[發明專利]一種納米材料吸附鋼纖維及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 202110095755.4
• 申請日: 2021-01-25
• 公開（公告）號: CN112960927B
• 公開（公告）日: 2022-09-09
• 發明（設計）人: 劉鐵軍;周傲;魏慧男;鄒篤建;郭恒琿;闕子超
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學（深圳）;中科（廣州）環保建材科技有限責任公司
• 主分類號: C04B20/12
• 分類號: C04B20/12
• 代理公司: 北京高沃律師事務所 11569
• 代理人: 劉瀟

本發明提供了一種納米材料吸附鋼纖維及其制備方法和應用，涉及復合材料技術領域。本發明提供的納米材料吸附鋼纖維，包括鋼纖維以及包覆在所述鋼纖維表面的納米材料；所述鋼纖維和納米材料通過硅烷偶聯劑連接。本發明利用硅烷偶聯劑將納米材料緊緊吸附在鋼纖維表面，納米材料附帶的官能團(羧基、羥基)與水泥基體中水化硅酸鈣之間生成化學鍵，能夠提升鋼纖維?基體界面的化學結合力，大幅增加界面性能。與原有技術相比，本發明從納米尺度增強鋼纖維?基體界面化學結合力，對界面性能提升效果顯著；而且，納米材料吸附鋼纖維的制備過程較為簡單，可操作性和可復制性強。

技術領域

本發明涉及復合材料技術領域，具體涉及一種納米材料吸附鋼纖維及其制備方法和應用。

背景技術

鋼纖維水泥基復合材料是一種具有高強度和優異耐久性的新型水泥基復合材料，其抗壓強度為150～800MPa，抗折強度大于30MPa，設計工作壽命為100年以上，在高層建筑、大跨度結構、國防工程及海洋工程等領域具有廣闊的應用前景。但在水泥基材料中，鋼纖維的摻入將引入纖維-基體界面過渡區，此區域具有水灰比和孔隙率比基體高、氫氧化鈣定向排列等特點，是水泥基復合材料的薄弱層。由于鋼纖維-基體的界面粘結性能有限，鋼纖維水泥基復合材料的極限拉伸應變一般不超過0.5％，當處于彎曲、拉伸或者動力沖擊等狀態下，構件一旦開裂，裂縫將會迅速擴展(單縫開裂模式)，強度、耐久性急劇下降，導致建筑結構失效，甚至突然倒塌，嚴重威脅人身和財產安全。

鋼纖維水泥基復合材料界面性能由物理結合力和化學結合力兩部分組成。在鋼纖維-基體共同受力的條件下，纖維處于未滑移階段時，化學結合力發揮主要作用；當鋼纖維處于滑移階段時，物理結合力(物理摩擦力、錨固力)發揮主要作用。可見，物理結合力和化學結合力兩者協同工作，兩者均有獨特的作用。因此，提高鋼纖維水泥基復合材料界面性能需要對界面的物理、化學結合力進行改善。對于物理結合力，原有方法包括增加基體密實度、改變鋼纖維形狀、增加摻量等，但增加基體密實度對于界面性能提升幅度有限；改變鋼纖維形狀、增加鋼纖維摻量會大幅降低拌合物的流動性，不利于其在現澆工程中的應用。同時增加摻量還容易導致材料內部致密的鋼纖維網與外界環境形成閉合回路，增大發生電化學腐蝕的風險。在鋼纖維水泥基復合材料中，通過化學鍵形成的界面粘結力會比僅通過物理作用形成的界面粘結力強得多，從化學結合力角度出發更能有效提升界面性能。鋼纖維水泥基復合材料所用鋼纖維一般是鍍銅鋼纖維，鋼纖維與基體結合并不緊密，化學結合力非常弱。對于化學結合力，原有方法主要是通過磷酸鋅對鋼纖維進行改性，但此方法在整個改性過程中需維持90℃的高溫，消耗大量能源，且磷酸鋅中的磷和重金屬鋅離子會對水體和土壤造成污染，容易產生嚴重的環境問題。隨著人們對生態保護和可持續發展的日益關注，磷酸鋅的大規模應用受到阻礙。

發明內容

本發明的目的在于提供一種納米材料吸附鋼纖維及其制備方法和應用，采用本發明提供的納米材料吸附鋼纖維能夠顯著提高鋼纖維-基體界面的化學結合力，大幅增加界面性能。

為了實現上述發明目的，本發明提供以下技術方案：

本發明提供了一種納米材料吸附鋼纖維，包括鋼纖維以及包覆在所述鋼纖維表面的納米材料；所述鋼纖維和納米材料通過硅烷偶聯劑連接。

優選地，所述鋼纖維為鍍銅鋼纖維。

優選地，所述納米材料為納米碳材料；所述納米材料的尺寸為30μm以下。

優選地，所述硅烷偶聯劑為甲基三乙氧基硅烷。

優選地，所述硅烷偶聯劑的質量占鋼纖維質量的10～50％。

本發明提供了上述技術方案所述納米材料吸附鋼纖維的制備方法，包括以下步驟：

利用硅烷偶聯劑對鋼纖維表面進行疏水處理，得到疏水鋼纖維；

將所述疏水鋼纖維置于納米材料懸浮液中浸泡，得到納米材料吸附鋼纖維。