胡 凱，楊 瑩

(1 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)，湖北 武漢 430074 ；2 中國(guó)建筑第三工程局，湖北 武漢 430000；3 武漢工程大學(xué)，湖北 武漢 430205)

碳纖維及其復(fù)合材料由于具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高和良好的阻尼性能等，在現(xiàn)代化建筑、航空航天和交通運(yùn)輸領(lǐng)域都有廣泛運(yùn)用，尤其是隨著近年來(lái)高層/超高層、大跨度建筑的不斷興起，給建筑用碳纖維復(fù)合材料帶來(lái)了巨大發(fā)展機(jī)遇，同時(shí)也對(duì)建筑用碳纖維復(fù)合材料提出了更高的性能要求[1-2]。雖然碳纖維復(fù)合材料科研機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)企業(yè)嘗試采用不同手段來(lái)增強(qiáng)碳纖維復(fù)合材料的綜合性能，如成型工藝升級(jí)、加入增強(qiáng)體等，但是由于生產(chǎn)工藝相對(duì)復(fù)雜，增強(qiáng)體與樹(shù)脂基體界面性能較差而無(wú)法滿足使用要求等，而在很大程度上限制了高性能碳纖維復(fù)合材料在高層大寬度建筑領(lǐng)域的應(yīng)用[3-5]，其中，較為關(guān)鍵的因素是難以解決碳纖維與樹(shù)脂基體間的界面粘接性能較差的問(wèn)題[6]。較為可行的辦法是對(duì)碳纖維進(jìn)行表面改性處理，如采用液相氧化法、等離子處理法和電化學(xué)處理法等在碳纖維表面產(chǎn)生極性基團(tuán)，進(jìn)而改善界面粘接性能[7-9]。本文以氧化石墨烯、碳纖維、PP樹(shù)脂為原料，研究氧化石墨烯（GO）含量和短切碳纖維（SCF）增強(qiáng)對(duì)碳纖維復(fù)合材料表面形貌、熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能的影響，結(jié)果有助于新型高綜合性能碳纖維復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)，并推動(dòng)其在建筑領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料包括采用Hummers法制備的氧化石墨烯（GO）、商業(yè)碳纖維（CF）、工業(yè)級(jí)PP樹(shù)脂（聚丙烯樹(shù)脂）、工業(yè)級(jí)無(wú)水乙醇、工業(yè)級(jí)丙酮。

1.2 試樣制備

首先將CF剪切成長(zhǎng)度4mm的SCF（短切碳纖維）備用，然后配制0.15mg/mL 的GO懸浮液，超聲震蕩24h后加入SCF和PP，并采用擠出注塑工藝[10]制備碳纖維復(fù)合材料，質(zhì)量配比見(jiàn)表1，其中，擠出機(jī)溫度為170℃、喂料速度為5r/min。GO-SCF/GO-PP表示GO包裹的 SCF 增強(qiáng) GO/PP 復(fù)合材料。CF除漿試劑為質(zhì)量比1：1的無(wú)水乙醇和丙酮溶液，溫度為68℃，反復(fù)沖刷直至表面漿料完全去除，轉(zhuǎn)入干燥箱中進(jìn)行干燥，并空冷至室溫。

表1 建筑用碳纖維復(fù)合材料的質(zhì)量配比 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Mass ratio of carbon fiber composite for building (mass fraction,%)

1.3 測(cè)試方法

采用S-4800型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察碳纖維及復(fù)合材料的顯微形貌和斷口形貌[11]；采用STA449C同步熱分析儀對(duì)碳纖維及其復(fù)合材料進(jìn)行熱穩(wěn)定性分析[12]；室溫拉伸性能測(cè)試根據(jù)ASTM D638-2014標(biāo)準(zhǔn)，在MTS-810型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，取5根試樣測(cè)試結(jié)果平均值作為結(jié)果；室溫彎曲性能測(cè)試根據(jù)ASTM D790標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，在MTS-810型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，取5根試樣測(cè)試結(jié)果平均值作為結(jié)果；室溫沖擊性能測(cè)試根據(jù)ASTM D256標(biāo)準(zhǔn)，在XCJD-5型數(shù)顯擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，取5根試樣測(cè)試結(jié)果平均值作為結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

圖1為建筑用碳纖維材料的表面形貌，分別列出了未除漿SCF、除漿SCF、GO0.25-SCF、GO0.5-SCF、GO0.75-SCF和GO1-SCF的表面形貌?？梢?jiàn)，對(duì)于未除漿SCF，試樣表面未見(jiàn)明顯缺陷，表面較為光滑；經(jīng)過(guò)除漿處理后，除漿SCF可見(jiàn)較多的縱向溝槽，這主要是因?yàn)槌凉{工藝使得原始SCF加工溝痕在表面漿料除去后重新顯現(xiàn)所致；對(duì)于不同氧化石墨烯處理的SCF試樣［圖1(c)～(f)］，試樣表面可見(jiàn)斷續(xù)分布（GO0.25-SCF）、均勻分布（GO0.5-SCF）和富集的GO（GO0.75-SCF），且在GO含量進(jìn)一步增加時(shí)局部富集現(xiàn)象愈發(fā)嚴(yán)重。

