CN104724974A

CN104724974A - 一种碳纳米管-粘土改性树脂/玄武岩纤维复合筋材及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN104724974A
Application number: CN201510104834.1A
Authority: CN
Inventors: 刘小艳; 傅峰; 刘静; 许武军
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2015-03-10
Filing date: 2015-03-10
Publication date: 2015-06-24
Anticipated expiration: 2035-03-10
Also published as: CN104724974B

Abstract

本发明涉及一种碳纳米管-粘土改性树脂/玄武岩纤维复合筋材，包括以质量百分比计的以下组份组成：树脂基体40%-60%，碳纳米管-粘土1%-3%，玄武岩纤维39%-57%，制备方法是将树脂基体预热，在低搅拌速率下将碳纳米管-粘土加入到预热的树脂基体中，高速搅拌后进行超声波处理，真空排气，将玄武岩纤维浸渍到树脂中，然后加热固化，最后拉挤成型。获得的改性BFRP筋材，力学性能和耐久性能得到了提高，尤其是其弹性模量和延展性得到了改善。

Description

一种碳纳米管-粘土改性树脂/玄武岩纤维复合筋材及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于土木工程、桥梁工程以及海洋工程等混凝土结构工程技术领域，涉及一种增强混凝土结构的筋材改性，尤其涉及一种碳纳米管-粘土改性树脂/玄武岩纤维复合筋材及其制备方法和应用。

背景技术

钢筋混凝土结构一直饱受钢筋锈蚀的耐久性问题困扰，目前最常用的防腐蚀处理围绕强化钢筋抗腐蚀能力和改善混凝土密实性进行，但施工效果未如理想。近年来，利用纤维复合材料(FPR)筋替代普通钢筋和预应力钢筋被认为是比较行之有效的方法，人们主要利用碳纤维和玻璃纤维作为增强材料，碳纤维的性能最好但它的价格昂贵，而玻璃纤维在某些方面的应用具有局限性，为了克服碳纤维和玻璃纤维的局限性，人们广泛研究了对来源广泛、价格较为低廉、性能均衡的玄武岩纤维(BFRP)，但BFRP表面呈化学惰性，与基体树脂的浸润性差，导致玄武岩纤维无法充分发挥自身的力学性能优势，从而影响复合材料的各项性能，限制了其在混凝土结构中的应用。

发明内容

发明目的：针对现有技术存在的不足，本发明的第一个目的是提供一种碳纳米管-粘土改性树脂/玄武岩纤维复合筋材。本发明的第二个目的是提供了一种碳纳米管-粘土改性树脂/玄武岩纤维复合筋材的制备方法。本发明的第三个目的是提供了一种碳纳米管-粘土改性树脂/玄武岩纤维复合筋材的应用。

技术方案：为实现上述发明的目的，本发明采用的技术方案是：一种碳纳米管-粘土改性树脂/玄武岩纤维复合筋材，包括以质量百分比计的以下组份组成：树脂基体40%-60%，碳纳米管-粘土1%-3%，玄武岩纤维39%-57%。

其中，上述的树脂基体包含环氧大豆基改性的环氧树脂和固化剂，其中环氧大豆基树脂的质量分数为环氧树脂的10%，改性树脂与固化剂的质量比为100：33。上述的树脂基体为环氧大豆基树脂（epoxidized allyl soyate，简称EAS）改性的环氧树脂，EAS的质量为环氧树脂的10%。环氧树脂是目前生产中采用的较多的一种热固性树脂，粘度很低，具有良好的热稳定性能和抗腐蚀能力，但成本要高于聚酯树脂和酚醛树脂，环氧大豆基树脂是一种环保、低成本的绿色树脂，加入到环氧树脂中可以降低成本且改善其韧性，固化剂为市售的常规材料，可以为脂肪胺，如乙二胺、二乙烯三胺、二丙烯三胺、三甲基六亚甲基二胺等，也可为改性胺，如烷基醇胺、羟甲基二乙基三胺、马来酰亚胺等。

其中，上述的碳纳米管-粘土采用化学气相沉积的方法在粘土层间生长碳纳米管，形成剥离型粘土-碳纳米管结构。

上述的一种碳纳米管-粘土改性树脂/玄武岩纤维复合筋材的制备方法，包括以下步骤：将树脂基体预热，在低搅拌速率下将碳纳米管-粘土加入到预热的树脂基体中，高速搅拌后进行超声波处理，真空排气，将玄武岩纤维浸渍到树脂中后相互缠绕，然后加热固化，最后拉挤成型。

上述的一种碳纳米管-粘土改性树脂/玄武岩纤维复合筋材在混凝土结构中的应用。

有益效果：经过本发明的工艺成型的碳纳米管-粘土改性树脂/玄武岩纤维复合筋材，其极限拉伸强度提高了5.31%-11.36%，弹性模量提高了24.8%-33.5%，延伸率提高了8.78%-15.17%。

附图说明

图1是碳纳米管-粘土改性树脂/玄武岩纤维复合筋材的制备工艺图。

图中，1为玄武岩纤维丝，2为树脂基体，3为预成型模，4为缠绕设备，5为后固化装置，6为监控系统，7为压模，8为控制器，9为测力传感装置，10为牵引机，11为切割机。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明的具体实施方式：

