建筑用碳纤维复合材料的增强改性与性能研究

胡 凯，杨 莹

(1 中国地质大学(武汉)，湖北 武汉 430074 ；2 中国建筑第三工程局，湖北 武汉 430000；3 武汉工程大学，湖北 武汉 430205)

碳纤维及其复合材料由于具有质量轻、比强度高和良好的阻尼性能等，在现代化建筑、航空航天和交通运输领域都有广泛运用，尤其是随着近年来高层/超高层、大跨度建筑的不断兴起，给建筑用碳纤维复合材料带来了巨大发展机遇，同时也对建筑用碳纤维复合材料提出了更高的性能要求[1-2]。虽然碳纤维复合材料科研机构和生产企业尝试采用不同手段来增强碳纤维复合材料的综合性能，如成型工艺升级、加入增强体等，但是由于生产工艺相对复杂，增强体与树脂基体界面性能较差而无法满足使用要求等，而在很大程度上限制了高性能碳纤维复合材料在高层大宽度建筑领域的应用[3-5]，其中，较为关键的因素是难以解决碳纤维与树脂基体间的界面粘接性能较差的问题[6]。较为可行的办法是对碳纤维进行表面改性处理，如采用液相氧化法、等离子处理法和电化学处理法等在碳纤维表面产生极性基团，进而改善界面粘接性能[7-9]。本文以氧化石墨烯、碳纤维、PP树脂为原料，研究氧化石墨烯（GO）含量和短切碳纤维（SCF）增强对碳纤维复合材料表面形貌、热稳定性和力学性能的影响，结果有助于新型高综合性能碳纤维复合材料的开发，并推动其在建筑领域的广泛应用。

1 试验部分

1.1 试验材料

实验材料包括采用Hummers法制备的氧化石墨烯（GO）、商业碳纤维（CF）、工业级PP树脂（聚丙烯树脂）、工业级无水乙醇、工业级丙酮。

1.2 试样制备

首先将CF剪切成长度4mm的SCF（短切碳纤维）备用，然后配制0.15mg/mL 的GO悬浮液，超声震荡24h后加入SCF和PP，并采用挤出注塑工艺[10]制备碳纤维复合材料，质量配比见表1，其中，挤出机温度为170℃、喂料速度为5r/min。GO-SCF/GO-PP表示GO包裹的 SCF 增强 GO/PP 复合材料。CF除浆试剂为质量比1：1的无水乙醇和丙酮溶液，温度为68℃，反复冲刷直至表面浆料完全去除，转入干燥箱中进行干燥，并空冷至室温。

表1 建筑用碳纤维复合材料的质量配比 (质量分数，%)Table 1 Mass ratio of carbon fiber composite for building (mass fraction,%)

1.3 测试方法

采用S-4800型场发射扫描电镜观察碳纤维及复合材料的显微形貌和断口形貌[11]；采用STA449C同步热分析仪对碳纤维及其复合材料进行热稳定性分析[12]；室温拉伸性能测试根据ASTM D638-2014标准，在MTS-810型万能材料试验机上进行，取5根试样测试结果平均值作为结果；室温弯曲性能测试根据ASTM D790标准进行，在MTS-810型万能材料试验机上进行，取5根试样测试结果平均值作为结果；室温冲击性能测试根据ASTM D256标准，在XCJD-5型数显摆锤式冲击试验机上进行，取5根试样测试结果平均值作为结果。

2 结果与分析

图1为建筑用碳纤维材料的表面形貌，分别列出了未除浆SCF、除浆SCF、GO0.25-SCF、GO0.5-SCF、GO0.75-SCF和GO1-SCF的表面形貌。可见，对于未除浆SCF，试样表面未见明显缺陷，表面较为光滑；经过除浆处理后，除浆SCF可见较多的纵向沟槽，这主要是因为除浆工艺使得原始SCF加工沟痕在表面浆料除去后重新显现所致；对于不同氧化石墨烯处理的SCF试样［图1(c)～(f)］，试样表面可见断续分布（GO0.25-SCF）、均匀分布（GO0.5-SCF）和富集的GO（GO0.75-SCF），且在GO含量进一步增加时局部富集现象愈发严重。

图1 建筑用碳纤维材料的表面形貌Fig.1 Surface morphology of carbon fibers for building

图2为建筑用碳纤维复合材料的X射线衍射分析结果。从图2（a）的XRD图谱中可见，GO-PP试样在（110）、（040）、（130）、（131）、（041）、（220）晶面可见结晶衍射峰，这主要是因为PP树脂具有结晶性的缘故[13]，而在PP中加入不同含量的GO不会改变GO-PP的结晶性。从图2（b）的XRD图谱中可见，在SCF表面包覆GO再与PP复合后，相较于GOPP，GO-SCF/PP复合材料的XRD图谱中主要角度的衍射峰未发生变化，但是在（300）晶面出现了衍射峰，这主要是因为树脂基体发生了β成核并影响结晶所致。

