CN116161890B - 一种碳酸钙微纳米颗粒包覆碳纤维粉复合材料及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳酸钙微纳米颗粒包覆碳纤维粉复合材料的制备方法及其应用。所述复合材料包括经表面改性处理的碳纤维粉基体和包覆在纤维基体上的碳酸钙微粒，碳酸钙微粒尺寸为50‑500nm。制备方法包括：将经表面处理的碳纤维粉加入到氢氧化钙悬浮液中，然后通入二氧化碳气体，当反应体系PH达到7时，反应终止，离心干燥得到包覆复合产品。本发明提供的制备方法成本低，操作简单，不易引起环境污染，适合工业化连续大规模生产。
Description
技术领域
本发明涉及改性碳纤维材料技术领域，尤其涉及一种碳酸钙微纳米颗粒包覆碳纤维粉复合材料及其制备方法与应用。
背景技术
碳纤维具有高强度、高模量、耐高温、抗氧化以及良好的导电导热性能，在高性能纤维增强复合材料、航空航天以及建筑材料等众多领域有着广泛的应用前景。碳纤维粉是用高模量高强度碳纤维短切丝为原料，经过短切研磨获得的圆柱形微粒。它保留了碳纤维的众多优良性能，并且形状细小，比表面积大，是性能优良的复合材料增强填充料。建筑领域中，通常在混凝土中添加碳纤维、钢纤维等来提升混凝土的力学性能，但掺和料在混凝土中的分散性是影响混凝土性能提升的关键。
目前，对碳纤维的改性主要集中在混凝土内的粘接性能，通常为包覆二氧化硅或硅溶胶，对碳纤维在混凝土中的分散性并未涉及。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种碳酸钙微纳米颗粒包覆碳纤维粉复合材料及其制备方法与应用。通过对碳纤维粉表面包覆无机碳酸钙微粒，旨在促进碳纤维粉在基体材料中的分散性能，增强碳纤维粉和混凝土结合的表界面能，以获得整体机械性能更好的复合材料。同时，选择合适的方式对碳纤维粉表面氧化改性处理，在不降低碳纤维粉的原有强度下能够更好地实现碳酸钙微粒对其包覆作用。
本发明提供的一种碳酸钙微纳米颗粒包覆碳纤维粉复合材料，包括：经表面改性处理的碳纤维粉基体和包覆在纤维基体上的碳酸钙纳米颗粒；所述碳酸钙纳米颗粒的粒径为50-500nm。
需要说明的是，上述复合材料还可由经表面改性处理的碳纤维粉基体和包覆在纤维基体上的碳酸钙纳米颗粒组成。
优选地，所述碳酸钙纳米颗粒的质量为碳纤维粉基体质量的30-60%。
优选地，所述表面改性处理为5%H2O2-超声波处理。
本发明还提供了上述碳酸钙微纳米颗粒包覆碳纤维粉复合材料的制备方法，包括以下步骤：
20-25℃条件下，将经表面改性处理的碳纤维粉基体加入到氢氧化钙溶液中，搅拌均匀；再通入纯二氧化碳气体，至pH为中性，停止反应；离心分离、烘干即得。
优选地，搅拌速率为600-1000转/min。
优选地，在通入纯二氧化碳气体的过程中，同时维持搅拌状态。
优选地，通气速率为25-50mL/min。
优选地，所述表面处理具体为：碳纤维粉加入到5wt%H2O2溶液中，在超声波工作频率100kHz、15-25℃条件下处理10-20min，55-65℃烘干。
优选地，所述烘干温度为60±5℃，时间为24h。
优选地，所述氢氧化钙溶液的浓度为0.67g/L-1.33g/L。
本发明还提供了上述的碳酸钙微纳米颗粒包覆碳纤维粉复合材料在混凝土中的应用。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明通过对碳纤维粉进行表面改性处理，可以明显提高碳酸钙微粒的包覆效果；包覆碳酸钙微粒的碳纤维具有分散性强的特点，能显著提高混凝土的抗折强度。
