Tensile and compressive properties and crack distribution of polyethylene fiber reinforced high ductile alkali-activated slag composites
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摘要: 在碱激发作用下，以矿粉为主要原材料，粉煤灰为辅助材料，共同制备聚乙烯(PE)纤维增强高延性碱矿渣复合材料。通过轴向拉、压实验，研究不同养护龄期(1天、3天、7天、28天、56天、120天)下材料的拉压性能，并借助数字图像技术(DIC)对裂缝进行了表征。结果表明：高延性碱矿渣表现出较好的延性，具有早强特征。7天强度值可达极限强度的84%以上(极限拉压强度分别为5.05 MPa、91.24 MPa)，拉伸应变可达5.74%，多缝开裂基本饱和；28天后拉压性能趋于稳定(拉压强度、拉伸应变分别保持在6 MPa、100 MPa、6%)；DIC数字分析云图直观地描述了裂缝的形成及发展过程，可从一定程度上对开裂破坏方向及位置进行可靠预判。Abstract: Activated by alkaline activator, polyethylene (PE) fiber reinforced high ductile alkali-activated slag composites were prepared using slag as the main raw material and fly ash as auxiliary material. The tensile and compressive properties of the composites under different curing ages (1 day, 3 days, 7 days, 28 days, 56 days and 120 days) were studied through uniaxial tensile and compressive tests, and the cracks were characterized by a digital image correlation technology (DIC). The results show that the alkali-activated slag owns a good high ductility and early strength. The strength value at 7 days can reach more than 84% of the ultimate strengths (the ultimate tensile and compressive strengths are 5.05 MPa and 91.24 MPa, respectively), 5.74% for the tensile strain, and the multi-cracking is basically saturated. After 28 days, the tensile and compressive properties become stable (tensile and compressive strengths and tensile strain keep around 6 MPa, 100 MPa and 6%, respectively). DIC analysis cloud maps visually describe the formation and propagation of cracks, which can be applied to predict reliably the direction and location of cracks to a certain extent.
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超疏水涂层材料因其特殊表面结构，在自清洁[1-2]、油水分离[3-4]、防腐蚀[5-6]、防结冰[7-8]、防雾[9-10]抗生物附着[11]等领域具有广阔的应用前景，因而备受人们的关注。然而，超疏水复合涂层材料容易遭受紫外光[12]、细菌[13]等外界环境的影响而失去超疏水性能[14]，使其应用受限。因此，制备具有耐久性超疏水复合涂层材料成为研究热点。
制备特殊性能涂层或自修复型的耐久超疏水材料逐渐成为一个重要趋势。Huang等[15]将具有低表面能的SiO2纳米颗粒与甲基硅树脂掺杂复合，通过提高涂层和基材间的粘合强度，机械磨损后仍保留一定的粗糙结构来得到超疏水涂层的持久来源。Chen等[16]通过使用TiO2和SiO2纳米粒子乳液聚合成功地合成了对紫外线敏感的微胶囊，以制造全水基自修复超疏水涂层。其对环境友好，可以很容易地涂覆在各种基材上。Wu等[17]通过简单地热处理SiO2胶体模板法构造出3D凹状结构，其超疏水疏油表面在高温酸碱等苛刻条件下可保持良好的稳定性，同时还具有一定的自修复稳定性。
