本发明专利技术公开了一种改性碳纤维及其制法和改性碳纤维增强水泥基材料。该改性碳纤维为表面原位生长了纳米二氧化硅和碳纳米管的碳纤维。改性碳纤维的制备方法包括如下步骤：(1)碳纤维表面环氧涂层的去除；(2)碳纤维的表面氧化；(3)在表面氧化的碳纤维表面原位生长纳米二氧化硅；(4)在步骤(3)所得产物表面原位生长碳纳米管。本发明专利技术将纳米二氧化硅和碳纳米管同时原位生长在碳纤维表面，改性后的碳纤维将纳米二氧化硅的火山灰效应与纳米碳管的桥接成核作用结合，掺入水泥基材料中，可显著提高碳纤维与水泥基材料的界面强度，而且，改性碳纤维填充了水泥基材料的孔隙，使其结构更加致密，有效改善了水泥基材料的早期收缩性能。有效改善了水泥基材料的早期收缩性能。有效改善了水泥基材料的早期收缩性能。
【技术实现步骤摘要】
一种改性碳纤维及其制法和改性碳纤维增强水泥基材料
[0001]本专利技术涉及一种改性碳纤维及其制备方法和该改性碳纤维增强水泥基材料，属于碳纤维改性
技术介绍
[0002]水泥基材料是应用最广泛的传统材料，具有价格经济便宜、耐火性好、可按模板浇注制成多种形状的优势。但传统水泥基材料是脆性材料，由于早期自收缩、温降收缩和干燥收缩等因素，会使其出现微裂缝，并由此发展为宏观裂缝。对于超长的地下室结构和屋面结构而言，更容易因收缩而开裂。而水泥基材料一旦出现开裂，势必劣化其耐久性。
[0003]而纳米材料具有粒径小、表面能大等特点，可使水泥基材料的微观结构更加致密，能够提高水泥基材料的性能。其中，碳纤维因密度低、比强度和比模量高、耐化学腐蚀等优点，被应用于改善水泥基材料。已有研究表明，碳纤维能够有效提高水泥材料的强度，尤其是抗拉强度，也因此能够改善水泥基材料的收缩性能，提高水泥基材料的耐久性。但碳纤维能否有效改善水泥基材料的性能，主要取决于碳纤维和水泥基体的界面粘结强度。良好的界面粘结可以有效的传递载荷，从而提高水泥基材料的力学性能。但是，未经处理的碳纤维表面光滑且表面能较低，与水泥基体的界面粘结力弱，界面滑移阻力较小，在外力作用下，纤维与基体容易发生脱离，从而弱化了碳纤维改性水泥基材料的效果。这一缺陷严重限制了碳纤维在改性水泥基材料中的应用。因此，有必要对碳纤维进行表面改性，以提高碳纤维与水泥基体的界面粘结强度，从而提高碳纤维改性水泥基材料的效果。
[0004]另一方面，其它纳米材料也能够有效改善水泥基材料的性能，被广泛应用于水泥基材料中。目前，应用较多的有纳米二氧化硅和碳纳米管。纳米二氧化硅不仅具有良好的颗粒填充效应，还具有火山灰活性，并且在水泥水化初期，可作为水泥水化的形核位点，促进水泥水化。碳纳米管则因其自身极好的力学性能，能够显著改善水泥基材料的力学性能。但纳米二氧化硅和碳纳米管因水泥浆体的离子浓度高，易于团聚，难以均匀分散。因此，其对水泥基材料的改性效果难以充分发挥。
[0005]对此，如果能够发挥上述水泥基增强纳米材料的优势，克服其存在的问题，将能够有效改善水泥基材料的性能，保证改性水泥基材料效果的充分发挥。
技术实现思路
[0006]专利技术目的：针对现有的水泥基增强材料存在的与水泥基体界面粘结强度低、或在水泥基体中分散性差等问题，本专利技术提供一种能够有效增强与水泥基材料的界面粘结强度的改性碳纤维，并提供了一种该改性碳纤维的制备方法；另外，本专利技术还提供了一种该改性碳纤维增强水泥基材料。
[0007]技术方案：本专利技术所述的一种改性碳纤维，为表面原位生长了纳米二氧化硅和碳纳米管的碳纤维。
[0008]本专利技术所述的一种改性碳纤维的制备方法，包括如下步骤：
[0009](1)碳纤维表面环氧涂层的去除；
[0010](2)碳纤维的表面氧化；
[0011](3)在表面氧化的碳纤维表面原位生长纳米二氧化硅；
[0012](4)在步骤(3)所得产物表面原位生长碳纳米管。
[0013]上述步骤(1)中，去除碳纤维表面环氧涂层的方法可为：将碳纤维放入装有丙酮的容器中，在温度为75～85℃的条件下反应，反应结束后冷却至室温，将碳纤维取出，再在70～90℃下干燥，得到去除表面环氧涂层的碳纤维。优选的，本步骤中，反应时间为20～48h，干燥时间为1～3h。
[0014]上述步骤(2)中，表面氧化的方法可为：先将步骤(1)所得碳纤维浸入浓硝酸中，加热至70～80℃反应2～3h后取出；洗涤，干燥，得到干燥的氧化碳纤维。可选的，本步骤中，洗涤为先置于蒸馏水中浸泡5～10min，取出后再用乙醇冲洗3～5次；干燥为在温度为70～80℃的条件下干燥2～4h。作为优选的，浓硝酸的用量满足如下比例关系：原始碳纤维的质量与浓硝酸的体积比为1g:80～100ml。
[0015]步骤(3)中，在表面氧化的碳纤维表面原位生长纳米二氧化硅的方法具体为：
[0016]①
