碳纖維增強石膏的力學性能及其制備方法

黃 韡，姜會鈺，楊海浪

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碳纖維增強石膏的力學性能及其制備方法

黃 韡1，姜會鈺1，楊海浪2

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

以磷酸溶液作為電解質，通過陽極氧化法對碳纖維表面進行改性，并將改性碳纖維與石膏共混來制備新型的石膏復合材料，研究碳纖維摻量，碳纖維的表面改性及對復合材料性能的影響，利用SEM 、XPS等測試手段對改性碳纖維和復合材料進行表征。通過掃描電鏡觀察氧化后的碳纖維表面結構和碳纖維復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合。同時通過XPS可以得出碳纖維表面的含氧基團增多，改變了碳纖維的親水性，有利于碳纖維在石膏中均勻分散。并通過抗壓抗折測試研究碳纖維石膏復合材料的力學性能。

碳纖維；石膏；陽極氧化；力學性能；復合材料

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

在目前國內纖維增強石膏板材研究中，植物纖維、玻璃纖維、石棉纖維、維尼綸纖維、和有機合成纖維等等都已經用于增強石膏[2]，但石膏強度的提高沒有明顯的變化。碳纖維作為一種輕質，高強的新型軍民兩用型的材料，在增強復合材料和碳纖維增強材料（CFRC）制備中，都已經得到廣泛應用，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合材料，研究碳纖維摻量，碳纖維的表面改性及對復合材料性能的影響。

1 實驗

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 實驗方法

碳纖維的表面氧化：采用自制連續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，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[4]。

攪拌鑄模：稱取1％~3％質量分數（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GB/T17669.3制作標樣，脫模后室溫養護3d，然后40±2℃烘箱內烘至絕干，即得碳纖維增強石膏材料[5]。

1.3 性能測試

（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合材料斷面的形態和表面特征。

（2）X射線電子能譜（XPS)分析。

采用美國Thermo ESCALAB250型電子能譜儀測定樣品的元素種類對其中關鍵元素進行分峰，測量前樣品室抽真空。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。測量前樣品在無水乙醇中用超聲波清洗干凈后烘干。

2 實驗結果與討論

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，結果如圖1所示，從圖1中可以看出未經處理碳纖維的表面光滑，表面處理后碳纖維表面變的粗糙，碳纖維經過處理后表面出現斑點和溝槽, 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合。這是因為在磷酸溶液存在的情況下碳纖維表面電化學腐蝕，碳纖維在處理過程中表面產生氣泡，電解質溶液逐漸變渾濁, 說明碳纖維表面的類石墨結構的侵蝕比較嚴重, 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 表面處理對碳纖維表面含氧官能團的影響

表1是在磷酸溶液作為電解質，經過氧化后，碳纖維表面含氧官能團的相對數量，從表1中可以得到，碳纖維經電解氧化后，碳纖維表面的含氧基團明顯增多，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個峰值，分別對應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（C1s）

未經處理的碳纖維表面含氧基團很少，與石膏混合加入水后，易團聚，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合材料的力學性能。

2.3 碳纖維摻量對復合材料力學性能的影響

圖2 不同組分和摻量碳纖維對石膏復合材料的抗折強度影響

圖3 不同組分和摻量碳纖維對石膏復合材料的抗壓強度影響

從圖2的力學性能測試結果可以看出添加碳纖維后的石膏復合材料試樣比空白試樣的抗折強度都有所提高，提高的程度因碳纖維的長度和摻量的不同而不同，其中當纖維長度固定的條件下，抗折強度隨摻量的增加呈現先增大后減小的趨勢，抗折強度的最大值都出現在摻量為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，當長度為15mm和20mm時的抗折強度要比5mm、l0mm和25mm時的要高。所以15mm和20mm是短切碳纖維的最佳摻加長度。

同樣從圖3中我們還可以發現，添加碳纖維后的試樣的抗壓強度比空白試樣都有所降低，其中當纖維摻加量固定時，抗壓強度基本隨摻量的增加而減小，同樣當長度為5mm時抗壓強度下降的最小，當摻加長度固定時，又隨著碳纖維摻量的增加而減少，初步得出纖維的摻加對石膏復合材料的抗壓強度是有一定降低的。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％時的增強效果最好。

2.4 不同質量分數的碳纖維復合材料形貌分析

通過掃描電鏡觀察了不同碳纖維摻量的石膏復合材料的斷面形貌，進一步分析碳纖維增強石膏復合材料機理。圖4分別為不同組分的碳纖維石膏復合材料斷面形貌。

從圖4中可以看出，斷裂后的石膏復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展，改善了石膏的脆性，增強了復合材料的承載能力，從而提高了復合材料的抗折強度。在石膏烘干過程中由于水分的蒸發使石膏結晶體干燥收縮，使裂紋產生，當加入碳纖維后，均勻分布的碳纖維可以承受因干燥收縮引起的拉應力，減少或防止裂紋的產生和發展。從而進一步改善了石膏的脆性，提高了抗折強度。

從碳纖維增強石膏基復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，碳纖維在復合材料內部呈無序的形態分布，隨著摻量的增加，碳纖維會疊加，在纖維交錯疊加的部位不同于分布均勻的部位，當這部分受到壓力時，會產生暫時的受力不均，當壓力減小后，它又會慢慢恢復變形，因此在恢復變形的過程中會產生附加應力，使復合材料本身就有了形成裂紋的趨勢，對于其抗壓強度來說是負面的影響。

3 結論

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

（2）當玻璃纖維長度為15mm，摻加量為1.5％時，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效果。使石膏復合材料的抗折強度提高了約6Mpa，抗壓強度減少了約3Mpa。

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

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

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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

姜會鈺（1975-），男，副教授，博士，研究方向：碳纖維復合材料.

湖北省教育廳科學技術研究項目（Q20121708）.

TU522.3

A

2095－414X(2014)03－0074－04