預應力建筑碳纖維的表面改性與力學性能研究

楊 慶，葉子明，張 健

(柳州工學院,廣西柳州 545000)

碳纖維是有機纖維經(jīng)過一系列轉化處理形成的具有優(yōu)異力學性能,又兼具柔軟可加工性等特性的新材料[1],在現(xiàn)代化預應力建筑領域有著廣泛應用,這主要是因為碳纖維應用在建筑領域具有自重輕、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件等優(yōu)點。然而,隨著現(xiàn)代化建筑朝著預應力、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性能,以期為高性能預應力建筑用碳纖維復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果。

2 試驗結果與分析

圖1 為預應力碳纖維的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 預應力建筑碳纖維的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 預應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 為預應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,從而提高界面結合力[8]。

圖2 預應力建筑碳纖維的表面SEM 形貌Fig.2 SEM surface morphology of prestressed carbon fiber

圖3 為預應力建筑碳纖維單絲的拉伸強度測試結果。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],相應的拉伸強度提升越明顯。

圖3 預應力建筑碳纖維單絲的拉伸強度Fig.3 Tensile strength of carbon fiber

圖4 為預應力建筑碳纖維的界面剪切強度測試結果。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],從而降低了界面結合強度。

圖4 預應力建筑碳纖維的界面剪切強度Fig.4 Interfacial shear strength of prestressed carbon fiber

圖5 為預應力建筑碳纖維的室溫沖擊性能測試結果,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],相應的抗沖擊性能得到提高。

圖5 預應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,相應的裂紋擴展功、裂紋形成功以及總沖擊功越大。