碳纤维增强石膏的力学性能及其制备方法

黄 韡，姜会钰，杨海浪



碳纤维增强石膏的力学性能及其制备方法

黄 韡1，姜会钰1，杨海浪2

（1.武汉纺织大学 化学与化工学院，湖北 武汉 430073；2.湖北文理学院，湖北 襄阳 441100）

以磷酸溶液作为电解质，通过阳极氧化法对碳纤维表面进行改性，并将改性碳纤维与石膏共混来制备新型的石膏复合材料，研究碳纤维掺量，碳纤维的表面改性及对复合材料性能的影响，利用SEM 、XPS等测试手段对改性碳纤维和复合材料进行表征。通过扫描电镜观察氧化后的碳纤维表面结构和碳纤维复合材料的微观形貌可以看出改性后的碳纤维表面变得粗糙，增大比表面积，有利于碳纤维与石膏复合。同时通过XPS可以得出碳纤维表面的含氧基团增多，改变了碳纤维的亲水性，有利于碳纤维在石膏中均匀分散。并通过抗压抗折测试研究碳纤维石膏复合材料的力学性能。

碳纤维；石膏；阳极氧化；力学性能；复合材料

石膏作为一种传统的气硬性无机胶凝材料，在装饰、墙体以及保温、防火、吸声等领域得到了广泛的应用。但其抗折强度及抗冲击性能较低，易碎及防水性能差等缺点限制了其使用范围。为了改善石膏的性能，人们用增强和填充的方法，研究成功了石膏复合材料，扩大了其使用范围[1]。

在目前国内纤维增强石膏板材研究中，植物纤维、玻璃纤维、石棉纤维、维尼纶纤维、和有机合成纤维等等都已经用于增强石膏[2]，但石膏强度的提高没有明显的变化。碳纤维作为一种轻质，高强的新型军民两用型的材料，在增强复合材料和碳纤维增强材料（CFRC）制备中，都已经得到广泛应用，并且改性效果明显[3]。本文通过碳纤维与石膏共混来制备新型的石膏复合材料，研究碳纤维掺量，碳纤维的表面改性及对复合材料性能的影响。

1 实验

1.1 原材料

建筑石膏（市售），短切碳纤维5~25mm（T300），磷酸，聚羧酸减水剂（市售），骨胶（市售）。

1.2 实验方法

碳纤维的表面氧化：采用自制连续电解氧化碳纤维装置，以碳纤维为阳极，石墨为阴极，以1.5mol/L磷酸溶液做电解质，在2A/g的电流密度下，氧化120s，再用去离子水洗净，在120℃下烘干8小时[4]。

搅拌铸模：称取1％~3％质量分数（比石膏重）的处理过后的短切碳纤维（5mm～25mm），与100份石膏粉干拌30s，加水60份，加入0.5％的减水剂， 0.3％的缓凝剂搅拌，按国标GB/T17669.3制作标样，脱模后室温养护3d，然后40±2℃烘箱内烘至绝干，即得碳纤维增强石膏材料[5]。

1.3 性能测试

（1）用JSM-5600LV扫描电子显微镜分析氧化前后的碳纤维和碳纤维石膏复合材料断面的形态和表面特征。

（2）X射线电子能谱（XPS)分析。

采用美国Thermo ESCALAB250型电子能谱仪测定样品的元素种类对其中关键元素进行分峰，测量前样品室抽真空。采用单色AlKa（hv=1486.6eV），功率150W，500μm束斑，能量分析器固定透过为20eV。测量前样品在无水乙醇中用超声波清洗干净后烘干。

2 实验结果与讨论

2.1 碳纤维氧化后表面形貌

利用扫描电镜观察改性和未改性碳纤维表面，结果如图1所示，从图1中可以看出未经处理碳纤维的表面光滑，表面处理后碳纤维表面变的粗糙，碳纤维经过处理后表面出现斑点和沟槽, 增大了纤维比表面积,增加了表面的粗糙度，有利于碳纤维与石膏的复合。这是因为在磷酸溶液存在的情况下碳纤维表面电化学腐蚀，碳纤维在处理过程中表面产生气泡，电解质溶液逐渐变浑浊, 说明碳纤维表面的类石墨结构的侵蚀比较严重, 致使部分氧化的类石墨脱落[6]。

图1 碳纤维表面氧化前后形貌

2.2 表面处理对碳纤维表面含氧官能团的影响

表1是在磷酸溶液作为电解质，经过氧化后，碳纤维表面含氧官能团的相对数量，从表1中可以得到，碳纤维经电解氧化后，碳纤维表面的含氧基团明显增多，其中羰基和羟基增加较多。

通过处理碳纤维的XPS C1S谱图，分峰后C1S谱图共有4个峰值，分别对应C=C（284.32～284.58eV），羟基（C-OH）（285.49～285.77eV），羰基（C=O）（286.28～286.98eV），羧基（-COOH）或者酯基（-COOR）（287.97～288.56eV）。

表1 碳纤维表面的含氧官能团（C1s）

未经处理的碳纤维表面含氧基团很少，与石膏混合加入水后，易团聚，不能在石膏中均匀分布，通过表面氧化后的碳纤维表面含氧基团增多，改变了碳纤维的亲水性[7]，更利于碳纤维在石膏中的均匀分布，有利于提高碳纤维石膏复合材料的力学性能。

