[发明专利]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

说明书

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。

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。