖擊性能測試根據(jù)ASTM D256標(biāo)準(zhǔn)，在XCJD-5型數(shù)顯擺錘式?jīng)_擊試驗機(jī)上進(jìn)行，取5根試樣測試結(jié)果平均值作為結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

圖1為建筑用碳纖維材料的表面形貌，分別列出了未除漿SCF、除漿SCF、GO0.25-SCF、GO0.5-SCF、GO0.75-SCF和GO1-SCF的表面形貌?？梢姡瑢τ谖闯凉{SCF，試樣表面未見明顯缺陷，表面較為光滑；經(jīng)過除漿處理后，除漿SCF可見較多的縱向溝槽，這主要是因為除漿工藝使得原始SCF加工溝痕在表面漿料除去后重新顯現(xiàn)所致；對于不同氧化石墨烯處理的SCF試樣［圖1(c)～(f)］，試樣表面可見斷續(xù)分布（GO0.25-SCF）、均勻分布（GO0.5-SCF）和富集的GO（GO0.75-SCF），且在GO含量進(jìn)一步增加時局部富集現(xiàn)象愈發(fā)嚴(yán)重。

圖1 建筑用碳纖維材料的表面形貌Fig.1 Surface morphology of carbon fibers for building

圖2為建筑用碳纖維復(fù)合材料的X射線衍射分析結(jié)果。從圖2（a）的XRD圖譜中可見，GO-PP試樣在（110）、（040）、（130）、（131）、（041）、（220）晶面可見結(jié)晶衍射峰，這主要是因為PP樹脂具有結(jié)晶性的緣故[13]，而在PP中加入不同含量的GO不會改變GO-PP的結(jié)晶性。從圖2（b）的XRD圖譜中可見，在SCF表面包覆GO再與PP復(fù)合后，相較于GOPP，GO-SCF/PP復(fù)合材料的XRD圖譜中主要角度的衍射峰未發(fā)生變化，但是在（300）晶面出現(xiàn)了衍射峰，這主要是因為樹脂基體發(fā)生了β成核并影響結(jié)晶所致。

圖2 建筑用碳纖維復(fù)合材料的XRD圖譜Fig. 2 XRD atlas of carbon fiber composite for building

圖3為建筑用碳纖維復(fù)合材料的DSC曲線，其中圖3（a）和圖3（b）分別為對應(yīng)的冷卻和加熱曲線。從DSC冷卻曲線可見，SCF/PP、GO0.5-SCF/PP和GO0.5-SCF/GO0.5-PP的結(jié)晶峰溫度分別為123℃、125℃和127℃，結(jié)晶峰溫度大小為GO0.5-SCF/ GO0.5-PP ＞GO0.5-SCF/PP＞SCF/PP，這主要是因為GO在SCF外包裹有助于抑制PP樹脂結(jié)晶并阻礙內(nèi)部片晶發(fā)生滑移和旋轉(zhuǎn)，從而在一定程度上提升了結(jié)晶溫度。從DSC加熱曲線可知，SCF/PP、GO0.5-SCF/PP和GO0.5-SCF/GO0.5-PP的熔化溫度分別為172℃、173℃和175℃，熔化溫度大小為GO0.5-SCF/ GO0.5-PP ＞ GO0.5-SCF/PP＞SCF/PP，這主要是因為GO包裹在SCF表面可以通過傳遞荷載的作用而提升導(dǎo)熱性并有助于提高熔化溫度的緣故。

圖3 建筑用碳纖維復(fù)合材料的DSC曲線Fig.3 DSC curves of carbon fiber composite for building

圖4為建筑用碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能。

圖4 建筑用碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能Fig. 4 Mechanical properties of carbon fiber composite for building

圖4 （a）中PP、SCF/PP 和 GO-SCF/PP的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度大小為GO-SCF/PP＞SCF/PP＞PP，且隨著GO含量升高，GO-SCF/PP復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度先增大后減小，在GO含量為0.5%時取得最大值；從圖4（b）中可見，PP、GO0.5-PP和GO1-PP的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度相差不大，而GO0.5-SCF/GO0.5-PP復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度要高于GO-SCF/PP復(fù)合材料。

進(jìn)一步對建筑用碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行拉伸斷口形貌觀察，結(jié)果如圖5所示。從除漿 SCF/PP的拉伸斷口形貌可見，復(fù)合材料中可見較多的SCF拔出的特征，局部孔洞中未見SCF，這可能與拉伸過程中的SCF被拔出有關(guān)（由于SCF與樹脂的粘接性能較差所致）；從GO0.5-SCF/PP的拉伸斷口形貌可見，雖然 GO0.5-SCF/PP在拉斷后的斷面中仍然可見SCF，但是周圍的顯微孔洞數(shù)量明顯減少，這說明GO加入后會在一定程度改善SCF與基體的粘接性能，從而在拉伸過程中不易被拔出而有助于提升拉伸強(qiáng)度；從GO0.5-SCF/GO0.5-PP的拉伸斷面形貌可見，斷面中顯微孔洞較少，且斷裂的碳纖維表面可見粘附的樹脂存在，這主要是因為此時復(fù)合材料中的纖維在改性后與樹脂的粘接性能增強(qiáng)，從而有助于提升復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度。除漿 SCF/PP、GO0.5-SCF/PP和GO0.5-SCF/GO0.5-PP復(fù)合材料的拉伸斷口形貌觀察結(jié)果與圖4的力學(xué)性能測試結(jié)果保持一致。

圖5 建筑用碳纖維復(fù)合材料的斷口形貌Fig. 5 Fracture morphology of carbon fiber composite for construction

3 結(jié)論

（1）PP中加入不同含量的GO不會改變GO-PP的結(jié)晶性；在SCF表面包覆GO再與PP復(fù)合后，相較于GO-PP，GO-SCF/PP復(fù)合材料的XRD圖譜中主要角度的衍射峰未發(fā)生變化，但是在（300）晶面出現(xiàn)了衍射峰。

（2）碳纖維復(fù)合材料的結(jié)晶峰溫度大小順序為：GO0.5-SCF/ GO0.5-PP ＞ GO0.5-SCF/PP＞SCF/PP；熔化溫度大小順序為：GO0.5-SCF/ GO0.5-PP ＞ GO0.5-SCF/PP ＞SCF/PP。

（3）隨著GO含量升高，GO-SCF/PP復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度先增大后減小，在GO含量為0.5%時取得最大值；PP、GO0.5-PP和GO1-PP的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度相差不大，而GO0.5-SCF/GO0.5-PP復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度要高于GO-SCF/PP復(fù)合材料。