图2 建筑用碳纤维复合材料的XRD图谱Fig. 2 XRD atlas of carbon fiber composite for building

图3为建筑用碳纤维复合材料的DSC曲线，其中图3（a）和图3（b）分别为对应的冷却和加热曲线。从DSC冷却曲线可见，SCF/PP、GO0.5-SCF/PP和GO0.5-SCF/GO0.5-PP的结晶峰温度分别为123℃、125℃和127℃，结晶峰温度大小为GO0.5-SCF/ GO0.5-PP ＞GO0.5-SCF/PP＞SCF/PP，这主要是因为GO在SCF外包裹有助于抑制PP树脂结晶并阻碍内部片晶发生滑移和旋转，从而在一定程度上提升了结晶温度。从DSC加热曲线可知，SCF/PP、GO0.5-SCF/PP和GO0.5-SCF/GO0.5-PP的熔化温度分别为172℃、173℃和175℃，熔化温度大小为GO0.5-SCF/ GO0.5-PP ＞ GO0.5-SCF/PP＞SCF/PP，这主要是因为GO包裹在SCF表面可以通过传递荷载的作用而提升导热性并有助于提高熔化温度的缘故。

图3 建筑用碳纤维复合材料的DSC曲线Fig.3 DSC curves of carbon fiber composite for building

图4为建筑用碳纤维复合材料的力学性能。

图4 建筑用碳纤维复合材料的力学性能Fig. 4 Mechanical properties of carbon fiber composite for building

图4 （a）中PP、SCF/PP 和 GO-SCF/PP的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度大小为GO-SCF/PP＞SCF/PP＞PP，且随着GO含量升高，GO-SCF/PP复合材料的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度先增大后减小，在GO含量为0.5%时取得最大值；从图4（b）中可见，PP、GO0.5-PP和GO1-PP的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度相差不大，而GO0.5-SCF/GO0.5-PP复合材料的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度要高于GO-SCF/PP复合材料。

进一步对建筑用碳纤维复合材料进行拉伸断口形貌观察，结果如图5所示。从除浆 SCF/PP的拉伸断口形貌可见，复合材料中可见较多的SCF拔出的特征，局部孔洞中未见SCF，这可能与拉伸过程中的SCF被拔出有关（由于SCF与树脂的粘接性能较差所致）；从GO0.5-SCF/PP的拉伸断口形貌可见，虽然 GO0.5-SCF/PP在拉断后的断面中仍然可见SCF，但是周围的显微孔洞数量明显减少，这说明GO加入后会在一定程度改善SCF与基体的粘接性能，从而在拉伸过程中不易被拔出而有助于提升拉伸强度；从GO0.5-SCF/GO0.5-PP的拉伸断面形貌可见，断面中显微孔洞较少，且断裂的碳纤维表面可见粘附的树脂存在，这主要是因为此时复合材料中的纤维在改性后与树脂的粘接性能增强，从而有助于提升复合材料的拉伸强度、冲击强度和弯曲强度。除浆 SCF/PP、GO0.5-SCF/PP和GO0.5-SCF/GO0.5-PP复合材料的拉伸断口形貌观察结果与图4的力学性能测试结果保持一致。

图5 建筑用碳纤维复合材料的断口形貌Fig. 5 Fracture morphology of carbon fiber composite for construction

3 结论

（1）PP中加入不同含量的GO不会改变GO-PP的结晶性；在SCF表面包覆GO再与PP复合后，相较于GO-PP，GO-SCF/PP复合材料的XRD图谱中主要角度的衍射峰未发生变化，但是在（300）晶面出现了衍射峰。

（2）碳纤维复合材料的结晶峰温度大小顺序为：GO0.5-SCF/ GO0.5-PP ＞ GO0.5-SCF/PP＞SCF/PP；熔化温度大小顺序为：GO0.5-SCF/ GO0.5-PP ＞ GO0.5-SCF/PP ＞SCF/PP。

（3）随着GO含量升高，GO-SCF/PP复合材料的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度先增大后减小，在GO含量为0.5%时取得最大值；PP、GO0.5-PP和GO1-PP的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度相差不大，而GO0.5-SCF/GO0.5-PP复合材料的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度要高于GO-SCF/PP复合材料。