黃 韡，姜會(huì)鈺，楊海浪

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碳纖維增強(qiáng)石膏的力學(xué)性能及其制備方法

黃 韡1，姜會(huì)鈺1，楊海浪2

（1.武漢紡織大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，湖北 武漢 430073；2.湖北文理學(xué)院，湖北 襄陽 441100）

以磷酸溶液作為電解質(zhì)，通過陽極氧化法對(duì)碳纖維表面進(jìn)行改性，并將改性碳纖維與石膏共混來制備新型的石膏復(fù)合材料，研究碳纖維摻量，碳纖維的表面改性及對(duì)復(fù)合材料性能的影響，利用SEM 、XPS等測(cè)試手段對(duì)改性碳纖維和復(fù)合材料進(jìn)行表征。通過掃描電鏡觀察氧化后的碳纖維表面結(jié)構(gòu)和碳纖維復(fù)合材料的微觀形貌可以看出改性后的碳纖維表面變得粗糙，增大比表面積，有利于碳纖維與石膏復(fù)合。同時(shí)通過XPS可以得出碳纖維表面的含氧基團(tuán)增多，改變了碳纖維的親水性，有利于碳纖維在石膏中均勻分散。并通過抗壓抗折測(cè)試研究碳纖維石膏復(fù)合材料的力學(xué)性能。

碳纖維；石膏；陽極氧化；力學(xué)性能；復(fù)合材料

石膏作為一種傳統(tǒng)的氣硬性無機(jī)膠凝材料，在裝飾、墻體以及保溫、防火、吸聲等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但其抗折強(qiáng)度及抗沖擊性能較低，易碎及防水性能差等缺點(diǎn)限制了其使用范圍。為了改善石膏的性能，人們用增強(qiáng)和填充的方法，研究成功了石膏復(fù)合材料，擴(kuò)大了其使用范圍[1]。

在目前國內(nèi)纖維增強(qiáng)石膏板材研究中，植物纖維、玻璃纖維、石棉纖維、維尼綸纖維、和有機(jī)合成纖維等等都已經(jīng)用于增強(qiáng)石膏[2]，但石膏強(qiáng)度的提高沒有明顯的變化。碳纖維作為一種輕質(zhì)，高強(qiáng)的新型軍民兩用型的材料，在增強(qiáng)復(fù)合材料和碳纖維增強(qiáng)材料（CFRC）制備中，都已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，并且改性效果明顯[3]。本文通過碳纖維與石膏共混來制備新型的石膏復(fù)合材料，研究碳纖維摻量，碳纖維的表面改性及對(duì)復(fù)合材料性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

建筑石膏（市售），短切碳纖維5~25mm（T300），磷酸，聚羧酸減水劑（市售），骨膠（市售）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

碳纖維的表面氧化：采用自制連續(xù)電解氧化碳纖維裝置，以碳纖維為陽極，石墨為陰極，以1.5mol/L磷酸溶液做電解質(zhì)，在2A/g的電流密度下，氧化120s，再用去離子水洗凈，在120℃下烘干8小時(shí)[4]。

攪拌鑄模：稱取1％~3％質(zhì)量分?jǐn)?shù)（比石膏重）的處理過后的短切碳纖維（5mm～25mm），與100份石膏粉干拌30s，加水60份，加入0.5％的減水劑， 0.3％的緩凝劑攪拌，按國標(biāo)GB/T17669.3制作標(biāo)樣，脫模后室溫養(yǎng)護(hù)3d，然后40±2℃烘箱內(nèi)烘至絕干，即得碳纖維增強(qiáng)石膏材料[5]。

1.3 性能測(cè)試

（1）用JSM-5600LV掃描電子顯微鏡分析氧化前后的碳纖維和碳纖維石膏復(fù)合材料斷面的形態(tài)和表面特征。

（2）X射線電子能譜（XPS)分析。

采用美國Thermo ESCALAB250型電子能譜儀測(cè)定樣品的元素種類對(duì)其中關(guān)鍵元素進(jìn)行分峰，測(cè)量前樣品室抽真空。采用單色AlKa（hv=1486.6eV），功率150W，500μm束斑，能量分析器固定透過為20eV。測(cè)量前樣品在無水乙醇中用超聲波清洗干凈后烘干。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 碳纖維氧化后表面形貌

利用掃描電鏡觀察改性和未改性碳纖維表面，結(jié)果如圖1所示，從圖1中可以看出未經(jīng)處理碳纖維的表面光滑，表面處理后碳纖維表面變的粗糙，碳纖維經(jīng)過處理后表面出現(xiàn)斑點(diǎn)和溝槽, 增大了纖維比表面積,增加了表面的粗糙度，有利于碳纖維與石膏的復(fù)合。這是因?yàn)樵诹姿崛芤捍嬖诘那闆r下碳纖維表面電化學(xué)腐蝕，碳纖維在處理過程中表面產(chǎn)生氣泡，電解質(zhì)溶液逐漸變渾濁, 說明碳纖維表面的類石墨結(jié)構(gòu)的侵蝕比較嚴(yán)重, 致使部分氧化的類石墨脫落[6]。

圖1 碳纖維表面氧化前后形貌

2.2 表面處理對(duì)碳纖維表面含氧官能團(tuán)的影響

表1是在磷酸溶液作為電解質(zhì)，經(jīng)過氧化后，碳纖維表面含氧官能團(tuán)的相對(duì)數(shù)量，從表1中可以得到，碳纖維經(jīng)電解氧化后，碳纖維表面的含氧基團(tuán)明顯增多，其中羰基和羥基增加較多。

