基于施工管理便捷性的建筑碳纖維布制備與應用

楊曉敏，賈兵，臧棟，劇蘭梅

摘 要：基于施工管理便捷性開發出一種高疏水性和耐磨性的碳纖維布，對比分析了原始碳纖維布和接枝改性后的CNT-PDA碳纖維布的接觸角和耐磨性能。結果表明，對原始碳纖維布進行接枝改性后，碳納米管已經成功接枝到CNT-PDA碳纖維布表面;在相同PTFE添加量下，CNT-PDA碳纖維布表面接觸角都要明顯大于原始碳纖維布，碳纖維布經過接枝改性處理后可以明顯提升表面疏水性能;CNT-PDA碳纖維布的磨損率會隨著磨損時間延長逐漸減小，在磨損時間為120 000圈時，磨損率降低為0.67×10-13m3/（N.m），而此時磨損后的接觸角為144.1±2.1°，仍然保持著較好的疏水性。

關鍵詞：施工管理;碳纖維布;接枝改性;疏水性;耐磨性

中圖分類號：TB332 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1001-5922（2021）11-0117-03

Research on Preparation and Application Performance of Building Carbon Fiber Cloth Based on the Convenience of Construction Management

Yang Xiaomin1， Jia Bing1， Zang Dong1， Ju Lanmei2

（1.Weifang Yidu Central Hospital， Qingzhou 262500， China;

2. Jilin Engineering Normal University， Changchun 130052， China）

Abstract：A carbon fiber cloth with high hydrophobicity and wear resistance was developed based on the convenience of construction management， the contact angle and wear resistance of the original and grafting modified CNT-PDA carbon fiber cloth were analyzed as compared. The results show that after the grafting modification of the original carbon fiber cloth has been successfully grafted to the CNT-PDA carbon fiber cloth surface， under the same amount of PTFE addition， the surface contact angle of the CNT-PDA carbon fiber cloth is significantly greater than that of the original carbon fiber cloth， and the carbon fiber cloth can significantly improve the surface hydrophobic performance after grafting modification treatment. The wear rate of the CNT-PDA carbon fiber cloth gradually decreases with the wear time， at a wear time of 120，000 laps， wear rate is reduced to 0.67×10-13 m3/（N.m）， while at this moment the contact angle after the wear is 144.1±2.1°， still maintains a better hydrophobicity.

Key words：construction management; carbon fiber cloth; grafting modification; hydrophobic water resistance; wear resistance

隨著現代醫療事業的快速發展和人們生活水平的不斷提高，同時具有醫療部分、供應部分和管理部分的大型綜合醫院建筑的需求不斷增加，給具有醫院建筑特色的施工管理帶來了巨大挑戰，而碳纖維布作為醫院建筑中常用的基礎原材料，其疏水性和耐磨性將給建筑施工帶來極大的便捷性[1]。目前，碳纖維布及其復合材料由于強度高、密度小等特點而在建筑施工中被廣泛應用[2-4]，但是其疏水性和耐磨性問題將嚴重影響施工進度以及后期使用壽命[5]。在此基礎上，本文基于提高碳纖維布疏水性和耐磨性為目的，對比分析了原始碳纖維布和接枝改性后的CNT-PDA碳纖維布的接觸角和耐磨性能，以期為基于施工管理便捷性的碳纖維布的開發與應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗原料

試驗原料包括厚度3 mm的碳纖維布、純度99%的E44環氧樹脂、TETA固化劑、直徑25 μm的聚四氟乙烯（PTFE）、純度98%的多巴胺鹽酸鹽、純度99.9%的三羥甲基氨基甲烷、直徑18 nm碳納米管，以及工業級乙酸乙酯和無水乙醇。

1.2 試樣制備

將碳納米管和多巴胺粉按照質量比1∶10的比例（共1.1 g）加入0.5 L蒸餾水中，攪拌均勻后加入三羥甲基氨基甲烷至pH值為8，室溫攪拌18 h后用蒸餾水清洗并烘干，得到經過接枝改性的碳納米管CNT-PDA。將CNT-PDA碳纖維布和多巴胺粉照質量比1∶10的比例（共1.1 g）加入0.5 L蒸餾水中，攪拌均勻后加入三羥甲基氨基甲烷至pH值為8，室溫攪拌18 h后用蒸餾水、無水乙醇清洗5次后浸入碳纖維布，室溫攪拌36 h取出清洗并烘干，得到經過接枝改性的CNT-PDA碳纖維布。

1.3 測試與表征

采用Nicolet 5700型紅外光譜儀對原始碳纖維布和接枝改性后的CNT-PDA碳纖維布進行紅外光譜分析;采用華為P40手機拍攝碳纖維宏觀形貌;日立S-4800型鎢燈絲掃描電鏡觀察表面形貌，JC2000X型接觸角測量儀測試表面接觸角;摩擦磨損性能測試在MPX-2000型磨損試驗機上進行，溫度為室溫，荷載3.2 MPa、速度0.48 m/s，并采用WK320型電子天平稱重和計算磨損率。