2.3 碳纤维掺量对复合材料力学性能的影响

图2 不同组分和掺量碳纤维对石膏复合材料的抗折强度影响

图3 不同组分和掺量碳纤维对石膏复合材料的抗压强度影响

从图2的力学性能测试结果可以看出添加碳纤维后的石膏复合材料试样比空白试样的抗折强度都有所提高，提高的程度因碳纤维的长度和掺量的不同而不同，其中当纤维长度固定的条件下，抗折强度随掺量的增加呈现先增大后减小的趋势，抗折强度的最大值都出现在掺量为1.5％和2％左右，所以1.5％和2％是碳纤维的最佳掺量，在掺量固定的条件下，当长度为15mm和20mm时的抗折强度要比5mm、l0mm和25mm时的要高。所以15mm和20mm是短切碳纤维的最佳掺加长度。

同样从图3中我们还可以发现，添加碳纤维后的试样的抗压强度比空白试样都有所降低，其中当纤维掺加量固定时，抗压强度基本随掺量的增加而减小，同样当长度为5mm时抗压强度下降的最小，当掺加长度固定时，又随着碳纤维掺量的增加而减少，初步得出纤维的掺加对石膏复合材料的抗压强度是有一定降低的。我们综合抗折、抗压两方面考虑，得出碳纤维在长度为15mm，掺加量为1.5％时的增强效果最好。

2.4 不同质量分数的碳纤维复合材料形貌分析

通过扫描电镜观察了不同碳纤维掺量的石膏复合材料的断面形貌，进一步分析碳纤维增强石膏复合材料机理。图4分别为不同组分的碳纤维石膏复合材料断面形貌。

从图4中可以看出，断裂后的石膏复合材料的碳纤维上都附着着石膏晶体，说明碳纤维与石膏晶体比较好的粘连在一起，抑制石膏基体的裂纹扩展，改善了石膏的脆性，增强了复合材料的承载能力，从而提高了复合材料的抗折强度。在石膏烘干过程中由于水分的蒸发使石膏结晶体干燥收缩，使裂纹产生，当加入碳纤维后，均匀分布的碳纤维可以承受因干燥收缩引起的拉应力，减少或防止裂纹的产生和发展。从而进一步改善了石膏的脆性，提高了抗折强度。

从碳纤维增强石膏基复合材料的工艺过程来看，碳纤维在掺加过程中属于搅拌掺加，因此在试样铸模成型的过程中，碳纤维在复合材料内部呈无序的形态分布，随着掺量的增加，碳纤维会叠加，在纤维交错叠加的部位不同于分布均匀的部位，当这部分受到压力时，会产生暂时的受力不均，当压力减小后，它又会慢慢恢复变形，因此在恢复变形的过程中会产生附加应力，使复合材料本身就有了形成裂纹的趋势，对于其抗压强度来说是负面的影响。

3 结论

（1）碳纤维(T300 )经过表面处理后, 表面粗糙度增加, 使得碳纤维比表面积增大, 表面的强亲水性基团羟基（C-OH）羧基（-COOH）酯基（-COOR）增加。经处理后的碳纤维更有利于均匀的分散在石膏中，提高复合材料的力学性能。

（2）当玻璃纤维长度为15mm，掺加量为1.5％时，碳纤维即可以均匀的分散于石膏基体中又起到了最理想的增强效果。使石膏复合材料的抗折强度提高了约6Mpa，抗压强度减少了约3Mpa。

（3）从碳纤维石膏复合材料的抗折结果分析，碳纤维的掺加使石膏在干燥收缩时减少了裂纹产生，在石膏复合材料受力冲击时，碳纤维提供了承力负载，起到了缓冲作用，从而改变了石膏的脆性，提高了抗折强度。

（4）从碳纤维石膏复合材料的抗压结果分析，碳纤维掺加后铸模成型的过程中，碳纤维的无序分布产生了叠加和不均匀，从而在受压时暂时的受力不均，降低了石膏的抗压强度。

[1] 向才旺．建筑石膏及其制品[M]．北京：中国建材出版社，2004．

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[8] 柳华实，葛一，王冬至．玻璃纤维表面处理对玻璃纤维/石膏复合材料力学性能的影响[J]．山东建材，2004，25(5)：34-3

Study on Preparation Methods and Mechanical Properties of Carbon-fiber Reinforced Gypsum

HUANG Wei1, JIANG Hui-yu1, YANG Hai-lang2

(1.School of Chemistry and Chemical Engineering, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430073, China; 2. Hu Bei University of Arts and Science, Xiangyang HuBei 441100, China)

This paper focus on the preparation of a new type of composite material which blended the gypsum with the surface-modified carbon fiber using the phosphoric acid solution as the electrolyte and the method of anodic oxidation process. The effect of the doping amount of carbon fiber and modification of the surface of carbon fiber on the properties of composite materials was researched. The modified carbon fibers and their composites were characterized by SEM and XPS. After the oxidation, the surface structure of carbon fibers and the microstructure of carbon fiber composites can be seen through SEM. The modified carbon fibers had rough surface， increased specific surface area which was beneficial to mixing with the gypsum. At the same time, the oxygen-containing groups on the surface of the carbon fiber can be found increasing by XPS which changes the hydrophilicity of carbon fiber and was advantageous to the carbon fiber evenly dispersing in the plaster. Through the compressive flexural tests, mechanical properties of carbon fiber were studied.

Carbon fiber; Gypsum; Anodic Oxidation; Mechanical Properties; Composites

姜会钰（1975-），男，副教授，博士，研究方向：碳纤维复合材料.

湖北省教育厅科学技术研究项目（Q20121708）.

TU522.3

A

2095－414X(2014)03－0074－04