CN110144733A - 碳纤维网格及其制备方法、复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了碳纤维网格及其制备方法、复合材料及其制备方法，碳纤维网格制备方法包括以下步骤：表面氧化处理，清洗烘干处理，制备树枝状大分子溶解液，引入树枝状大分子涂层，引入碳纳米管，清洗烘干处理，得到纳米化的碳纤维网格。本申请有效的提高了聚合物砂浆与碳纤维网格界面处的握裹力，从而满足建筑物加固工程中的力学性能要求。

Description

碳纤维网格及其制备方法、复合材料及其制备方法
技术领域
本公开一般涉及建筑物加固材料技术领域，尤其涉及碳纤维网格及其制备方法、复合材料及其制备方法。
背景技术
加固材料是建筑行业现阶段研究的热点之一。目前常用的建筑物加固材料包括：钢片、碳纤维织物和钢筋混凝土等。与上述加固材料相比碳纤维网格具有以下优点：具有高的比强度、比模量；质轻，与钢筋或钢片等传统加固材料相比能有效减轻自身的重量；有良好的物理化学稳定性，在酸性或碱性环境下能够保持良好的力学性能，从而大大扩展了其应用范围；具有良好的耐热性、耐火性以及蒸汽渗透性。
除此之外，碳纤维网格与聚合物砂浆协同作用，聚合物砂浆与加固对象也有很好的相容性。复合材料体系中存在碳纤维网格与聚合物砂浆的界面，界面处的粘结性能对其加固效果具有非常重要的意义。有效的提高聚合物砂浆与碳纤维网格界面处的握裹力是提高复合材料整体力学性能的关键，因此关于碳纤维网格与聚合物砂浆界面处力学性能及增强机理的研究逐渐成为当今碳纤维织物增强水泥基复合材料相关研究的热点之一。
碳纤维表面惰性大，极难与其他物质产生化学键的连接。因此欲到达力学性能要求必须对碳纤维进行表面改性。碳纤维表面的改性方法主要有：液相氧化法、气相氧化法和化学气相沉积法。
液化氧化法和气相氧化法是通过利用强酸或O3等氧化性较强的物质将碳纤维进行表面处理，碳纤维表面粗糙程度增加的同时会伴随其自身强度的降低。
化学气相沉积法是将碳纤维表面添加催化剂后放入C2H2气体环境下通过生长碳纳米管增加碳纤维表面粗糙程度，成本高不利于碳纤维织物产业化。
前面介绍的几种碳纤维表面处理的方法主要是通过增加表面粗糙度，提高界面处的机械啮合程度的物理增强手段来增加界面处粘接强度。无法满足工程中的力学性能要求。除此之外，聚合物砂浆中无机成分较多，无法实现其与改性碳纤维织物的有效化学连接。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供碳纤维网格及其制备方法、复合材料及其制备方法。
根据本发明的目的，提供一种碳纤维网格制备方法，包括如下步骤：
表面氧化处理，将碳纤维网格放入容器内，向容器内加入浓硝酸，然后进行水浴加热；
清洗烘干处理，所述碳纤维网格表面氧化完成后，用蒸馏水清洗掉所述碳纤维网格表面的浓硝酸，然后放入烘箱烘干；
制备树枝状大分子(PAMAM)溶解液，将偶联剂超声溶解在树枝状大分子(PAMAM)溶液内，得到树枝状大分子(PAMAM)溶解液；
引入树枝状大分子涂层，将经所述清洗烘干处理后的所述碳纤维网格浸入所述树枝状大分子(PAMAM)溶解液中浸泡；
引入碳纳米管，将经所述树枝状大分子(PAMAM)溶解液浸泡后的所述碳纤维网格用去离子水洗涤，再将所述碳纤维网格烘干，然后所述碳纤维网格浸入碳纳米管均匀分散液中进行搅拌；
清洗烘干处理，将经所述碳纳米管均匀分散液浸泡后的所述碳纤维网格用去离子水清洗多次，再用酒精进行清洗，然后将所述碳纤维网格烘干，得到纳米化的碳纤维网格。
优选地，表面氧化处理步骤中的浓硝酸的质量分数为60％-70％；水浴加热的温度为95-100摄氏度；水浴加热的时间为11-13小时。
优选地，所述制备树枝状大分子(PAMAM)溶解液步骤中的偶联剂为甲基氨六氧磷酸盐氮氧化物(HATU)；所述树枝状大分子(PAMAM)溶液是以树枝状大分子(PAMAM)为溶质、二甲基甲酰胺为溶剂配置而成；所述树枝状大分子(PAMAM)溶解液的浓度为10-5-10-3mol/L。
