碳纖維樹脂基復合材料的制備及在景觀設計中的應用

陳佳

摘 要：采用Hummers法制備氧化石墨烯，并通過上漿劑對碳纖維進行了表面修飾，制備不同處理方式的碳纖維增強環氧樹脂基復合材料。結果表明：經過上漿處理后試樣的后加工性能得到一定程度改善，而氧化石墨烯會在一定程度上增加碳纖維試樣的粗糙度和硬挺度。經過不同處理后的碳纖維增強環氧樹脂復合材料的層間剪切強度相對除漿碳纖維d-CF增強環氧樹脂復合材料要大，且小尺寸氧化石墨烯上漿處理的碳纖維增強環氧樹脂復合材料的層間剪切強度最大（47.50 MPa），其耐磨性為2 049次、毛絲量為4.9 mg、硬挺度為66 mm，適宜于在景觀設計中應用。

關鍵詞：氧化石墨烯;碳纖維;復合材料;表面修飾;力學性能

中圖分類號：TB324+.742 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2022）05-0145-04

Preparation of carbon fiber resin matrix composites and its application in landscape design

Abstract： Graphene oxide was prepared by Hummers method， and the surface of carbon fiber was modified by sizing agent， carbon fiber reinforced epoxy resin matrix composites with different treatment methods were prepared. The results show that after sizing， the post-processing properties of the samples are improved to a certain extent， while graphene oxide will increase the roughness and stiffness of carbon fiber samples to a certain extent. The interlaminar shear strength of carbon fiber reinforced epoxy resin composites after different treatments is larger than that of desizing carbon fiber d-CF reinforced epoxy resin composites， and the interlaminar shear strength of carbon fiber reinforced epoxy resin composites with small-size graphene oxide sizing treatment is the largest （47.50 MPa）， with 2 049 times of wear resistance， 4.9 mg of wool and 66 mm of stiffness， which is suitable for application in landscape design.

Key words： graphene oxide;carbon fiber;compound material;surface modification;mechanical property

碳纖維增強復合材料是以碳纖維或碳纖維織物為增強體、以樹脂等為基體所形成的復合材料，由于具有強度高、質量輕等優點，因而在現代化景觀建設[1]、航空航天制品等領域有著較為廣泛應用。然而，隨著人們對現代景觀建筑要求的提高，各個不同區域使用的材料的使用性能也在不同程度地得到了升級，而作為景觀建筑中應用較為普遍的碳纖維復合材料，其使用性能的優劣也在很大程度上決定其應用范圍[2-3]。為此，需要從碳纖維復合材料的制備角度出發來提升其加工性能、力學性能等，而復合材料的界面是影響其最終性能的關鍵因素，這主要是因為碳纖維與樹脂基之間的浸潤性較差，二者的界面粘結性能如果不改善就發揮不了復合材料的綜合性能優勢[4-6];基于碳纖維在高溫碳化處理后的表面活性官能團較少的特性，需要對碳纖維進行表面修飾，以提升其與樹脂基的粘結性能[7]。本文在調研相關文獻的基礎上[8-10]，提出采用氧化石墨烯對碳纖維進行表面改性的方法，并制備相應地環氧樹脂基復合材料，考察不同處理方式得到的復合材料的后加工性能和力學性能，以期提升碳纖維復合材料的綜合性能，并推動其在景觀設計中的應用。

1 試驗材料與方法

實驗原料包括石墨粉（化學純）、硝酸鈉（分析純）、濃硫酸（分析純）、雙氧水30%（分析純）、高錳酸鉀（分析純）、縮水甘油醚 E-51 型環氧樹脂（工業級）、上漿劑SA-1（工業級）、碳纖維T700SC和去離子水。

