工程量清單計價模式下建筑碳纖維的優化與性能研究

高淑君 李國輝

摘 要：從工程量清單計價角度出發，采用化學浴的方法對建筑碳纖維進行了表面改性，優化了氫氧化鎳改性時間，并對作用機理進行了研究。結果表明，改性前碳纖維表面除有較淺的原始縱向加工溝痕外，表面較為整潔;經過不同時間的改性處理后，碳纖維表面附著物逐漸增加并在改性時間為3 h時形成垂直碳纖維表面生長的氫氧化鎳納米片，表面質量較好。隨著改性時間延長，改性碳纖維在水中和在二碘甲烷中的接觸角呈現先減小后增大，表面能、彎曲強度和彎曲模量呈現先增加后減小特征;在改性時間為3 h時取得接觸角最小值，表面能、彎曲強度最大值;改性時間為1、2、3和4 h時碳纖維復合材料的界面剪切強度相較未改性碳纖維分別提升26.2%、52.6%、82.1%和54.3%;氫氧化鎳改性碳纖維適宜的時間為3 h。

關鍵詞：碳纖維;Ni（OH）;改性時間優化;形貌;性能

中圖分類號：TB332?????? 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2022）03-0105-05

Research on optimization design of building carbon fiber under bill of quantities pricing mode

GAO Shujun1，LI Guohui2

（1.Department of Infrastructure，Beijing Rehabilitation Hospital，Capital Medical University，Beijing 100144，China;2.Beijing Zhiyou Tongda Engineering Cost Consulting Co.，Ltd.，Beijing 100089，China）

Abstract：From the perspective of bill of quantities pricing， the surface of carbon fiber was modified by chemical bath method， the modification time of nickel hydroxide was optimized， and the mechanism was studied. The results show that the surface of carbon fiber before modification is clean except for the shallow original longitudinal processing groove; after different time of modification， the adhesion on the surface of carbon fiber increases gradually， and nickel hydroxide nanoflakes growing vertically on the surface of carbon fiber are formed when the modification time is 3 h， and the surface quality is better. With the extension of modification time， the contact angle of modified carbon fiber in water and Diiodomethane decreased first and then increased， and the surface energy， bending strength and bending modulus increased first and then decreased. The minimum value of contact angle， the maximum value of surface energy and bending strength were obtained when the modification time was 3 h; the interfacial shear strength of carbon fiber composites increased when the modification time was 1， 2， 3 and 4 h by 26.2%， 52.6%， 82.1% and 54.3% respectively. The optimum time of Ni（OH）2 modified carbon fiber is 3 h.

Key words：carbon fiber; Ni（OH）2; modification time optimization; morphology; properties

碳纖維及其復合材料由于具有質量輕、比強度高、具有耐高溫和導電導熱性能等特性而被廣泛應用于建筑、航空航天等領域。在實際應用過程中，碳纖維的加工工藝和最終性能需求與所應用的領域密切相關[1]，如在建筑工程領域，碳纖維及其復合材料的使用會基于其量大面廣等特性，要求其具有較高的綜合性能的同時，還要具有良好的性價比。工程量清單計價模式是建筑工程領域最常用的計價方式，這主要是因為施工過程中的分項工程費、措施項目費、其他項目費、規費和稅金等都可以納入工程量清單計價模式中[2];可有效反映工程實體消耗和措施性消耗[3]。從工程量清單計價模式角度出發，如何開發出具有良好性價比的建筑碳纖維復合材料是科研工作者和生產企業共同關注的課題[4-5]。本文從氫氧化鎳改性碳纖維的角度出發，優化了建筑碳纖維的改性工藝并探討了工藝參數對碳纖維復合材料的表面形貌和性能的影響，結果將有助于碳纖維在建筑等領域的應用。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗原料和設備

原料：日本東麗T300B型碳纖維（直徑7 μm、拉伸強度3.64 GPa、斷后伸長率1.8%）、E51型雙酚A型環氧樹脂（環氧值0.50）、H-256型固化劑、3%過氧化氫、無水乙醇，均為純尿素。

設備：RW20型懸臂攪拌器、DZ-2A型真空干燥箱、LP-S-50型壓片機、Rigaku D/max 2550型X射線衍射儀、DCA 25型接觸角測試儀、FA-650型界面評價裝置、MTS-810型微機伺服萬能拉伸試驗機。