有研究[18-19]报道，光热转换材料其吸光升温性能是其最重要的特性，在外部光源照射下将光转化为热，进而可以防结冰。本实验将通过制备具有光热转换功能的超疏水防结冰复合涂层材料来获得具有一定耐久性。同时深入探究复合涂层材料的结构和超疏水、耐磨、光热转换和防结冰等性能。
目前，普鲁士蓝(PB)作为一种光热转换材料用于癌症治疗、杀菌[20]，但作为光热转换材料应用于防结冰的研究少见。本文首先制备氟化超支化聚氨酯(FHPU)，含氟物质可大幅降低材料表面能得到高疏水性。同时具有良好的保护[21]作用，然后与PB纳米粒子进行复合，制得具有光热转化性能涂层。
1. 实验材料及方法
1.1 原材料
聚碳酸酯二醇(PCDL)工业级，旭化成精细化工有限公司；甲苯-2,4-二异氰酸酯(TDI)，武汉江北化学试剂工厂；季戊四醇(PE)、二月桂酸二丁基锡(DBTDL)，阿拉丁；丙酮、N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)，国药集团；全氟辛醇、普鲁士蓝(PB)，麦克林。以上均为分析纯。
PCDL在120℃下，真空干燥4 h；丙酮和NMP加入4A分子筛1天干燥除水；其他原料未做处理，均可直接使用。
1.2 FHPU的制备
将5 g PCDL加入40 mL的丙酮，在装有聚四氟乙烯搅拌棒，冷凝管和N2导管的四口烧瓶中搅拌几分钟，将3.5 g的TDI溶于40 mL的丙酮后加入到上述溶液，滴加0.098 g的DBTDL，在70℃连续搅拌下反应2 h，得到聚氨酯预聚物；然后将0.5 g的PE溶于10 mL的NMP中，加入到聚氨酯预聚物中，温度保持不变反应2 h，得到支化后的聚氨酯；最后，将5.5 g的全氟辛醇溶于20 mL的丙酮后加入到上述溶液中，升温到80℃后反应2 h得到FHPU。其合成路线如图1所示。
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图 1 氟化聚氨酯(FHPU)的合成Figure 1. Synthesis route of fluorinated hyperbranched polyurethane (FHPU)PCDL—Polycarbonate diol; DBTDL—Dibutyltin dilaurate; TDI—Toluene diisocyanate表 1 FHPU和13%普鲁士蓝(PB)/FHPU不同失重时的温度Table 1. Temperature of mass loss of FHPU and 13% Prussian blue (PB)/FHPUSample Mass ratio of PB to FHPU/% 10%PB/FHPU 10 11%PB/FHPU 11 13%PB/FHPU 13 15%PB/FHPU 15 17%PB/FHPU 17 20%PB/FHPU 20 1.3 PB/FHPU超疏水复合涂层材料的制备
称取一定质量的PB纳米粒子和10 g制得的FHPU，混合、超声分散20 min后，喷涂到载玻片表面，然后在真空干燥箱中，50℃干燥6 h，即得PB/FHPU超疏水复合涂层材料。其中，PB占FHPU的质量比分别为10%、11%、13%、15%、17%和20%，将其对应制备出的超疏水涂层分别记为10%PB/FHPU、11%PB/FHPU、13%PB/FHPU、15%PB/FHPU、17%PB/FHPU和20%PB/FHPU (见表1）。制备方法如图2所示。
1.4 测试与表征
红外测试(FTIR)：采用美国热电集团分子光谱部Nicolet IS50 Thermofisher USA型号的红外光谱仪对纯FHPU和13%PB/FHPU进行官能团分析，测试范围为4000~500 cm−1。
热重测试(TGA)：FHPU在聚四氟乙烯板成膜，并由瑞士梅特勒公司型号为XPI的热重仪器对膜和复合涂层进行热稳定性分析，所选用的气氛为N2，升温速率为20℃/min。
差式扫描量热分析(DSC)：采用美国TA Instrument型号为Q2000的DSC测试仪器对所得膜和复合涂层进行分析，选用的气氛为N2，升温速率为10℃/min。
场发射扫描电镜分析(FESEM)：用日本电子株式会社的型号为JSM7100F的场发射扫描电镜对不同质量分数的PB复合涂层及FHPU超疏涂层表面形貌进行分析。
X射线光电子能谱分析(XPS)：用美国赛默飞世尔公司的型号为250Xi X射线光电子能谱仪进行超疏表面成分分析。
紫外分光光度分析(UV)：用上海美谱达仪器有限公司UV-1800PC型紫外可见分光光度计进行紫外分析。
耐磨性测试：将有超疏水涂层的载玻片用双面胶粘在50 g的砝码上，将有涂层的一面朝向砂纸(15 μm)，然后用手向前推进10 cm，之后向后推进返回原位，此记录为一个周期；每一个周期测量一次其接触角。
光热性能测试：分别将纯FHPU、10%PB/FHPU、11%PB/FHPU、13%PB/FHPU、15%PB/FHPU，17%PB/FHPU和20%PB/FHPU。制得的涂层置于808 nm激光下照射。其中，激发光源距离涂层表面2 cm，照射时长每个样品10 min，并且每隔10 s记录一次样品表面温度。
冻雨测试：将去离子水放入−20℃下2 h后取出，制得过冷水。然后将过冷水在涂层上方10 cm处滴落，观察水滴运动情况。
2. 结果与讨论
2.1 PB/FHPU的微观结构
