關鍵詞：工程造價；纖維織物；涂層；高溫氧化；拉伸性能

中圖分類號：TQ317；TB332 文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922（2024）12-0065-04

纖維復合材料由于具有密度輕、比強度高，良好的耐腐蝕性等特性[1]，在建筑工程領域有著廣泛應用。已有的研究結果表明，纖維復合材料在建筑工程中應用可有效提升建筑的抗震性能、可塑性強[2-4]，在一定程度上還能提升建筑結構的使用壽命。而隨著近年來建筑工中工程造價理念的提出，將工程中各種物料、機械設備等進行全面財務計算并以降低工程造價為目的的概念正逐漸成為未來建筑需要重點關注的問題[5]。在此基礎上，本文以降低工程造價的纖維復材開發(fā)與應用為目標，采用溶膠-凝膠法制備了不同結構類型的纖維織物，考察了TEOS含量、溶膠黏度和浸漬時間對涂層復合纖維抗氧化性能的影響，并對比分析了初始纖維織物和涂層纖維織物的拉伸性能，結果將有助于基于降低工程造價的纖維復材的開發(fā)，并加快推動其在建筑工程等領域的應用。

1材料與方法

1.1試驗材料

試驗材料包括市售碳纖維（拉伸強度3080MPa、斷裂伸長率1.6%、線密度800tex、密度1.89g/cm3）和玻璃纖維（拉伸強度2360MPa、斷裂伸長率1.5%、線密度600tex、密度2.39g/cm3）、乙烯基三乙氧基硅烷（VTES）、正硅酸乙酯（TEOS）、無水乙醇、硝酸。

1.2試樣制備

預先制備三維正交機織物，然后采用溶膠-凝膠法[6]制備涂層纖維復合材料。其中，共制備了5種三維正交機織物結構，（1）NHG：非混雜玻璃纖維；（2）NHC：非混雜碳纖維；（3）HZG：經(jīng)砂線為碳纖維、Z向砂為玻璃纖維；（4）HZC：經(jīng)砂線為玻璃纖維、Z向砂為碳纖維；（5）HCG：經(jīng)向砂和Z向砂為玻璃纖維。首先對三維正交機織物進行預處理：將織物浸入體積比1∶1的硝酸：水混合溶液中，浸泡2h后取出并分別用清水和酒精清洗、吹干；采用溶膠-凝膠法制備涂層纖維復合材料，涂層制備過程中以VTES、TEOS為前驅(qū)體，溶于乙醇后水解成溶膠，將上述經(jīng)過預處理的5種結構的纖維復合織物浸漬在溶膠中[7]，60℃/30min反應后室溫干燥，轉入管式爐中進行1380℃/60min的熱處理，空冷至室溫后得到涂層纖維復合材料。

1.3測試分析

纖維織物的表面形貌在JSM-6800型掃描電子顯微鏡上觀察；在SY11/SX2-4-10型箱式電阻爐中對纖維織物進行高溫氧化處理，溫度為600℃，空氣中煅燒后空冷至室溫并稱重，記錄不同氧化時間下的剩余質(zhì)量[8]；采用YG152E型數(shù)字式織物厚度儀測試纖維涂層織物的涂層厚度；根據(jù)GB/T7689.5—2013標準[9]，在INSTRON5500型萬能材料試驗機上進行拉伸性能測試，拉伸速率為5mm/min，結果取3組平行試樣的平均值。

2結果與分析

2.1涂層工藝優(yōu)化

對于初始碳纖維和初始玻璃纖維，在經(jīng)過高溫氧化處理后，碳纖維表面局部區(qū)域可見孔洞缺陷，這主要是因為碳纖維在高溫下發(fā)生了反應所致[10]，而玻璃纖維在高溫氧化后并沒有產(chǎn)生裂紋等缺陷[11]。對于涂層碳纖維和涂層玻璃纖維而言，在經(jīng)過高溫氧化處理后，纖維表面都可見局部涂層殘留，但是未發(fā)現(xiàn)局部開裂或者孔洞等缺陷存在，這主要是因為在纖維表面制備涂層后，涂層在一定程度可以抑制高溫氧化的緣故[12-14]。

圖1為不同溶液比例的涂層復合纖維氧化后的剩余質(zhì)量-時間曲線，分別列出了3種不同水∶TEOS∶VTES∶無水乙醇比例的涂層纖維的抗氧化性能變化。

由圖1可知，3種溶液比例的涂層復合纖維的剩余質(zhì)量都會隨著高溫氧化時間的延長而逐漸降低，但是在相同氧化時間下，水∶TEOS∶VTES∶無水乙醇比例為7∶7∶0.5∶11的涂層復合纖維的剩余質(zhì)量最大，其次為水∶TEOS∶VTES∶無水乙醇比例為7∶13∶0.5∶11的涂層復合纖維，在經(jīng)過60min高溫氧化處理后，水∶TEOS∶VTES∶無水乙醇比例為7∶7∶0.5∶11的涂層復合纖維的剩余質(zhì)量約為84.6%；而水∶TEOS∶VTES∶無水乙醇比例為7∶9∶0.5∶11的涂層復合纖維的剩余質(zhì)量約為65.1%?？梢?，涂層中TEOS含量會對涂層復合纖維的抗氧化性能造成明顯影響，適宜的水∶TEOS∶VTES∶無水乙醇比例為7∶7∶0.5∶11。