优选地，所述引入树枝状大分子涂层步骤中的浸泡时间为2-6小时。
优选地，所述引入碳纳米管步骤中的碳纳米管为羟基化多壁碳纳米管；所述碳纳米管均匀分散液的温度为40-70摄氏度，搅拌的时间为2-6小时。
根据本发明的目的，又提供一种碳纤维网格，所述碳纤维网格是采用上述的碳纤维网格制备方法制备而成的。
根据本发明的目的，另提供一种复合材料制备方法，包括以下步骤：
制备纤维素类物质溶液，将纤维素类物质与蒸馏水配置成溶液，对所述溶液进行磁力搅拌，再将所述溶液静置，得到纤维素类物质溶液；
聚合物砂浆改性处理，将所述纤维素类物质溶液与聚合物砂浆混合均匀得到改性的聚合物砂浆；
制备复合材料，将所述改性的聚合物砂浆涂敷在涂有界面剂的加固对象表面，形成内砂浆层，再将权利要求6所述的碳纤维网格平铺到所述内砂浆层上面，形成碳纤维网格层，然后再将所述改性的聚合物砂浆涂敷在所述碳纤维网格层上面，形成外砂浆层，最终形成由内砂浆层、碳纤维网格层、外砂浆层构成的三明治结构的碳纤维织物增强水泥基复合材料。
优选地，所述制备纤维素类物质溶液步骤中的磁力搅拌在35-45摄氏度环境下进行搅拌；所述磁力搅拌时间为1-3小时；所述溶液静置时间为5-10分钟。
优选地，所述制备复合材料步骤中的所述内砂浆层的厚度为4-6毫米；所述外砂浆层的厚度为9-11毫米。
根据本发明的目的，又提供一种复合材料，所述复合材料是采用上述的复合材料制备方法制备而成的。
相对于现有技术而言，本申请的有益效果是：
(1)碳纤维网格制备方法中，硝酸氧化碳纤维网格清除了碳纤维网格表面底胶；增加了碳纤维表面的粗糙程度；在碳纤维表面引入羧基等极性基团，增加碳纤维网格的表面化学活性。
(2)碳纤维网格制备方法中，引入树枝状大分子涂层后，增加了碳纤维网格的表面润湿性；树枝状大分子富含氨基，可以增加碳纤维网格表面的化学活性。
(3)碳纤维网格制备方法中，引入碳纳米管增加了碳纤维网格表面的粗糙程度；实现了与纤维素类物质的化学连接。
(4)复合材料制备方法中，纤维素类物质的引入，使得在纳米化的碳纤维网格与改性的聚合物砂浆的界面处形成大量氢键，增加了两者之间的握裹力，提高了复合材料的力学性能，满足加固工程中对加固材料力学性能的要求。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本申请提供的一种碳纤维网格制备方法的流程示意图；
图2为本申请提供的一种复合材料制备方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
实施例1
请参考图1，为本实施例提供的一种碳纤维网格制备方法的流程图，包括以下步骤：
S11表面氧化处理，将裁切合适的碳纤维网格放入烧杯内，向烧杯内加入质量分数为69％的浓硝酸，然后进行100℃水浴加热12h，硝酸氧化碳纤维网格清除了碳纤维网格表面底胶，增加碳纤维表面的粗糙程度，在碳纤维表面引入羧基等极性基团，增加了碳纤维网格的表面化学活性；
S12清洗烘干处理，碳纤维网格表面氧化完成后，用蒸馏水清洗掉4-5次，然后放入烘箱，40℃烘干3h；
S13制备树枝状大分子(PAMAM)溶解液，将0.05g树枝状大分子(PAMAM)和0.005g甲基氨六氧磷酸盐氮氧化物(HATU)为原料，溶于100ml二甲基甲酰胺中，超声溶解3h，得到浓度为10-5-10-3mol/L树枝状大分子(PAMAM)溶解液；
S14引入树枝状大分子涂层，将经清洗烘干处理后的碳纤维网格浸入树枝状大分子(PAMAM)溶解液中浸泡3h，引入树枝状大分子涂层后，增加了碳纤维网格的表面润湿性，树枝状大分子富含氨基，可以增加碳纤维网格表面的化学活性；
S15引入碳纳米管，将经树枝状大分子(PAMAM)溶解液浸泡后的碳纤维网格用去离子水洗涤，烘干后，将其浸入羟基化多壁碳纳米管均匀分散液中60℃搅拌4h，引入碳纳米管增加了碳纤维网格表面的粗糙程度，实现了与纤维素类物质的化学连接；