FHPU和13%PB/FHPU的FTIR分析结果如图3所示。3446 cm−1处的峰归属于—NHCO—中的N—H伸缩振动；2932 cm−1处的峰归属于—CH2的伸缩振动；1741 cm−1处的峰归属于PCDL里的C=O的伸缩振动峰；1670 cm−1处的峰归属—NHCO—的C=O的伸缩振动峰；1260 cm−1处的峰归属于C—F的伸缩振动峰；2085 cm−1是PB特征峰；此外，在2200 cm−1附近的峰消失，说明—NCO基团已经反应完全，同时，Fe3+和羰基配位，导致13%PB/FHPU的FTIR图谱中，在1741 cm−1处和1670 cm−1处的羰基峰被屏蔽或者被PB的特征峰覆盖，3446 cm−1的峰发生蓝移，以上都说明了FHPU的成功合成。
2.2 PB/FHPU的热稳定性
FHPU、13%PB/FHPU的热重曲线如图4所示。可以看到，140℃左右，FHPU的硬段开始分解，320℃左右，FHPU的软段开始分解；从表2可知，FHPU和13%PB/FHPU失重5wt%时的温度分别是164℃和174℃，FHPU和13%PB/FHPU失重50wt%时的温度分别是289℃和296℃，都说明了PB的加入增强了FHPU的热稳定性能；在189℃附近，两条曲线出现交点，说明由于PB开始分解，导致13%PB/FHPU的失重迅速。FHPU最后的残留为3.37%；而13%PB/FHPU最后的残留为23.98%，与理论计算的24.97%相近，说明了FHPU和PB的成功复合。
表 2 FHPU 和13%PB/FHPU不同失重时的温度Table 2. Temperatures of mass loss of FHPU and 13%PB/FHPUMaterial Td5/℃ Td10/℃ Td50/℃ FHPU 164 190 289 13%PB/FHPU 174 189 296 Notes: Td5—Temperature of mass loss 5%; Td10—Temperature of mass loss 10%; Td50—Temperature of mass loss 50%. 2.3 PB/FHPU的耐热性能
图5为FHPU和13%PB/FHPU的差式扫描量热曲线。可以发现FHPU的玻璃化转变温度Tg为−13.26℃，并且没有出现结晶的放热峰和熔融的吸热峰，这两个现象都说明FHPU为不定形的。相比较于FHPU纯聚合物来说，13%PB/FHPU的Tg增加到−9.97℃，这个是由于PB纳米粒子的加入限制了聚氨酯链段的移动。由此可见，PB的加入提高了聚氨酯的耐热性能。
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图 5 FHPU和13%PB/FHPU的差式扫描量热曲线Figure 5. Differential scanning calorimetry curves of FHPU and 13%PB/FHPU2.4 PB/FHPU的疏水性
图6为涂层水接触角随PB含量的变化。可以看出随着PB含量的增加，涂层的水接触角先增大后减小，含量从0%到20%的接触角依次为：(110±6)°、(142±1.9)°、(146±2.2)°、(157±1.5)°、(155±1.8)°、(154±1.9)°、(146±1.7)°，含量为13%时达到最大值157°，具有较好的超疏水效果。可见纯FHPU也具有较好的疏水性能，在PB含量加到13%时接触角最大，为157°，并且13%PB/FHPU的滚动角为1.8°，具有较好的超疏水效果。
2.5 PB/FHPU的化学组成
图7是C元素的XPS图谱。其中284.5 eV结合能表明C—C键的存在，285.8 eV说明了C—N/C—O的存在，288.7 eV证明了C=O的生成，291.4 eV和294 eV表明CF2和CF3的存在，些也说明了FHPU的成功合成。图8是Fe元素的XPS图谱。708.3 eV的结合能表示的是Fe的2p3/2轨道，721.2 eV表示的是Fe的2p1/2轨道，即三价和二价的铁离子存在，证明了FHPU和PB成功复合。
表3为不同PB添加量复合涂层表面元素比例。可以看到13%PB/FHPU的F含量最高，表示该组份的涂层表面能最低；Fe含量适中，说明该组份涂层具有一定的微纳结构，这些也证明了当PB含量达到13%时，涂层的疏水效果最好，接触角达到157°，达到超水性能。
2.6 PB/FHPU的吸光性
图9为FHPU、13%PB/FHPU和PB的紫外光谱。可以看到，纯的FHPU仅仅只在紫外区有吸收，而PB纳米粒子和13%PB/FHPU全谱带上都是具有吸收的，这说明制备的13%PB/FHPU的超疏水涂层在可见光范围和近红外光范围内都具有一定的应用的可能，其中最强吸收峰分别位于704.7 nm和691.6 nm处。
2.7 PB/FHPU的微观形貌
图10为不同PB含量的PB/FHPU的SEM图像。可以看到，纯FHPU膜表面较光滑。随着PB的含量增加，图10(b)~10(e)中涂层的粗糙度逐渐增加，当含量达到13%时，具有最精细的微纳结构，粒子之间的空隙减小水滴与固体表面的接触从而有较好的接触角。图10(e)~10(g)中PB纳米粒子开始逐渐出现过度堆积和团聚现象，从而使纳米级结构被逐渐破坏而大量出现微米级结构，从而导致超疏水性能的下降。图10(h)中可以清楚看到PB粒子较均匀地分散，粒径在192 nm左右。