通過處理碳纖維的XPS C1S譜圖，分峰后C1S譜圖共有4個(gè)峰值，分別對(duì)應(yīng)C=C（284.32～284.58eV），羥基（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 碳纖維表面的含氧官能團(tuán)（C1s）

未經(jīng)處理的碳纖維表面含氧基團(tuán)很少，與石膏混合加入水后，易團(tuán)聚，不能在石膏中均勻分布，通過表面氧化后的碳纖維表面含氧基團(tuán)增多，改變了碳纖維的親水性[7]，更利于碳纖維在石膏中的均勻分布，有利于提高碳纖維石膏復(fù)合材料的力學(xué)性能。

2.3 碳纖維摻量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

圖2 不同組分和摻量碳纖維對(duì)石膏復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度影響

圖3 不同組分和摻量碳纖維對(duì)石膏復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度影響

從圖2的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果可以看出添加碳纖維后的石膏復(fù)合材料試樣比空白試樣的抗折強(qiáng)度都有所提高，提高的程度因碳纖維的長度和摻量的不同而不同，其中當(dāng)纖維長度固定的條件下，抗折強(qiáng)度隨摻量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，抗折強(qiáng)度的最大值都出現(xiàn)在摻量為1.5％和2％左右，所以1.5％和2％是碳纖維的最佳摻量，在摻量固定的條件下，當(dāng)長度為15mm和20mm時(shí)的抗折強(qiáng)度要比5mm、l0mm和25mm時(shí)的要高。所以15mm和20mm是短切碳纖維的最佳摻加長度。

同樣從圖3中我們還可以發(fā)現(xiàn)，添加碳纖維后的試樣的抗壓強(qiáng)度比空白試樣都有所降低，其中當(dāng)纖維摻加量固定時(shí)，抗壓強(qiáng)度基本隨摻量的增加而減小，同樣當(dāng)長度為5mm時(shí)抗壓強(qiáng)度下降的最小，當(dāng)摻加長度固定時(shí)，又隨著碳纖維摻量的增加而減少，初步得出纖維的摻加對(duì)石膏復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度是有一定降低的。我們綜合抗折、抗壓兩方面考慮，得出碳纖維在長度為15mm，摻加量為1.5％時(shí)的增強(qiáng)效果最好。

2.4 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的碳纖維復(fù)合材料形貌分析

通過掃描電鏡觀察了不同碳纖維摻量的石膏復(fù)合材料的斷面形貌，進(jìn)一步分析碳纖維增強(qiáng)石膏復(fù)合材料機(jī)理。圖4分別為不同組分的碳纖維石膏復(fù)合材料斷面形貌。

從圖4中可以看出，斷裂后的石膏復(fù)合材料的碳纖維上都附著著石膏晶體，說明碳纖維與石膏晶體比較好的粘連在一起，抑制石膏基體的裂紋擴(kuò)展，改善了石膏的脆性，增強(qiáng)了復(fù)合材料的承載能力，從而提高了復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度。在石膏烘干過程中由于水分的蒸發(fā)使石膏結(jié)晶體干燥收縮，使裂紋產(chǎn)生，當(dāng)加入碳纖維后，均勻分布的碳纖維可以承受因干燥收縮引起的拉應(yīng)力，減少或防止裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展。從而進(jìn)一步改善了石膏的脆性，提高了抗折強(qiáng)度。

從碳纖維增強(qiáng)石膏基復(fù)合材料的工藝過程來看，碳纖維在摻加過程中屬于攪拌摻加，因此在試樣鑄模成型的過程中，碳纖維在復(fù)合材料內(nèi)部呈無序的形態(tài)分布，隨著摻量的增加，碳纖維會(huì)疊加，在纖維交錯(cuò)疊加的部位不同于分布均勻的部位，當(dāng)這部分受到壓力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生暫時(shí)的受力不均，當(dāng)壓力減小后，它又會(huì)慢慢恢復(fù)變形，因此在恢復(fù)變形的過程中會(huì)產(chǎn)生附加應(yīng)力，使復(fù)合材料本身就有了形成裂紋的趨勢(shì)，對(duì)于其抗壓強(qiáng)度來說是負(fù)面的影響。

3 結(jié)論

（1）碳纖維(T300 )經(jīng)過表面處理后, 表面粗糙度增加, 使得碳纖維比表面積增大, 表面的強(qiáng)親水性基團(tuán)羥基（C-OH）羧基（-COOH）酯基（-COOR）增加。經(jīng)處理后的碳纖維更有利于均勻的分散在石膏中，提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。

（2）當(dāng)玻璃纖維長度為15mm，摻加量為1.5％時(shí)，碳纖維即可以均勻的分散于石膏基體中又起到了最理想的增強(qiáng)效果。使石膏復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度提高了約6Mpa，抗壓強(qiáng)度減少了約3Mpa。

（3）從碳纖維石膏復(fù)合材料的抗折結(jié)果分析，碳纖維的摻加使石膏在干燥收縮時(shí)減少了裂紋產(chǎn)生，在石膏復(fù)合材料受力沖擊時(shí)，碳纖維提供了承力負(fù)載，起到了緩沖作用，從而改變了石膏的脆性，提高了抗折強(qiáng)度。

（4）從碳纖維石膏復(fù)合材料的抗壓結(jié)果分析，碳纖維摻加后鑄模成型的過程中，碳纖維的無序分布產(chǎn)生了疊加和不均勻，從而在受壓時(shí)暫時(shí)的受力不均，降低了石膏的抗壓強(qiáng)度。

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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

姜會(huì)鈺（1975-），男，副教授，博士，研究方向：碳纖維復(fù)合材料.

湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（Q20121708）.

TU522.3

A

2095－414X(2014)03－0074－04