在涂層中水∶TEOS∶VTES∶無水乙醇比例為7∶7∶0.5∶11前提下，進一步研究了不同黏度的涂層復合纖維氧化后的剩余質(zhì)量-時間曲線，如圖2所示。

由圖2可知，其中溶膠黏度共分3種。對比分析可知，3種溶膠黏度的涂層復合纖維的剩余質(zhì)量都會隨著高溫氧化時間的延長而逐漸降低，但是在相同氧化時間下，溶膠黏度為3.7～4.2mPa·s的涂層復合纖維的剩余質(zhì)量最大，其次溶膠黏度為4.7～5.22mPa·s的涂層復合纖維，在經(jīng)過60min高溫氧化處理后，溶膠黏度為3.7～4.2mPa·s的涂層復合纖維的剩余質(zhì)量最大。由此可見，涂層中溶膠黏度會對涂層復合纖維的抗氧化性能造成明顯影響，適宜的溶膠黏度為3.7～4.2mPa·s。

設定涂層中水∶TEOS∶VTES∶無水乙醇比例為7∶7∶0.5∶11，溶膠黏度為3.7～4.2mPa·s不變，通過不同浸漬時間的涂層復合纖維氧化后的剩余質(zhì)量隨時間的變化曲線，如圖3所示。

由圖3可知，3種浸漬時間的涂層復合纖維的剩余質(zhì)量都會隨著高溫氧化時間的延長而逐漸降低，但是經(jīng)過60min高溫氧化處理后，浸漬時間為35min的涂層復合纖維的剩余質(zhì)量最大，其次為浸漬時間為45min的涂層復合纖維。可見，涂層浸漬時間會對涂層復合纖維的抗氧化性能造成明顯影響，適宜的浸漬時間為35min。這主要是因為浸漬時間過短，纖維表面容易出現(xiàn)涂覆不均、涂層較薄等現(xiàn)象[15]，在高溫氧化過程中失重相對較大，而如果浸漬時間過長，纖維表面涂覆層過厚，纖維柔性降低的同時容易在內(nèi)應力的作用下形成微裂紋等缺陷[16]，最終造成抗氧化性能反而降低。

2.2拉伸性能

表1為不同結構類型的涂層復合纖維的拉伸性能和涂層厚度測試結果，分別列出了5種結構的涂層纖維織物在經(jīng)向和緯向的涂層厚度、拉伸斷裂強度和斷后伸長率。

由表1可見，對于NHG試樣，涂層厚度為2.51μm，經(jīng)向和緯向拉伸斷裂強度分別為29.98MPa和26.15MPa，經(jīng)向和緯向斷后伸長率分別為9.3%和8.8%。對于不同織構類型的涂層復合纖維織物，涂層厚度、拉伸斷裂強度和斷后伸長率都存在明顯差異，涂層厚度從大至小順序為NHC、HZG、HZC、HCG、NHG；此外，對于相同結構類型的涂層復合纖維織物，經(jīng)向拉伸斷裂強度和斷后伸長率都高于緯向；經(jīng)向拉伸斷裂強度從高至低順序為HZG、NHC、HZC、HCG、NHG，經(jīng)向斷后伸長率從高至低順序為HZG、HZC、NHG、HCG、NHC。由此可見，涂層厚度、拉伸斷裂強度和斷后伸長率并沒有呈線性相關性，這主要是因為不同結構類型的涂層復合纖維的致密性存在差異的緣故[17]。

圖4為初始纖維織物和涂層纖維織物高溫氧化后的拉伸性能。

由圖4可知，從初始纖維織物的力學性能測試結果可知，在經(jīng)過高溫氧化處理后，經(jīng)向和緯向拉伸斷裂強度從高至低順序為HZG、HCG、NHG、HZC、NHC；從涂層纖維織物的力學性能測試結果可知，經(jīng)向和緯向拉伸斷裂強度從高至低順序為HZG、NHC、HZC、NHG、HCG。由此可見，高溫氧化處理后，涂層纖維織物的力學性能的變化趨勢與初始纖維織物明顯不同，而HZG結構的纖維織無論是初始纖維織物還是涂層纖維織物，都具有最高的拉伸斷裂強度；對于相同結構類型的纖維織物，涂層纖維織物的拉伸斷裂強度都高于初始纖維織物，這主要是因為在纖維織物表面制備涂層厚，涂層具有良好的抗氧化保護作用，能夠在高溫氧化過程中對纖維織物起到保護作用[18-19]。