圖1 建筑用碳纖維材料的表面形貌Fig.1 Surface morphology of carbon fibers for building

圖2為建筑用碳纖維復(fù)合材料的X射線衍射分析結(jié)果。從圖2（a）的XRD圖譜中可見(jiàn)，GO-PP試樣在（110）、（040）、（130）、（131）、（041）、（220）晶面可見(jiàn)結(jié)晶衍射峰，這主要是因?yàn)镻P樹(shù)脂具有結(jié)晶性的緣故[13]，而在PP中加入不同含量的GO不會(huì)改變GO-PP的結(jié)晶性。從圖2（b）的XRD圖譜中可見(jiàn)，在SCF表面包覆GO再與PP復(fù)合后，相較于GOPP，GO-SCF/PP復(fù)合材料的XRD圖譜中主要角度的衍射峰未發(fā)生變化，但是在（300）晶面出現(xiàn)了衍射峰，這主要是因?yàn)闃?shù)脂基體發(fā)生了β成核并影響結(jié)晶所致。

圖2 建筑用碳纖維復(fù)合材料的XRD圖譜Fig. 2 XRD atlas of carbon fiber composite for building

圖3為建筑用碳纖維復(fù)合材料的DSC曲線，其中圖3（a）和圖3（b）分別為對(duì)應(yīng)的冷卻和加熱曲線。從DSC冷卻曲線可見(jiàn)，SCF/PP、GO0.5-SCF/PP和GO0.5-SCF/GO0.5-PP的結(jié)晶峰溫度分別為123℃、125℃和127℃，結(jié)晶峰溫度大小為GO0.5-SCF/ GO0.5-PP ＞GO0.5-SCF/PP＞SCF/PP，這主要是因?yàn)镚O在SCF外包裹有助于抑制PP樹(shù)脂結(jié)晶并阻礙內(nèi)部片晶發(fā)生滑移和旋轉(zhuǎn)，從而在一定程度上提升了結(jié)晶溫度。從DSC加熱曲線可知，SCF/PP、GO0.5-SCF/PP和GO0.5-SCF/GO0.5-PP的熔化溫度分別為172℃、173℃和175℃，熔化溫度大小為GO0.5-SCF/ GO0.5-PP ＞ GO0.5-SCF/PP＞SCF/PP，這主要是因?yàn)镚O包裹在SCF表面可以通過(guò)傳遞荷載的作用而提升導(dǎo)熱性并有助于提高熔化溫度的緣故。

圖3 建筑用碳纖維復(fù)合材料的DSC曲線Fig.3 DSC curves of carbon fiber composite for building

圖4為建筑用碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能。

圖4 建筑用碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能Fig. 4 Mechanical properties of carbon fiber composite for building

圖4 （a）中PP、SCF/PP 和 GO-SCF/PP的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度大小為GO-SCF/PP＞SCF/PP＞PP，且隨著GO含量升高，GO-SCF/PP復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度先增大后減小，在GO含量為0.5%時(shí)取得最大值；從圖4（b）中可見(jiàn)，PP、GO0.5-PP和GO1-PP的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度相差不大，而GO0.5-SCF/GO0.5-PP復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度要高于GO-SCF/PP復(fù)合材料。

進(jìn)一步對(duì)建筑用碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行拉伸斷口形貌觀察，結(jié)果如圖5所示。從除漿 SCF/PP的拉伸斷口形貌可見(jiàn)，復(fù)合材料中可見(jiàn)較多的SCF拔出的特征，局部孔洞中未見(jiàn)SCF，這可能與拉伸過(guò)程中的SCF被拔出有關(guān)（由于SCF與樹(shù)脂的粘接性能較差所致）；從GO0.5-SCF/PP的拉伸斷口形貌可見(jiàn)，雖然 GO0.5-SCF/PP在拉斷后的斷面中仍然可見(jiàn)SCF，但是周?chē)娘@微孔洞數(shù)量明顯減少，這說(shuō)明GO加入后會(huì)在一定程度改善SCF與基體的粘接性能，從而在拉伸過(guò)程中不易被拔出而有助于提升拉伸強(qiáng)度；從GO0.5-SCF/GO0.5-PP的拉伸斷面形貌可見(jiàn)，斷面中顯微孔洞較少，且斷裂的碳纖維表面可見(jiàn)粘附的樹(shù)脂存在，這主要是因?yàn)榇藭r(shí)復(fù)合材料中的纖維在改性后與樹(shù)脂的粘接性能增強(qiáng)，從而有助于提升復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度。除漿 SCF/PP、GO0.5-SCF/PP和GO0.5-SCF/GO0.5-PP復(fù)合材料的拉伸斷口形貌觀察結(jié)果與圖4的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果保持一致。

圖5 建筑用碳纖維復(fù)合材料的斷口形貌Fig. 5 Fracture morphology of carbon fiber composite for construction

3 結(jié)論

（1）PP中加入不同含量的GO不會(huì)改變GO-PP的結(jié)晶性；在SCF表面包覆GO再與PP復(fù)合后，相較于GO-PP，GO-SCF/PP復(fù)合材料的XRD圖譜中主要角度的衍射峰未發(fā)生變化，但是在（300）晶面出現(xiàn)了衍射峰。

（2）碳纖維復(fù)合材料的結(jié)晶峰溫度大小順序?yàn)椋篏O0.5-SCF/ GO0.5-PP ＞ GO0.5-SCF/PP＞SCF/PP；熔化溫度大小順序?yàn)椋篏O0.5-SCF/ GO0.5-PP ＞ GO0.5-SCF/PP ＞SCF/PP。

（3）隨著GO含量升高，GO-SCF/PP復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度先增大后減小，在GO含量為0.5%時(shí)取得最大值；PP、GO0.5-PP和GO1-PP的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度相差不大，而GO0.5-SCF/GO0.5-PP復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度要高于GO-SCF/PP復(fù)合材料。