图1是碳纳米管-粘土改性树脂/玄武岩纤维复合筋材的制备工艺图，纤维丝圈架上的玄武岩纤维丝圈1通过导线板浸渍在添加了碳纳米管-粘土、固化剂和EAS的环氧树脂基体2，然后经过预成型模3和缠绕设备4，使树脂初步固化并预成型，再通过后固化装置5进一步固化，再经过压模7，过程由监控系统6监控，压力由测力传感装置9传到控制器8控制，使BFRP筋材成型并由牵引机10牵引出来，最后由切割机11切割成合适的长度。

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

实施例1：

碳纳米管-粘土改性树脂/玄武岩纤维复合筋材，复合包括以质量百分比计的以下组份：树脂基体40%，碳纳米管-粘土3%，玄武岩纤维57%。所述的树脂是EAS改性的环氧树脂，EAS按环氧树脂质量的10%直接与环氧树脂共混，并加入固化剂，固化剂质量为共混树脂的33/100，搅拌均匀。所述的碳纳米管-粘土采用化学气相沉积（CVD）的方法在粘土层间生长碳纳米管：将适量Fe(NO₃)₃·9H₂O、Ni(NO₃)₂·6H₂O、Co(NO₃)₂·6H₂O按质量比为1:1:1溶解在二次蒸馏水中，然后加入纳米粘土，超声分散，搅拌12h，在80℃的空气中干燥24h。将干燥的Fe-Ni- Co/纳米粘土置于减压CVD装置中生长碳纳米管，碳源采用乙炔，生长温度为720℃，生长时间为0.5h，得到剥离型粘土-碳纳米管结构。

碳纳米管-粘土改性树脂/玄武岩纤维复合筋材制备方法，包括以下步骤：将树脂基体在80℃预热1h，在低搅拌速率（<300r/min）下将碳纳米管-粘土加入到预热的树脂基体中，高速搅拌（>5000r/min）后进行超声波处理，真空排气（温度80℃），然后将玄武岩纤维浸渍在树脂中，相互缠绕后加热固化（温度180℃），最后拉挤成型。

与未改性的环氧树脂/玄武岩纤维复合筋进行对照试验，按照美国标准（ACI440H）测试，经过计算结果表明：未改性BFRP筋的拉伸强度为1100MPa，弹性模量为55GPa，延伸率2.60%；改性后的BFRP筋材各项性能均有所提高，极限拉伸强度为1225MPa，提高了11.36%，弹性模量为73.43 GPa，提高了33.5%，延伸率为2.85%，提高了8.78%。

实施例2

碳纳米管-粘土改性树脂/玄武岩纤维复合筋材，复合包括以质量百分比计的以下组份：树脂基体60%，碳纳米管-粘土1%，玄武岩纤维39%。制备方法同实施例1。

试验过程参照实施例1，结果表明：未改性BFRP筋的拉伸强度为980MPa，弹性模量为47GPa，延伸率2.90%；本发明所述BFRP筋材的极限拉伸强度为1032MPa，提高了5.31%，弹性模量为58.66GPa，提高了24.8%，延伸率为3.34%，提高了15.17%。

实施例3

基本与实施例1相同，与实施例1不同之处在于复合包括以质量百分比计的以下组份：树脂基体50%，碳纳米管-粘土2%，玄武岩纤维48%。

试验过程参照实施例1，结果表明：未改性BFRP筋的拉伸强度为1043MPa，弹性模量为52GPa，延伸率2.73%；本发明所述BFRP筋材的极限拉伸强度为1122.3MPa，提高了7.60%，弹性模量为67.24GPa，提高了29.3%，延伸率为2.98%，提高了9.16%。

Claims

1.一种碳纳米管-粘土改性树脂/玄武岩纤维复合筋材，其特征在于，包括以质量百分比计的以下组份组成：树脂基体40%-60%，碳纳米管-粘土1%-3%，玄武岩纤维39%-57%。

2.根据权利要求1所述的一种碳纳米管-粘土改性树脂/玄武岩纤维复合筋材，其特征在于，所述的树脂基体包含环氧大豆基改性的环氧树脂和固化剂，其中环氧大豆基树脂的质量分数为环氧树脂的10%，改性树脂与固化剂的质量比为100：33。

3.根据权利要求1所述的所述的一种碳纳米管-粘土改性树脂/玄武岩纤维复合筋材，其特征在于，所述的碳纳米管-粘土采用化学气相沉积的方法在粘土层间生长碳纳米管，形成剥离型粘土-碳纳米管结构。

4.权利要求1~3任一项所述的一种碳纳米管-粘土改性树脂/玄武岩纤维复合筋材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将树脂基体预热，在低搅拌速率下将碳纳米管-粘土加入到预热的树脂基体中，高速搅拌后进行超声波处理，真空排气，然后将玄武岩纤维浸渍到树脂中，加热固化，最后拉挤成型。

5.权利要求1~3任一项所述的种碳纳米管-粘土改性树脂/玄武岩纤维复合筋材在混凝土结构中的应用。