S16清洗烘干处理，将经羟基化多壁碳纳米管均匀分散液浸泡后的碳纤维网格用去离子水清洗多次，最后再用酒精进行清洗，然后烘干，得到纳米化的碳纤维网格。
本实施例还提供了一种碳纤维网格，所述碳纤维网格是采用上述的碳纤维网格制备方法制备而成的。
实施例2
请参考图2，为本实施例提供的一种复合材料制备方法的流程示意图，包括以下步骤：
S21制备纤维素类物质溶液，将294mg纤维素溶解于98g蒸馏水中，40℃磁力搅拌2h，静置10min，得到纤维素类物质溶液；
S22聚合物砂浆改性处理，将上述纤维素类物质溶液与600g聚合物砂浆混合均匀，得到改性的聚合物砂浆；
S23制备复合材料，将改性的聚合物砂浆涂敷在涂有界面剂的加固对象表面，形成4-6mm厚的内砂浆层，再将实施例1中得到的纳米化的碳纤维网格平铺到内砂浆层上面，形成碳纤维网格层，然后再将改性的聚合物砂浆涂敷在碳纤维网格层上面，形成9-11mm厚的外砂浆层，最终形成由内砂浆层、碳纤维网格层、外砂浆层构成的三明治结构的碳纤维织物增强水泥基复合材料。
纤维素类物质的引入，使得在纳米化的碳纤维网格与改性的聚合物砂浆的界面处形成大量氢键，增加了两者之间的握裹力，提高了复合材料的力学性能，满足加固工程中对加固材料力学性能的要求。
本实施例还提供了一种复合材料，所述复合材料是采用上述的复合材料制备方法制备而成的。
取上述碳纤维织物增强水泥基复合材料试样，在20℃和70％相对湿度的实验室条件下养护28天，满足加固强度要求。
实施例3
请参考图1，为本实施例提供的一种碳纤维网格制备方法的流程图，包括以下步骤：
S11表面氧化处理，将裁切合适的碳纤维网格放入烧杯内，向烧杯内加入质量分数为69％的浓硝酸，然后进行100℃水浴加热12h，硝酸氧化碳纤维网格清除了碳纤维网格表面底胶，增加碳纤维表面的粗糙程度，在碳纤维表面引入羧基等极性基团，增加了碳纤维网格的表面化学活性；
S12清洗烘干处理，碳纤维网格表面氧化完成后，用蒸馏水清洗掉4-5次，然后放入烘箱，40℃烘干3h；
S13制备树枝状大分子(PAMAM)溶解液，将0.1g树枝状大分子(PAMAM)和0.005g甲基氨六氧磷酸盐氮氧化物(HATU)为原料，溶于100ml二甲基甲酰胺中，超声溶解3h，得到浓度为10-5-10-3mol/L树枝状大分子(PAMAM)溶解液；
S14引入树枝状大分子涂层，将经清洗烘干处理后的碳纤维网格浸入树枝状大分子(PAMAM)溶解液中浸泡3h，引入树枝状大分子涂层后，增加了碳纤维网格的表面润湿性，树枝状大分子富含氨基，可以增加碳纤维网格表面的化学活性；
S15引入碳纳米管，将经树枝状大分子(PAMAM)溶解液浸泡后的碳纤维网格用去离子水洗涤，烘干后，将其浸入羟基化多壁碳纳米管均匀分散液中60℃搅拌4h，引入碳纳米管增加了碳纤维网格表面的粗糙程度，实现了与纤维素类物质的化学连接；
S16清洗烘干处理，将经羟基化多壁碳纳米管均匀分散液浸泡后的碳纤维网格用去离子水清洗多次，最后再用酒精进行清洗，然后烘干，得到纳米化的碳纤维网格。
本实施例还提供了一种碳纤维网格，所述碳纤维网格是采用上述的碳纤维网格制备方法制备而成的。
实施例4
请参考图2，为本实施例提供的一种复合材料制备方法的流程示意图，包括以下步骤：
S21制备纤维素类物质溶液，将392mg纤维素溶解于98g蒸馏水中，40℃磁力搅拌2h，静置10min，得到纤维素类物质溶液；
S22聚合物砂浆改性处理，将上述纤维素类物质溶液与600g聚合物砂浆混合均匀，得到改性的聚合物砂浆；
S23制备复合材料，将改性的聚合物砂浆涂敷在涂有界面剂的加固对象表面，形成4-6mm厚的内砂浆层，再将实施例3中得到的纳米化的碳纤维网格平铺到内砂浆层上面，形成碳纤维网格层，然后再将改性的聚合物砂浆涂敷在碳纤维网格层上面，形成9-11mm厚的外砂浆层，最终形成由内砂浆层、碳纤维网格层、外砂浆层构成的三明治结构的碳纤维织物增强水泥基复合材料。