本发明工艺简单，操作方便，适应性强可显著改善碳纤维复合材料的应用，使其掺杂于建筑混泥土材料，有效提高其力学性能。
附图说明
为更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中的附图作简单的介绍。
图1为本发明实施例中制备的碳酸钙微纳米颗粒包覆碳纤维粉复合材料的场发射扫描电镜（SEM）图；
其中，（a）碳酸钙含量为碳纤维粉基体含量的30%；（b）碳酸钙含量为碳纤维粉基体含量的40%；（c）碳酸钙含量为碳纤维粉基体含量的50%；（d）碳酸钙含量为碳纤维粉基体含量的60%。
图2为改性碳纤维粉样品溶液经过30min超声处理和30min超声处理后静置1h照片；
其中，（a）经过30min超声处理；（b）30min超声处理后静置1h。
图3为包覆碳酸钙微粒的碳纤维粉样品经过30min超声处理后的场发射扫描电镜（SEM）图。
图4为改性碳纤维粉(MCF)XRD衍射分析结果。
图5为三组砂浆碎块场发射扫描电镜（SEM）图；
其中，（a）未加入碳纤维粉；（b）加入0.25%质量分数未改性碳纤维粉；（c）加入0.25%质量分数碳酸钙微纳米颗粒包覆碳纤维粉复合材料。
图6为普通砂浆（CF@0%）、加入0.25%质量分数未改性碳纤维粉的砂浆(CF@0.25%)、加入0.25%质量分数表面改性碳纤维粉的砂浆(MCF@0.25%)的抗折强度对比图。
具体实施方式
下面结合多个实施例对本发明方案做进一步的举例说明。需要说明的是，本发明所涉及的试剂、设备、仪器等均为普通市售产品。
实施例1
本实施例是在碳酸钙质量比30%的条件下包覆碳纤维粉，其包括如下具体步骤。
S01：取10mL30%H2O2加入50mL去离子水 配置成60mL5%H2O2溶液，其中加入5g碳纤维粉，在超声波功率100%、15℃左右条件下处理10-20min得到表面改性碳纤维粉，碳纤维粉长度在30-70um左右。
S02：称取0.0504g氧化钙于200mL烧杯中加入100mL去离子水，20-25℃下在600-1000转/min条件下消化1h左右配置成浓度为0.67g/L-1.33g/L的氢氧化钙溶液。
S03：在消化好的氢氧化钙溶液中加入 0.3g经S01处理的碳纤维粉，20-25℃下600转/min搅拌5分钟左右，使样品在溶液中均匀分散
S04：在20-25℃下，向均匀混合了碳纤维粉的氢氧化钙溶液中通入纯二氧化碳气体，搅拌速率控制在600转/min；通气速率控制25mL/min左右，实时检测溶液PH，当其下降到7时，停止通气，反应结束。
S05：将反应液离心，去离子水洗涤3次，转速为2000转/min，最后将样品在恒温干燥箱中60℃左右干燥24h，得包覆产品。
实施例2
在步骤S02中，称取0.0672g氧化钙，即提高碳酸钙质量比为40%的条件下包覆碳纤维粉，其余步骤实施例1相同。
实施例3
在步骤S02中，称取0.084g氧化钙，即提高碳酸钙质量比为50%的条件下包覆碳纤维粉，其余步骤实施例1相同。
实施例4
在步骤S02中，称取0.1g氧化钙，即提高碳酸钙质量比为60%的条件下包覆碳纤维粉，其余步骤实施例1相同。
实施例5：效果实施例
按照表1配比设计了三组实验，制成40mm×40mm×160mm的长方体试件，分别在标准养护箱中养护3d、7d、28d，每个测试节点选取每组3块试件进行抗折强度测试，结果取其平均值。
表1
；
由图1可知，碳纤维上包覆了碳酸钙颗粒。
由图2可知，超声过程中以及静置处理后均未发现有明显白色碳酸钙出现，证明碳酸钙微粒与碳纤维粉结合较好，没有分相。
