基于施工管理便捷性的建筑碳纤维布制备与应用

杨晓敏，贾兵，臧栋，剧兰梅

摘 要：基于施工管理便捷性开发出一种高疏水性和耐磨性的碳纤维布，对比分析了原始碳纤维布和接枝改性后的CNT-PDA碳纤维布的接触角和耐磨性能。结果表明，对原始碳纤维布进行接枝改性后，碳纳米管已经成功接枝到CNT-PDA碳纤维布表面;在相同PTFE添加量下，CNT-PDA碳纤维布表面接触角都要明显大于原始碳纤维布，碳纤维布经过接枝改性处理后可以明显提升表面疏水性能;CNT-PDA碳纤维布的磨损率会随着磨损时间延长逐渐减小，在磨损时间为120 000圈时，磨损率降低为0.67×10-13m3/（N.m），而此时磨损后的接触角为144.1±2.1°，仍然保持着较好的疏水性。

关键词：施工管理;碳纤维布;接枝改性;疏水性;耐磨性

中图分类号：TB332 文献标识码：A     文章编号：1001-5922（2021）11-0117-03

Research on Preparation and Application Performance of Building Carbon Fiber Cloth Based on the Convenience of Construction Management

Yang Xiaomin1， Jia Bing1， Zang Dong1， Ju Lanmei2

（1.Weifang Yidu Central Hospital， Qingzhou 262500， China;

2. Jilin Engineering Normal University， Changchun 130052， China）

Abstract：A carbon fiber cloth with high hydrophobicity and wear resistance was developed based on the convenience of construction management， the contact angle and wear resistance of the original and grafting modified CNT-PDA carbon fiber cloth were analyzed as compared. The results show that after the grafting modification of the original carbon fiber cloth has been successfully grafted to the CNT-PDA carbon fiber cloth surface， under the same amount of PTFE addition， the surface contact angle of the CNT-PDA carbon fiber cloth is significantly greater than that of the original carbon fiber cloth， and the carbon fiber cloth can significantly improve the surface hydrophobic performance after grafting modification treatment. The wear rate of the CNT-PDA carbon fiber cloth gradually decreases with the wear time， at a wear time of 120，000 laps， wear rate is reduced to 0.67×10-13 m3/（N.m）， while at this moment the contact angle after the wear is 144.1±2.1°， still maintains a better hydrophobicity.

Key words：construction management; carbon fiber cloth; grafting modification; hydrophobic water resistance; wear resistance

隨着现代医疗事业的快速发展和人们生活水平的不断提高，同时具有医疗部分、供应部分和管理部分的大型综合医院建筑的需求不断增加，给具有医院建筑特色的施工管理带来了巨大挑战，而碳纤维布作为医院建筑中常用的基础原材料，其疏水性和耐磨性将给建筑施工带来极大的便捷性[1]。目前，碳纤维布及其复合材料由于强度高、密度小等特点而在建筑施工中被广泛应用[2-4]，但是其疏水性和耐磨性问题将严重影响施工进度以及后期使用寿命[5]。在此基础上，本文基于提高碳纤维布疏水性和耐磨性为目的，对比分析了原始碳纤维布和接枝改性后的CNT-PDA碳纤维布的接触角和耐磨性能，以期为基于施工管理便捷性的碳纤维布的开发与应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验原料

试验原料包括厚度3 mm的碳纤维布、纯度99%的E44环氧树脂、TETA固化剂、直径25 μm的聚四氟乙烯（PTFE）、纯度98%的多巴胺盐酸盐、纯度99.9%的三羟甲基氨基甲烷、直径18 nm碳纳米管，以及工业级乙酸乙酯和无水乙醇。

1.2 试样制备

将碳纳米管和多巴胺粉按照质量比1∶10的比例（共1.1 g）加入0.5 L蒸馏水中，搅拌均匀后加入三羟甲基氨基甲烷至pH值为8，室温搅拌18 h后用蒸馏水清洗并烘干，得到经过接枝改性的碳纳米管CNT-PDA。将CNT-PDA碳纤维布和多巴胺粉照质量比1∶10的比例（共1.1 g）加入0.5 L蒸馏水中，搅拌均匀后加入三羟甲基氨基甲烷至pH值为8，室温搅拌18 h后用蒸馏水、无水乙醇清洗5次后浸入碳纤维布，室温搅拌36 h取出清洗并烘干，得到经过接枝改性的CNT-PDA碳纤维布。

1.3 測试与表征

采用Nicolet 5700型红外光谱仪对原始碳纤维布和接枝改性后的CNT-PDA碳纤维布进行红外光谱分析;采用华为P40手机拍摄碳纤维宏观形貌;日立S-4800型钨灯丝扫描电镜观察表面形貌，JC2000X型接触角测量仪测试表面接触角;摩擦磨损性能测试在MPX-2000型磨损试验机上进行，温度为室温，荷载3.2 MPa、速度0.48 m/s，并采用WK320型电子天平称重和计算磨损率。