纤维素类物质的引入，使得在纳米化的碳纤维网格与改性的聚合物砂浆的界面处形成大量氢键，增加了两者之间的握裹力，提高了复合材料的力学性能，满足加固工程中对加固材料力学性能的要求。
本实施例还提供了一种复合材料，所述复合材料是采用上述的复合材料制备方法制备而成的。
取上述碳纤维织物增强水泥基复合材料试样，在20℃和70％相对湿度的实验室条件下养护14天，满足加固强度要求。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (10)

1.一种碳纤维网格制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
表面氧化处理，将碳纤维网格放入容器内，向容器内加入浓硝酸，然后进行水浴加热；
清洗烘干处理，所述碳纤维网格表面氧化完成后，用蒸馏水清洗掉所述碳纤维网格表面的浓硝酸，然后放入烘箱烘干；
制备树枝状大分子溶解液，将偶联剂超声溶解在树枝状大分子溶液内，得到树枝状大分子溶解液；
引入树枝状大分子涂层，将经所述清洗烘干处理后的所述碳纤维网格浸入所述树枝状大分子溶解液中浸泡；
引入碳纳米管，将经所述树枝状大分子溶解液浸泡后的所述碳纤维网格用去离子水洗涤，再将所述碳纤维网格烘干，然后所述碳纤维网格浸入碳纳米管均匀分散液中进行搅拌；
清洗烘干处理，将经所述碳纳米管均匀分散液浸泡后的所述碳纤维网格用去离子水清洗多次，再用酒精进行清洗，然后将所述碳纤维网格烘干，得到纳米化的碳纤维网格。
2.根据权利要求1所述的碳纤维网格制备方法，其特征在于，所述表面氧化处理步骤中的浓硝酸的质量分数为60％-70％；所述水浴加热的温度为95-100摄氏度；所述水浴加热的时间为11-13小时。
3.根据权利要求2所述的碳纤维网格制备方法，其特征在于，所述制备树枝状大分子溶解液步骤中的偶联剂为甲基氨六氧磷酸盐氮氧化物；所述树枝状大分子溶液是以树枝状大分子为溶质、二甲基甲酰胺为溶剂配置而成；所述树枝状大分子溶解液的浓度为10-5-10- 3mol/L。
4.根据权利要求3所述的碳纤维网格制备方法，其特征在于，所述引入树枝状大分子涂层步骤中的浸泡时间为2-6小时。
5.根据权利要求4所述的碳纤维网格制备方法，其特征在于，所述引入碳纳米管步骤中的所述碳纳米管为羟基化多壁碳纳米管；所述碳纳米管均匀分散液的温度为40-70摄氏度，搅拌的时间为2-6小时。
6.一种碳纤维网格，其特征在于，所述碳纤维网格是采用权利要求1-5中任一项所述的碳纤维网格制备方法制备而成的。
7.一种复合材料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
制备纤维素类物质溶液，将纤维素类物质与蒸馏水配置成溶液，对所述溶液进行磁力搅拌，再将所述溶液静置，得到纤维素类物质溶液；
聚合物砂浆改性处理，将所述纤维素类物质溶液与聚合物砂浆混合均匀得到改性的聚合物砂浆；
制备复合材料，将所述改性的聚合物砂浆涂敷在涂有界面剂的加固对象表面，形成内砂浆层，再将权利要求6所述的碳纤维网格平铺到所述内砂浆层上面，形成碳纤维网格层，然后再将所述改性的聚合物砂浆涂敷在所述碳纤维网格层上面，形成外砂浆层，最终形成由内砂浆层、碳纤维网格层、外砂浆层构成的三明治结构的碳纤维织物增强水泥基复合材料。
8.根据权利要求7所述的复合材料制备方法，其特征在于，所述制备纤维素类物质溶液步骤中的磁力搅拌在35-45摄氏度环境下进行搅拌；所述磁力搅拌时间为2小时；所述溶液静置时间为5-10分钟。
9.根据权利要求7所述的复合材料制备方法，其特征在于，所述制备复合材料步骤中的所述内砂浆层的厚度为4-6毫米；所述外砂浆层的厚度为9-11毫米。
10.一种复合材料，其特征在于，所述复合材料是采用权利要求7-9中任一项所述的复合材料制备方法制备而成的。
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