1.2 試樣制備

在去除上漿劑的碳纖維中加入濃度3%的雙氧水溶液，浸泡15 h后取出并依次用清水沖洗、無水乙醇清洗后吹干，然后在溶液中配置0.1 mol/L的硝酸鎳溶液并加入500 mg的尿素，充分攪拌后進行88 ℃水浴加熱，分別反應0、1、2、3和4 h后取出并依次用清水沖洗、無水乙醇清洗后，置于烘箱中進行58 ℃/24 h的烘干處理，得到NCF0、NCF1、NCF2、NCF3和NCF4試樣。

1.3 測試方法

氫氧化鎳改性前后碳纖維的顯微形貌采用S-4800型掃描電鏡進行觀察;采用Rigaku D/max 2550型X射線衍射儀對碳纖維試樣進行物相分析，銅靶Kα輻射;采用DCA 25型接觸角測試儀對改性碳纖維進行在水中和在二碘甲烷溶液中的接觸角測定，并計算表面張力（色散分量γd1♂和極性分量γp1）[6];界面剪切強度在FA-650型界面評價裝置中進行，采用的方法為微滴脫粘法[7];彎曲強度和彎曲模量測試參照ASTM D638《塑料拉伸性能測定方法》，在MTS-810型微機伺服萬能拉伸試驗機上進行，碳纖維試樣采用固化成型方法制備，E51樹脂和H256固化劑質量比100∶15，98 ℃固化60 min后成型，拉伸速率為0.5 mm/min，結果取5根試樣平均值。

2 試驗結果與分析

氫氧化鎳改性碳纖維前后的表面形貌如圖1所示。

由圖1可以看出，對比分析可知，對碳纖維進行表面改性前，碳纖維表面除有較淺的原始縱向加工溝痕外，表面較為整潔，未見附著物存在;當對碳纖維進行1 h的改性處理后，碳纖維表面加工溝痕逐漸模糊并在表面形成了較多的納米顆粒附著物;隨著改性時間延長至2 h，碳纖維表面附著物逐漸增多，并在局部形成片狀聚集;當改性時間增加至3 h，碳纖維表面基本被氫氧化鎳納米片附著物所覆蓋，看不到原始碳纖維表面溝痕，且由于此時氫氧化鎳納米片在碳纖維表面呈垂直生長特征，因此此時的碳纖維表面較為粗糙。但是，表面均勻的氫氧化鎳納米片形成的網格結構可以增加碳纖維表面積的同時，有助于與基體形成機械咬合作用而增加結合力[8];繼續延長改性時間至4 h，碳纖維表面除被氫氧化鎳納米片覆蓋外，局部還形成了聚集和內部缺陷[9]。此時的表面結構不利于碳纖維界面性能的提升，且聚集處還容易在外力作用下發生脫落。

圖2為氫氧化鎳改性碳纖維前后的X射線衍射分析結果，圖2中分別列出了NCF0（未改性的碳纖維）、Ni（OH）2/CF和Ni（OH）2粉末的XRD圖譜。

由圖2可見，對于未改性的碳纖維，NCF0圖譜中可見25.3°附近的對應石墨晶體（002）晶面的衍射峰;對于氫氧化鎳粉末而言，在（001）、（100）、（101）、（102）和（110）晶面分別存在β型氫氧化鎳六方水鎂石結構的衍射峰;經過氫氧化鎳改性處理后（1 h），Ni（OH）2/CF表面同時存在碳纖維的衍射峰和氫氧化鎳衍射峰，表明此時氫氧化鎳已經成功在碳纖維基體上附著[10]，形成了經過氫氧化鎳改性的碳纖維復合材料。