2 结果与分析

图1为两种不同碳纤维布的红外光谱图，包括原始碳纤维布和CNT-PDA碳纤维布。对比原始碳纤维布的红外光谱图可知，CNT-PDA碳纤维布在3 418、1 608 、1 265和1 046 cm-1处分别出现了—OH伸缩振动峰、C  C基团吸收峰、苯基弯曲振动峰和C—N伸缩振动峰。可见，对原始碳纤维布进行接枝改性后，碳纳米管已经实现了成功接枝。

原始碳纤维布表面呈灰色，而CNT-PDA碳纤维布表面呈黑色，这主要是因为经过接枝改性处理后，碳纳米管已经成功接枝到原始碳纤维布表面而呈现出黑色形态。从微观形貌中可见，原始碳纤维布表面较为干净，除原始沟痕外，未见附着物的存在;而经过接枝改性后的CNT-PDA碳纤维布表面已经附着大量颗粒状物质，几乎观察不到原始碳纤维布表面形态，这也就说明碳纤维布表面已经成功接枝碳纳米管，这种微观结构特征有助于提升医院建筑用碳纤维布的疏水性能。

图2为PTFE质量分数对碳纤维布表面润湿性能的影响。对于原始碳纤维布而言，随着PTFE质量分数增加，表面接触角呈现逐渐增大的趋势，在PTFE质量分数为30%时达到（132±3.3）°;对于CNT-PDA碳纤维布而言，随着PTFE质量分数增加，表面接触角呈现先增加后减小特征，在PTFE质量分数为30%时达到最大值（149.8±2.6） °。此外，由对比分析可知，在添加量PTFE相同条件下，CNT-PDA碳纤维布表面接触角都要明显大于原始碳纤维布，表明碳纤维布经过接枝改性处理后可以明显提升表面疏水性能。

图3为CNT-PDA碳纤维布的磨损率和接触角测试结果。从磨损率测试结果看，当磨损时间为30 000圈时，磨损率为2.08×10-13 m3/（N·m）;随着磨损时间的延长，CNT-PDA碳纤维布的磨损率呈现逐渐减小的趋势，在磨损时间为120 000圈时，磨损率降低为0.67×10-13 m3/（N·m）。从接触角测试结果来看，随着磨损时间的延长，磨损后表面接触角呈现逐渐减小特征，在磨损时间为120 000圈时，磨损后的接触角为（144.1±2.1）°。在磨损开始阶段，由于碳纤维布表面碳纤维的破坏以及表面附着物的损失，磨损率会相对较大，而随着磨损时间的延长，磨损相对较为稳定，内部耐磨性较高而使得此时磨损率减小。此外，磨损120 000圈后碳纤维布表面接触角仍然较大，表明磨损后材料仍然具有较好的疏水性能。

经过了120 000圈磨损后，CNT-PDA碳纤维布表面较为平整，未见较深的磨痕存在，这主要是因为经过接枝改性处理后的碳纤维布具有较好的抗摩擦磨损能力。从高倍放大形貌中可见，磨损后的局部区域仍然存在碳纤维暴露以及磨屑的存在，但是这些碳纤维与基体仍然保持着连接关系，仍然未从基体中脱落，这表明材料在具有较好耐磨性能的同时，仍然维持着原始微/纳结构而具有较好的疏水性。

3 结语

（1）CNT-PDA碳纤维布在3 418、1 608、1 265和1 046cm-1处分别出现了—OH伸缩振动峰、CC基团吸收峰、苯基弯曲振动峰和C—N伸缩振动峰。对原始碳纤维布进行接枝改性后，碳纳米管已经实现了成功接枝。

（2）对于原始碳纤维布而言，随着PTFE质量分数增加，表面接触角呈现逐渐增大的趋势，在PTFE质量分数为30%时达到（132±3.3）°;对于CNT-PDA碳纤维布而言，随着PTFE质量分数增加，表面接触角呈现先增加后减小特征，在PTFE质量分数为30%时达到最大值（149.8±2.6） °。

（3）从磨损率测试结果看，当磨损时间为30 000圈时，磨损率为2.08×10-13 m3/（N·m）;随着磨损时间的延长，CNT-PDA碳纤维布的磨损率呈现逐渐减小的趋势;在磨损时间为120 000圈时，磨损率降低为0.67×10-13 m3/（N·m）。从接触角测试结果来看，随着磨损时间的延长，磨损后表面接触角呈现逐渐减小特征，在磨损时间为120 000圈时，磨损后的接触角为（144.1±2.1） °。

参考文献

[1]王卫军. 环氧树脂基碳纤维布粘接胶在水利工程中的应用[J]. 粘接，2019，40（11）：16-19.

[2]FAN HAIBO， Li XIANGMELI， LIU YANLIN，et al.Curing and thermal behaviors of inorganic-organic hybrid polyarylacetylene resins with polyhedral oligomeric octa（propargylaminophenyl） silsesquioxane[J].Journal Of Applied Polymer ence，2013， 12（86）：4 361-4 367.

[3]唐红元，马梦淋，陈俊龙，等. 碳纤维复材布加固不锈钢圆管短柱轴心受压试验研究[J]. 工业建筑，2019，49（10）：185-191+207.

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[5]夏丽刚，李爱菊，阴   强，等. 碳纤维表面处理及其对碳纤维/树脂界面影响的研究[J]. 材料导报，2006（S1）：254-257.