将表面氧化的碳纤维浸入硅烷偶联剂溶液中，70℃下恒温浸泡2～3h后取出，洗涤，干燥；
[0017]②
将步骤
①
所得碳纤维放入乙醇溶剂中，加入离子表面活性剂CTAB，搅拌均匀；
[0018]③
向步骤
②
所得混合物中添加氨水作为催化剂，超声波处理30～90min；
[0019]④
搅拌条件下，向步骤
③
所得混合物中滴加正硅酸乙酯，并在40℃～50℃的恒温下搅拌反应10～12h，得到表面原位生长纳米二氧化硅的碳纤维；
[0020]⑤
将步骤
④
得到的表面原位生长纳米二氧化硅的碳纤维从溶液中取出，洗涤、干燥即可。
[0021]步骤
①
中，优选的，硅烷偶联剂溶液的用量满足如下比例关系：原始碳纤维的质量与硅烷偶联剂溶液的体积比为1g:200～300ml，其中，硅烷偶联剂可为KH550等；优选的，洗涤为用乙醇洗涤2～3次，干燥为在70～80℃的条件下干燥2～4h。步骤
②
中，乙醇的用量满足如下关系：原始碳纤维的质量与乙醇的体积比优选为1g:400～600ml；优选的，CTAB在乙醇中的质量分数为1～3％。步骤
③
中，氨水与乙醇的体积比优选为1:20～25，用以提供反应碱性环境。步骤
④
中，正硅酸乙酯与乙醇的体积比优选为1:12～20。步骤
⑤
中，优选采用甲醇洗涤3～5次，然后再70～80℃的条件下干燥2～3h。
[0022]上述步骤(4)中，进一步表面原位生长碳纳米管的方法为：将表面原位生长了纳米二氧化硅的碳纤维与二茂铁混合均匀，所得混合物倒入容器中置于微波炉内，微波辐射10～30s，然后冷却至室温，得到表面原位生长纳米二氧化硅和碳纳米管的碳纤维。二茂铁吸收热量生成碳纳米管，通过控制微波辐射时间的长短来进行碳纳米管产量的控制，微波时间越长，可持续提供给碳纳米管生长所需的热量越多，碳纳米管的长度和数量就会有所提高；微波辐射时间低于10s，碳纳米管的生长量过少，微波辐射时间高于30s，碳纳米管生长量过多，可能会将纳米二氧化硅包覆住，从而劣化改性碳纤维的性能。其中，表面原位生长纳米二氧化硅的碳纤维与二茂铁的质量比优选为1:1～3。
[0023]本专利技术所述的一种改性碳纤维增强水泥基材料，包括水泥胶凝材料和上述的改性碳纤维，该改性碳纤维的掺量为水泥胶凝材料质量的0.3～1.2％。
[0024]专利技术原理：本专利技术利用原位生长纳米二氧化硅和碳纳米管改性碳纤维，首先，利用丙酮去除原始碳纤维表面的疏水涂层—环氧涂层，使其具有亲水性，便于后续反应的进行；其后，利用浓硝酸对碳纤维进行表面氧化，一方面，使碳纤维表面粗糙，便于纳米二氧化硅和碳纳米管的异质形核，另一方面，使碳纤维表面活化，提高其对离子的吸附能力，促进纳米二氧化硅和碳纳米管的原位生长；并且，因为纳米二氧化硅和碳纳米管原位生长在本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种改性碳纤维，其特征在于，所述改性碳纤维为表面原位生长了纳米二氧化硅和碳纳米管的碳纤维。2.一种权利要求1所述的改性碳纤维的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)碳纤维表面环氧涂层的去除；(2)碳纤维的表面氧化；(3)在表面氧化的碳纤维表面原位生长纳米二氧化硅；(4)在步骤(3)所得产物表面原位生长碳纳米管。3.根据权利要求2所述的改性碳纤维的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，将碳纤维放入装有丙酮的容器中，在温度为75～85℃的条件下反应，反应结束后冷却至室温，将碳纤维取出，再在70～90℃下干燥，得到去除表面环氧涂层的碳纤维。4.根据权利要求2所述的改性碳纤维的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述表面氧化的方法为：将步骤(1)所得去除表面环氧涂层的碳纤维浸入浓硝酸中，加热至70～80℃，反应2～3h后取出；洗涤，干燥，得到干燥的表面氧化的碳纤维。5.根据权利要求2所述的改性碳纤维的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述表面原位生长纳米二氧化硅的方法为：
①
将表面氧化的碳纤维浸入硅烷偶联剂溶液中，70℃下恒温浸泡2～3h后取出，洗涤，干燥；
②
将步骤
①
所得碳纤维放入乙醇溶剂中，加入离子表面活性剂CTAB，搅拌均匀；
③
向步骤<...
【专利技术属性】
技术研发人员：潘钢华，张玲玲，
申请(专利权)人：泰州市住房和城乡建设局，
类型：发明
国别省市：
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