醫院外墻裝飾碳纖維復合材料的應用性能研究

王吉浩,李鐘仁

（1上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院,上海 200011；2 上海工程技術大學,上海201620 ）

碳纖維復合材料作為現代材料家族中重要的一個組成部分，由于具有具備高強度、高模量、低比重、優良的減振性、耐疲勞和耐腐蝕等特性，而在醫院外墻裝飾等領域都有廣泛應用[1]。尤其是隨著我國經濟建設和建筑領域的快速發展，高層建筑與大跨度建筑的不斷推出，建筑和醫院外墻裝飾中很多材料的設計載荷已經無法滿足使用要求，尤其是醫院外墻裝飾中一些新功能的開發，急需找到一種具有高疏水特性和高耐磨性能的材料來滿足使用和設計要求[2]，碳纖維/環氧樹脂復合材料成為了設計首選，但是常規碳纖維/環氧樹脂復合材料很難在滿足高疏水特性同時實現高耐磨性能[3]。因此，本文設計了新型超疏水耐磨碳纖維/環氧樹脂復合材料，并研究了全氟乙烯丙烯共聚物（FEP）和聚氨酯（PU）含量對復合材料潤濕性能和摩擦學性能的影響，以期為醫院外墻裝飾用碳纖維復合材料的開發與應用提供參考。

1 材料與方法

以北海碳素有限公司生產的厚度3mm碳纖維布，南京古田化工有限公司提供的純度99%環氧樹脂E44和固化劑TETA，美國杜邦公司提供的Φ6.5μm全氟乙烯丙烯共聚物（FEP），北京化學試劑公司提供的純度67%硝酸、純度99.9%氨基硅油、聚氨酯（PU）、平均直徑38nm的疏水二氧化硅納米粒子和99.8%無水乙醇為原料，采用浸涂法制備了醫院外墻裝飾用超疏水碳纖維/環氧樹脂復合材料。

原始碳纖維布經過清洗和烘干后置于10%硝酸中進行98℃/18min浸泡處理，用蒸餾水沖洗至pH值為中性后烘干，即得化學刻蝕碳纖維布；刻蝕碳纖維布浸入3g氨基硅油/100mL乙酸乙酯混合溶液中進行58℃/28min水浴加熱，取出烘干后得到疏水碳纖維布；將5g環氧樹脂、6.8g乙酸乙酯、質量分數0.8.%疏水二氧化硅納米粒子和質量比10%～50%（與環氧樹脂的質量比）不等的FEP組成的混合溶液超聲處理28min后，加入3.8g乙酸乙酯以及與環氧樹脂質量比為2%～6%的聚氨酯并超聲處理8min，再將固化劑和疏水碳纖維布置于混合溶液中浸漬8min后取出進行常溫固化5h，烘干固化后得到碳纖維/環氧樹脂復合材料。

采用RTracer-100型紅外光譜儀對復合材料進行紅外光譜分析；采用JC2000DM接觸角測量儀對復合材料的表面接觸角進行測試，取5個不同位置的平均值作為結果；采用 MMG-5滾動磨損試驗機對復合材料的摩擦學性能進行測試，試驗條件為室溫和無潤滑，載荷2.8MPa、滑動速度0.48m/s，利用FA2018型分析電子天平稱量摩擦前后試樣的質量，磨損率可以表示[4]為：其中，Δm為磨損失重為復合材料的密度（g/cm3），NF 為垂直載荷（N），L為銷的滑行距離（m）。

2 結果與分析

對原始碳纖維布、刻蝕碳纖維布和疏水碳纖維布進行紅外光譜測試，結果如圖1所示。可見，這三種碳纖維布在3450cm-1位置處都存在-OH的伸縮振動峰，但是經過刻蝕處理后，刻蝕碳纖維布在1650cm-1、1385cm-1和771cm-1位置處還分別出現了C=O伸縮振動峰、硝基伸縮振動峰和亞硝基伸縮振動峰，這表明原始碳纖維布已經被硝酸刻蝕；疏水碳纖維布的紅外光譜圖中還可見在1160cm-1位置處還存在Si-O-Si鍵的伸縮振動峰，這主要是因為氨基硅油已經涂覆在碳纖維表面[5]。

圖1 不同類別的碳纖維布的紅外光譜圖Fig.1 Infrared spectra of different types of carbon fibre cloth

原始碳纖維布的纖維之間存在較多的孔隙，整體結構較為松散，需要填充環氧樹脂增加致密性；局部放大后可見單根碳纖維表面較為光滑，而經過硝酸刻蝕后的碳纖維表面出現了較多的凹坑，局部發生了脫落以及表面溝槽加深。從疏水碳纖維布表面形貌中可見，經過氨基硅油涂覆后，碳纖維表面被一層薄膜包覆，這種薄膜的存在可以提升碳纖維的疏水性能，且還有助于改善碳纖維與環氧樹脂的界面結合，有利于壓力傳遞和抑制裂紋擴展[6]。