圖3為氫氧化鎳改性碳纖維前后的接觸角和表面能，其中接觸角分別列出了在水中和在二碘甲烷中的接觸角。對于未改性的碳纖維NCF0而言，在水中和在二碘甲烷中的接觸角分別為87.5°和64.2°;經過1 h氫氧化鎳改性處理后的NCF1，在水中和在二碘甲烷中的接觸角分別減小至65.5°和51.5°;繼續延長改性時間，改性后的碳纖維在水中和在二碘甲烷中的接觸角呈現先減小后增大的特征，NCF3試樣在水中和在二碘甲烷中的接觸角取得最小值。從表面能角度看，未改性的碳纖維NCF0的表面能為30 mN/m;經過氫氧化鎳改性處理后，NCF1、NCF2、NCF3和NCF4的表面能都相對未改性的碳纖維有所增加，且隨著改性時間延長，改性碳纖維的表面能呈現先增加后減小特征，NCF3試樣的表面能最大（70.5 μN/m）。綜合而言，經過氫氧化鎳改性處理后的碳纖維在水中和在二碘甲烷中的接觸角都小于未經過改性的碳纖維，而表面能都要高于未經過改性的碳纖維。這主要是因為經過氫氧化鎳表面改性處理后，碳纖維表面粗糙度增加，表面活性基團的存在會提升與液體的潤濕性[11]，并改善與碳纖維基體的結合力。但是改性時間并不是越長越好，當改性時間到達4 h后，由于碳纖維表面出現聚集的氫氧化鎳而在一定程度上會降低潤濕性和界面結合性能[12]。因此改性時間過長反而會使得碳纖維在水中和在二碘甲烷中的接觸角增加，而表面能減小。氫氧化鎳改性碳纖維的適宜時間為3 h。

圖4為氫氧化鎳改性碳纖維前后的界面剪切強度測試結果。對比分析可知，經過氫氧化鎳改性處理后，改性碳纖維的界面剪切強度都高于未經改性的碳纖維，NCF1、NCF2、NCF3和NCF4試樣的界面剪切強度分別相較未經改性的碳纖維分別提升26.2%、52.6%、82.1%和54.3%。可見，經過氫氧化鎳改性3 h后的試樣的界面剪切強度最大，這主要與此時碳纖維表面氫氧化鎳納米顆粒附著均勻，形成了相互交錯的網格結構而增大了界面結合力有關[13]。

圖5為氫氧化鎳改性前后碳纖維的彎曲性能和彎曲應力-應變曲線。

從圖5（a）可見，未經過改性的碳纖維的彎曲強度和彎曲模量分別為594 MPa和43.5 GPa;經過1 h氫氧化鎳改性后的NCF1試樣的彎曲強度和彎曲模量分別為644 MPa和47.6 GPa;繼續延長氫氧化鎳改性時間，改性碳纖維的彎曲強度和彎曲模量呈現先增加后減小的趨勢，在改性時間為3h時取得彎曲強度和彎曲模量最大值，分別為911 MPa和83.2 GPa。

從圖5（b）可見，NCF3試樣的最大彎曲應力最大，而NCF0試樣的最大彎曲應力最小，此外，當NCF3試樣到達最大應力后，彎曲應力-應變曲線后可見波浪形特征，這也就表明此時改性碳纖維在斷裂過程中并不是直接斷裂的，而是有一個緩沖過程，這主要與此時改性碳纖維中的氫氧化鎳顆粒可以起到增強界面結合性、抑制裂紋擴展的能力[14]，相應地彎曲強度會相對其他試樣更好。但是如果改性時間過長，碳纖維表面局部形成氫氧化鎳聚集，相應地會由于局部應力存在以及破壞了與基體結合力等原因降低了碳纖維的彎曲強度[15]。

3 結語

（1）未改性碳纖維NCF0在水中和在二碘甲烷中的接觸角分別為87.5°和64.2°;改性后的碳纖維在水中和在二碘甲烷中的接觸角呈現先減小后增大的特征，NCF3試樣在水中和在二碘甲烷中的接觸角取得最小值。未改性碳纖維NCF0的表面能為30 mN/m，NCF1、NCF2、NCF3和NCF4的表面能都相對未改性的碳纖維有所增加，且隨著改性時間延長，改性碳纖維的表面能呈現先增加后減小特征，NCF3試樣的表面能最大（70.5 μN/m）;

（2）NCF1、NCF2、NCF3和NCF4試樣的界面剪切強度分別相較未經改性的碳纖維分別提升26.2%、52.6%、82.1%和54.3%;

（3）未經過改性的碳纖維的彎曲強度和彎曲模量分別為594 MPa和43.5 GPa;延長氫氧化鎳改性時間，改性碳纖維的彎曲強度和彎曲模量呈現先增加后減小的趨勢，在改性時間為3 h時取得彎曲強度和彎曲模量最大值，分別為911 MPa和83.2 GPa;

（4）基于工程量清單計價模式的建筑碳纖維適宜的氫氧化鎳改性時間為3 h。

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