2 結果與分析

圖1為兩種不同碳纖維布的紅外光譜圖，包括原始碳纖維布和CNT-PDA碳纖維布。對比原始碳纖維布的紅外光譜圖可知，CNT-PDA碳纖維布在3 418、1 608 、1 265和1 046 cm-1處分別出現了—OH伸縮振動峰、C? C基團吸收峰、苯基彎曲振動峰和C—N伸縮振動峰。可見，對原始碳纖維布進行接枝改性后，碳納米管已經實現了成功接枝。

原始碳纖維布表面呈灰色，而CNT-PDA碳纖維布表面呈黑色，這主要是因為經過接枝改性處理后，碳納米管已經成功接枝到原始碳纖維布表面而呈現出黑色形態。從微觀形貌中可見，原始碳纖維布表面較為干凈，除原始溝痕外，未見附著物的存在;而經過接枝改性后的CNT-PDA碳纖維布表面已經附著大量顆粒狀物質，幾乎觀察不到原始碳纖維布表面形態，這也就說明碳纖維布表面已經成功接枝碳納米管，這種微觀結構特征有助于提升醫院建筑用碳纖維布的疏水性能。

圖2為PTFE質量分數對碳纖維布表面潤濕性能的影響。對于原始碳纖維布而言，隨著PTFE質量分數增加，表面接觸角呈現逐漸增大的趨勢，在PTFE質量分數為30%時達到（132±3.3）°;對于CNT-PDA碳纖維布而言，隨著PTFE質量分數增加，表面接觸角呈現先增加后減小特征，在PTFE質量分數為30%時達到最大值（149.8±2.6） °。此外，由對比分析可知，在添加量PTFE相同條件下，CNT-PDA碳纖維布表面接觸角都要明顯大于原始碳纖維布，表明碳纖維布經過接枝改性處理后可以明顯提升表面疏水性能。

圖3為CNT-PDA碳纖維布的磨損率和接觸角測試結果。從磨損率測試結果看，當磨損時間為30 000圈時，磨損率為2.08×10-13 m3/（N·m）;隨著磨損時間的延長，CNT-PDA碳纖維布的磨損率呈現逐漸減小的趨勢，在磨損時間為120 000圈時，磨損率降低為0.67×10-13 m3/（N·m）。從接觸角測試結果來看，隨著磨損時間的延長，磨損后表面接觸角呈現逐漸減小特征，在磨損時間為120 000圈時，磨損后的接觸角為（144.1±2.1）°。在磨損開始階段，由于碳纖維布表面碳纖維的破壞以及表面附著物的損失，磨損率會相對較大，而隨著磨損時間的延長，磨損相對較為穩定，內部耐磨性較高而使得此時磨損率減小。此外，磨損120 000圈后碳纖維布表面接觸角仍然較大，表明磨損后材料仍然具有較好的疏水性能。

經過了120 000圈磨損后，CNT-PDA碳纖維布表面較為平整，未見較深的磨痕存在，這主要是因為經過接枝改性處理后的碳纖維布具有較好的抗摩擦磨損能力。從高倍放大形貌中可見，磨損后的局部區域仍然存在碳纖維暴露以及磨屑的存在，但是這些碳纖維與基體仍然保持著連接關系，仍然未從基體中脫落，這表明材料在具有較好耐磨性能的同時，仍然維持著原始微/納結構而具有較好的疏水性。

3 結語

（1）CNT-PDA碳纖維布在3 418、1 608、1 265和1 046cm-1處分別出現了—OH伸縮振動峰、CC基團吸收峰、苯基彎曲振動峰和C—N伸縮振動峰。對原始碳纖維布進行接枝改性后，碳納米管已經實現了成功接枝。

（2）對于原始碳纖維布而言，隨著PTFE質量分數增加，表面接觸角呈現逐漸增大的趨勢，在PTFE質量分數為30%時達到（132±3.3）°;對于CNT-PDA碳纖維布而言，隨著PTFE質量分數增加，表面接觸角呈現先增加后減小特征，在PTFE質量分數為30%時達到最大值（149.8±2.6） °。

（3）從磨損率測試結果看，當磨損時間為30 000圈時，磨損率為2.08×10-13 m3/（N·m）;隨著磨損時間的延長，CNT-PDA碳纖維布的磨損率呈現逐漸減小的趨勢;在磨損時間為120 000圈時，磨損率降低為0.67×10-13 m3/（N·m）。從接觸角測試結果來看，隨著磨損時間的延長，磨損后表面接觸角呈現逐漸減小特征，在磨損時間為120 000圈時，磨損后的接觸角為（144.1±2.1） °。

參考文獻

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