采用Hummers法制備氧化石墨烯，然后采用離心法（轉速離心9 900 r/min）對氧化石墨烯進行分離，分別沉淀得到不同尺寸的氧化石墨烯;采用上漿法將離心處理得到的氧化石墨烯加入到上漿劑SA-1（純樹脂的質量分數為5%）中攪拌15 min（固體質量分數設定為1.5%），得到不同尺寸氧化石墨烯修飾的碳纖維;采用真空袋壓法制備樹脂基復合材料，其固化工藝為室溫固化24 h后脫模，然后在78 ℃固化4 h，碳纖維的填充質量分數為60%，得到碳纖維增強環氧樹脂基復合材料。其中，除漿碳纖維簡稱d-CF、經過上漿的碳纖維稱為GO0-CF、未經離心分離的氧化石墨烯上漿后稱為GOc-CF、大尺寸氧化石墨烯和小尺寸氧化石墨烯經過上漿處理后分別稱為GO1-CF和GOs-CF，而碳纖維增強環氧樹脂基復合材料稱為CF/EP。

采用Olymplus GX51型光學顯微鏡、IT500型掃描電鏡和JEOL2100型透射電鏡觀察試樣的顯微形貌。取碳纖維試樣在聚氨酯棉塊上施加2 N壓力并測試摩擦后的增重，并計算10組試樣的平均毛絲量[11]。在LFY-200B型耐磨儀上測試試樣的耐磨性，結果為10組試樣平均值。試樣懸掛后機械退繞0.5 m長，測試距離懸掛點60 mm處的長度，并統計10組試樣的硬挺度平均值[12]。根據ASTM-2344標準，采用3點短梁法測試碳纖維增強環氧樹脂基復合材料的層間剪切強度[13]，試樣尺寸為20 mm×6 mm×3 mm，速度為2 mm/min，結果為10組試樣平均值。

2 試驗結果與分析

圖1為氧化石墨烯的形貌特征。

由圖1可知，氧化石墨烯懸浮液呈尿黃色，這主要是因為石墨烯在經過強氧化劑氧化處理后，許多含氧官能團（羧基、羥基等）會附著在氧化石墨烯片層上，并使得氧化石墨烯具有一定的親水屬性[14]而形成穩定懸浮液;在掃描電鏡和透射電鏡下，氧化石墨烯表面可見褶皺形態，呈現出片層結構特征。

圖2為不同尺寸的氧化石墨烯的顯微形貌。

由圖2可知，經過離心處理后得到的氧化石墨烯片層具有大、中、小3種不同尺寸，其中，尺寸較大的氧化石墨烯的直徑約16 μm、尺寸中等的氧化石墨烯的直徑約11 μm，而尺寸較小的氧化石墨烯的直徑基本在6 μm以下。

圖3為不同處理方式的碳纖維的表面顯微形貌。

由圖3可知，GO0-CF的顯微形貌中可見試樣表面較為光滑，局部區域可見輕微凸起;經過除漿處理后的d-CF表面可見縱向凹槽，這可能與紡絲過程中殘留的表面缺陷有關;經過上漿處理后，GO1-CF和GOs-CF表面都未見縱向凹槽存在，這主要與上漿過程中上漿劑已經在試樣表面成膜而填充了凹槽所致，但是仍然在試樣表面可見尺寸不等的氧化石墨烯片層存在，且大尺寸和小尺寸氧化石墨烯對試樣的表面形貌有明顯影響，這些微觀形貌的差異會對經過表面修飾的碳纖維的性能產生一定影響[15]。

表1為不同處理方式的碳纖維的后加工性能。對于除漿碳纖維d-CF，耐磨性為1 104次、毛絲量為12.8 mg、硬挺度為24 mm;經過上漿的碳纖維的耐磨性、毛絲量和硬挺度分別為2 197次、4.3 mg和65 mm，相對除漿碳纖維的耐磨性和硬挺度明顯長大、毛絲量明顯減小;未經離心分離的氧化石墨烯上漿后的試樣GOc-CF的耐磨性、毛絲量和硬挺度分別為1 934次、5.6 mg和70 mm。GO1-CF和GOs-CF的耐磨性分別為1 843次和2 049次、毛絲量分別為6.2 mg和4.9 mg、硬挺度分別為74 mm和66 mm，可見，大尺寸氧化石墨烯上漿處理的碳纖維試樣的耐磨性較低，但是毛絲量和硬挺度更大，而硬挺度越大則表示試樣的柔軟性越差，大尺寸氧化石墨烯上漿處理后的碳纖維的毛絲量更大，可能與氧化石墨烯在碳纖維表面分布不均，且由于尺寸較大而容易脫落有關[16]。整體而言，經過上漿處理后，試樣的后加工性能得到一定程度改善，而氧化石墨烯會在一定程度上增加碳纖維試樣的粗糙度和硬挺度。