由图3可知，碳酸钙微粒仍较好的包覆在碳纤维粉表面，未发现碳酸钙微粒有脱落现象，证明碳酸钙微粒与碳纤维粉结合较好。
图4为MCF(改性碳纤维粉)XRD衍射分析结果，测试角度5-75°，扫速10°/min，结果显示碳纤维粉上包覆的是均一的碳酸钙相。
由图5（a）可知，没有加入碳纤维粉的普通砂浆碎块明显可见砂浆基体中布满了微细裂纹。由图5（b）可以看出未包覆碳酸钙微粒的碳纤维粉在砂浆基体中团聚较难分散开来。由图5（c）可以看到表面改性碳纤维粉在砂浆基体中分散较均匀、和砂浆基体材料结合紧密，起到桥接增强作用。
砂浆试件破坏过程大致可以分为三个阶段，由载荷导致的微小裂缝到裂缝不断延伸的亚临界最终在持续载荷的作用下失稳破坏。相比于未掺杂碳纤维粉的砂浆，素砂浆断裂过程偏向于脆性断裂，而掺杂的碳纤维粉能够有效减少砂浆内部裂缝的出现同时抑制微裂纹的生长，即在混凝土砂浆的裂缝处起到“桥接”增强的效果，当较大外力作用时不至于像素砂浆那样裂缝迅速扩张而失稳破坏。在数据上表现为掺杂碳纤维粉后，砂浆试块的抗折强度明显提高。相比于普通碳纤维粉，通过对碳纤维粉表面改性包覆碳酸钙微粒，能够提高其工作和易性以及在水泥基体系中的分散性，获得机械性能更均匀的水泥基复合材料。综合来说，改性碳纤维粉掺杂对水泥基复合材料的抗折强度提升最有效。
由图6可知，由于改性碳纤维粉在基体中较优的分散性能，随着改性碳纤维粉掺入，混凝土的抗折强度得到明显提升。当加入0.25%质量分数改性碳纤维粉时，其对应试件的3d、7d、28d抗折强度均为最大，对应龄期抗折强度分别比未掺杂碳纤维粉（CF@0%）的强度提高了22.7%、35.4%、42.5%；比掺杂0.25%未改性碳纤维粉（CF@0.25%）强度提高了11.2%、21.1%、6.5%。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (7)
1.一种碳酸钙微纳米颗粒包覆碳纤维粉复合材料，其特征在于，所述复合材料包括经表面改性处理的碳纤维粉基体和包覆在纤维基体上的碳酸钙纳米颗粒；所述碳酸钙纳米颗粒的粒径为50-500nm；所述碳酸钙纳米颗粒的质量为碳纤维粉基体质量的30-60%；所述表面改性处理为5%H2O2-超声波处理；其制备方法包括以下步骤：
20-25℃条件下，将经表面改性处理的碳纤维粉基体加入到氢氧化钙溶液中，搅拌均匀；再通入纯二氧化碳气体，至pH为中性，停止反应；离心分离、烘干即得。
2.根据权利要求1所述的碳酸钙微纳米颗粒包覆碳纤维粉复合材料，其特征在于，搅拌速率为600-1000转/min。
3.根据权利要求1所述的碳酸钙微纳米颗粒包覆碳纤维粉复合材料，其特征在于，通气速率为25-50mL/min。
4.根据权利要求1所述的碳酸钙微纳米颗粒包覆碳纤维粉复合材料，其特征在于，所述表面处理具体为：碳纤维粉加入到5wt%H2O2溶液中，在超声波功率100kHz、15-25℃条件下处理10-20min，离心分离，55-65℃烘干。
5.根据权利要求1所述的碳酸钙微纳米颗粒包覆碳纤维粉复合材料，其特征在于，所述烘干温度为60±5℃，时间为24h。
6.根据权利要求1所述的碳酸钙微纳米颗粒包覆碳纤维粉复合材料，其特征在于，所述氢氧化钙溶液的浓度为0.67g/L-1.33g/L。
7.权利要求1-6任一项所述的碳酸钙微纳米颗粒包覆碳纤维粉复合材料在混凝土中的应用。
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