2.3基于降低工程造價的工程中應用

3種溶液比例的涂層復合纖維高溫氧化過程中的剩余質(zhì)量隨時間的變化曲線，3種溶膠黏度的涂層復合纖維的剩余質(zhì)量隨時間的變化曲線和3種浸漬時間的涂層復合纖維的剩余質(zhì)量隨時間的變化曲線可知，3種溶液比例的涂層復合纖維的剩余質(zhì)量都會隨著高溫氧化時間的延長而逐漸降低，但是在相同氧化時間下，水∶TEOS∶VTES∶無水乙醇比例為7∶7∶0.5∶11的涂層復合纖維的剩余質(zhì)量最大，其次為水∶TEOS∶VTES∶無水乙醇比例為7∶13∶0.5∶11的涂層復合纖維。3種溶膠黏度的涂層復合纖維的剩余質(zhì)量都會隨著高溫氧化時間的延長而逐漸降低，但在相同氧化時間下，溶膠黏度為3.7～4.2mPa·s的涂層復合纖維的剩余質(zhì)量最大，其次為溶膠黏度為4.7～5.22mPa·s的涂層復合纖維。3種浸漬時間的涂層復合纖維的剩余質(zhì)量都會隨著高溫氧化時間的延長而逐漸降低，但經(jīng)過60min高溫氧化處理后，浸漬時間為35min的涂層復合纖維的剩余質(zhì)量最大，其次為浸漬時間為45min的涂層復合纖維。涂層中TEOS含量會對涂層復合纖維的抗氧化性能造成明顯影響，適宜的水∶TEOS∶VTES∶無水乙醇比例為7∶7∶0.5∶11；涂層中溶膠黏度會對涂層復合纖維的抗氧化性能造成明顯影響，適宜的溶膠黏度為3.7～4.2mPa·s；涂層浸漬時間會對涂層復合纖維的抗氧化性能造成明顯影響，適宜的浸漬時間為35min。

對于不同織構類型的涂層復合纖維織物，涂層厚度、拉伸斷裂強度和斷后伸長率都存在明顯差異，涂層厚度從大至小順序依次為：NHC、HZG、HZC、HCG、NHG；此外，對于相同結構類型的涂層復合纖維織物，徑向拉伸斷裂強度和斷后伸長率都高于緯向；徑向拉伸斷裂強度從高至低順序依次為：HZG、NHC、HZC、HCG、NHG，徑向斷后伸長率從高至低順序依次為：HZG、HZC、NHG、HCG、NHC。在經(jīng)過高溫氧化處理后，初始纖維織物的徑向和緯向拉伸斷裂強度從高至低順序依次為：HZG、HCG、NHG、HZC、NHC，涂層纖維織物的徑向和緯向拉伸斷裂強度從高至低順序依次為：HZG、NHC、HZC、NHG、HCG。對于相同結構類型的纖維織物，涂層纖維織物的拉伸斷裂強度都高于初始纖維織物。基于降低工程造價的施工工程需要，纖維織物需要在生產(chǎn)成本較低的同時具有較高的力學性能[20]，從這個角度出發(fā)，應用于施工工程的纖維織物的適宜工藝參數(shù)為：水∶TEOS∶VTES∶無水乙醇比例為7∶7∶0.5∶11、溶膠黏度為3.7～4.2mPa·s、浸漬時間為35min，纖維織物的結構形式為HZG。

3結語

（1）涂層中TEOS含量會對涂層復合纖維的抗氧化性能造成明顯影響，適宜的水∶TEOS∶VTES∶無水乙醇比例為7∶7∶0.5∶11；涂層中溶膠黏度會對涂層復合纖維的抗氧化性能造成明顯影響，適宜的溶膠黏度為3.7～4.2mPa·s；涂層浸漬時間會對涂層復合纖維的抗氧化性能造成明顯影響，適宜的浸漬時間為35min；

（2）對于相同結構類型的涂層復合纖維織物，經(jīng)向拉伸斷裂強度和斷后伸長率都高于緯向；經(jīng)向拉伸斷裂強度從高至低順序為HZG、NHC、HZC、HCG、NHG，經(jīng)向斷后伸長率從高至低順序為HZG、HZC、NHG、HCG、NHC。在經(jīng)過高溫氧化處理后，初始纖維織物的經(jīng)向和緯向拉伸斷裂強度從高至低順序為HZG、HCG、NHG、HZC、NHC，涂層纖維織物的經(jīng)向和緯向拉伸斷裂強度從高至低順序為HZG、NHC、HZC、NHG、HCG。對于相同結構類型的纖維織物，涂層纖維織物的拉伸斷裂強度都高于初始纖維織物。