圖4為不同處理方式的碳纖維增強環氧樹脂復合材料的層間剪切強度。

由圖4可知，除漿碳纖維d-CF增強環氧樹脂復合材料的層間剪切強度為34.05 MPa;GO0-CF、GOc-CF、GO1-CF和GOs-CF增強環氧樹脂復合材料的層間剪切強度分別為39.00、43.21、41.33和47.50 MPa。小尺寸氧化石墨烯上漿處理的碳纖維增強環氧樹脂復合材料的層間剪切強度最大，其次為未經離心分離的氧化石墨烯上漿后的碳纖維增強環氧樹脂復合材料。此外，大尺寸氧化石墨烯上漿后的碳纖維增強環氧樹脂復合材料的層間剪切強度較低，這主要與大的片層結構會減弱界面粘結有關，而小尺寸氧化石墨烯上漿后的碳纖維增強環氧樹脂復合材料由于具有較多的含氧官能團，且能夠在碳纖維上均勻分布氧化石墨烯而增加濕潤性[17]，有助于力的傳遞而使得復合材料具有較高的層間剪切強度。

圖5為不同處理方式的碳纖維增強環氧樹脂復合材料的斷口形貌，分布列出了大尺寸氧化石墨烯上漿后的碳纖維增強環氧樹脂復合材料和小尺寸氧化石墨烯上漿后的碳纖維增強環氧樹脂復合材料的斷口形貌差異。對比分析可知，2種環氧樹脂復合材料（GO1-CF/EP、GOs-CF/EP）的斷口形貌存在較大差異，其中，GO1-CF/EP的斷口中未見明顯環氧樹脂粘結，而GOs-CF/EP的碳纖維周圍都被環氧樹脂所包裹，這也就說明后者與環氧樹脂的粘結性更好，在層間剪切強度測試過程中，GOs-CF/EP中碳纖維與環氧樹脂間較好的粘結形態會有利于消除應力集中以及力的傳遞，因此層間剪切強度會相對較大，這與圖4的觀察結果相吻合。

3 結語

GO0-CF的表面較為光滑，局部區域可見輕微凸起;經過除漿處理后的d-CF表面可見縱向凹槽，而經過上漿處理后的GO1-CF和GOs-CF表面都未見縱向凹槽，但存在尺寸不等的氧化石墨烯片層。除漿碳纖維d-CF的耐磨性為1 104次、毛絲量為12.8 mg、硬挺度為24 mm;GO0-CF的耐磨性、毛絲量和硬挺度分別為2 197次、4.3 mg和65 mm;GOc-CF的耐磨性、毛絲量和硬挺度分別為1 934次、5.6 mg和70 mm。GO1-CF和GOs-CF的耐磨性分別為1 843次和2 049次、毛絲量分別為6.2 mg和4.9 mg、硬挺度分別為74 mm和66 mm，除漿碳纖維d-CF增強環氧樹脂復合材料的層間剪切強度為34.05 MPa;GO0-CF、GOc-CF、GO1-CF和GOs-CF增強環氧樹脂復合材料的層間剪切強度分別為39.00、43.21、41.33和47.50 MPa。所以本文察不同處理方式得到的復合材料的后加工性能和力學性能，提升碳纖維復合材料的綜合性能，并推動其在景觀設計中的應用，具有重要意義。

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收稿日期：2021-11-05;修回日期：2022-05-02

作者簡介：陳 佳（1989-），男，碩士，講師，研究方向：裝飾材料。