圖2為FEP和PU含量對碳纖維/環氧樹脂復合材料表面接觸角和滾動角的影響曲線。當FEP含量(質量分數）從10%增加至50%時，復合材料的表面接觸角呈現先增加而后減小的趨勢，在FEP含量為40%時取得最大值，而復合材料的表面滾動角則表現為先減小而后增加的趨勢，在FEP含量為40%時取得最小值，此時水滴易于從復合材料表面掉落，如果FEP含量過量（50%），環氧樹脂溶液中的FEP并不能均勻分散而造成復合材料表面只有一部分達到超疏水效果[7]。當PU含量（質量分數）從2%增加至8%時，碳纖維/環氧樹脂復合材料在PU含量為2%～6%時的表面接觸角相當，且都能實現疏水效果，而PU含量為8%時的表面接觸角明顯減小，已經無法實現超疏水特性。綜合而言，FEP含量為40%時，碳纖維/環氧樹脂復合材料具有表面接觸角最大值和滾動角最小值，且在PU含量為2%～6%時的表面接觸角相當。

圖2 FEP(a)和PU(b)對碳纖維/環氧樹脂復合材料表面潤濕性能的影響Fig.2 Effects of FEP(a) and PU(b) on the surface wettability of carbon fiber/epoxy resin composites

對醫院外墻裝飾用碳纖維/環氧樹脂復合材料在PU含量為2%～6%時的磨損率和摩擦系數進行測量。從磨損率測試結果來看，隨著摩擦試驗的進行，不同PU含量的復合材料的磨損率都呈現逐漸減小的特征，但是在相同的摩擦條件下，PU含量為6%的復合材料的磨損率最小，而PU含量為2%的復合材料的磨損率相對較大。從摩擦系數的測定結果可見，PU含量為2%、4%和6%的復合材料的摩擦系數分別為0.398、0.363和0.318，可見復合材料的摩擦系數隨著PU含量增加而逐漸減小。綜合而言，在PU含量為6%時，碳纖維/環氧樹脂復合材料具有最佳的耐磨性能。

對經歷了1200000圈摩擦試驗后的復合材料的表面潤濕性能進行了測試，摩擦試驗示意圖、疏水機理圖和PU含量為2%～6%試樣摩擦后的表面潤濕性能如圖3所示。從摩擦后的復合材料的疏水性能測試結果來看，經過1200000圈摩擦后，PU含量為2%、4%和6%的復合材料的表面接觸角相當且都保持在140°以上，可見三種復合材料都具有較高的疏水性能。這主要是由于在摩擦過程中，雖然有一部分裸露的碳纖維會被折斷，但是表面的二氧化硅納米顆粒仍然能形成一定的粗糙度，且FEP在摩擦過程中會顯現出來并有助于提高疏水性能，而PU的存在在改善復合材料耐磨性能的同時，可以抑制FEP和二氧化硅顆粒的剝落[8]，從而實現高耐磨和高疏水特性。

圖3 摩擦試驗后復合材料的表面潤濕性能Fig.3 Surface wettability of composites after friction test

經歷60000圈摩擦后，碳纖維/環氧樹脂復合材料表面可見環氧樹脂發生破損，而碳纖維與環氧樹脂之間并沒有出現空隙，整體較為完整，這也就說明復合材料中碳纖維與環氧樹脂的界面結合力較強，具有較好的耐磨性能；經歷120000圈摩擦后，碳纖維/環氧樹脂復合材料表面的環氧樹脂磨損更為嚴重，且有部分碳纖維發生折斷，局部放大后可見斷裂的碳纖維表面存在二氧化硅納米顆粒且環氧樹脂也發生破損，復合材料的表面粗糙度增加，從而有助于維持表面高疏水特性[9]。

3 結論

（1）原始碳纖維布、刻蝕碳纖維布和疏水碳纖維布在3450cm-1位置處都存在-OH的伸縮振動峰，刻蝕碳纖維布在1650cm-1、1385cm-1和771cm-1位置處還分別出現了C=O伸縮振動峰、硝基伸縮振動峰和亞硝基伸縮振動峰，疏水碳纖維布在1160cm-1位置處還存在Si-O-Si鍵的伸縮振動峰。

（2）當FEP含量從10%增加至50%時，復合材料的表面接觸角呈現先增加而后減小的趨勢，在FEP含量為40%時取得最大值，而復合材料的表面滾動角則表現為先減小而后增加的趨勢，在FEP含量為40%時取得最小值。當PU含量從2%增加至8%時，醫院外墻裝飾用碳纖維/環氧樹脂復合材料在PU含量為2%～6%時的表面接觸角相當，而PU含量為8%時的表面接觸角明顯減小。

（3）隨著摩擦試驗的進行，不同PU含量的復合材料的磨損率都呈現逐漸減小的特征，但是在相同的摩擦條件下，PU含量為6%的復合材料的磨損率最小，而PH含量為2%的復合材料的磨損率相對較大。