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图 10 复合涂层的SEM图像Figure 10. SEM images of composite coatings((a) FHPU; (b) 10%PB/FHPU; (c) 11%PB/FHPU; (d) 13%PB/FHPU; (e) 15%PB/FHPU; (f) 17%PB/FHPU; (g) 20%PB/FHPU; (h) PB)2.8 PB/FHPU的耐磨性
图11为13%PB/FHPU的水接触角随磨损周期的变化。可以看到，随着摩擦循环次数的增加，涂层的接触角整体呈现下降的趋势，这是由于涂层被砂纸的打磨，使涂层表面的微纳结构被破坏和含氟物质的损失，从而让涂层接触角下降。虽然接触角整体呈现下降趋势，但是在中间时还是会有一定的起伏，这是由于开始打磨时，首先破坏的是表层的微纳结构，导致了接触角的下降；随着打磨的继续，会使含氟链段更多的暴露到涂层表面，这就会使接触角有一定的上升；当这部分含氟链段打磨损失后，接触角又会下降；但是，这时就会暴露内层不是非常精细的微纳结构，使接触角略微上升或小幅度下降；如此，就会导致接触角虽然会有起伏，但是整体呈下降趋势。同时，在经过19次摩擦循环，即380 cm的摩擦距离后，该涂层接触角仍然为150°，依旧具备超疏水性能。即使在23次摩擦循环后，接触角为144°，仍具有较好的疏水性能。可见，制备的超疏水涂层具有较优异的机械耐磨性能。
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图 11 13%PB/FHPU的水接触角随磨损周期的变化Figure 11. Water contact angle of 13%PB/FHPU varies with the wear cycle2.9 PB/FHPU的光热性能
在室温20℃下，使用2.5 W/cm2功率的808 nm的近红外激光照射样品10 min，每隔10 s记录一次样品温度，得到光热曲线，如图12所示。表4为不同照射时间复合涂层的温度。可知，纯FHPU涂层在照射10 min后，温度基本无变化，可见纯FHPU涂层是没有光热效果的。但是，复合了PB纳米粒子的FHPU涂层温度变化都较明显，表现出优异的光热效果，其中以样品13%PB/FHPU的最明显，在10 s内就以由室温20℃升温到98.1℃，最高温度达148.7℃。原因是由PB含量和涂层表面粗糙度共同决定的，当PB含量较多时，升温速率较快；同时13%PB/FHPU多为微米级结构有较好的表面粗糙度，增大了光照的面积，进一步提升了升温速率。继续增加PB含量的FHPU由于过度沉积，微米结构和纳米结构依次被破坏，因此样品13%PB/FHPU的升温速率最快。而涂层和环境在存在着热交换，较大的粗糙结构提供了更多的气层，减缓了热交换的速度，因此最终13%PB/FHPU的温度最高。
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图 12 不同PB添加量的复合涂层光-热曲线Figure 12. Light-heat curve of composite coatings with different PB addition amounts表 3 不同PB添加量复合涂层表面元素比例Table 3. Surface element ratio of composite coating with different PB addition amountsElement FHPU 10%PB/
FHPU13%PB/
FHPU15%PB/
FHPUC 66.30 59.26 50.72 49.32 N 2.04 4.50 6.70 10.74 O 22.62 20.57 16.78 18.26 F 9.04 14.71 24.71 20.07 Fe 0 0.96 1.09 1.61 表 4 不同照射时间复合涂层的温度Table 4. Temperature of composite coatings with different irradiation timeSample Temperature
of 10 s/℃Temperature
of 10 min/℃FHPU 26.0 34.7 10%PB/FHPU 64.4 106.2 11%PB/FHPU 83.0 125.8 13%PB/FHPU 98.1 148.7 15%PB/FHPU 76.3 125.4 17%PB/FHPU 77.6 119.2 20%PB/FHPU 76.1 135.4 2.10 PB/FHPU的抗冰性
图13为冻雨滴落到超疏水涂层的过程，图13(a)~13(d)依次为过冷水刚从滴管滴落，水滴接触超疏水涂层表面，水滴从超疏水表面回弹起来和水滴滚落超疏水表面。从图13(b)不难看出，水滴在刚接触涂层表面时，整体呈现坍塌，但是在图13(c)紧接着回弹起来却保持着较完整的球状，之后从涂层表面滚落且图13(d)没有水滴或者冰晶残留。这是由于超疏水涂层表面存在着一层空气层，对水滴具有较强烈的排斥作用，将水滴浸润表面的趋势破坏，使其难以停留在涂层表面形成冰晶。可见，制备的超疏水涂层具有优异的抗冰性能。
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图 13 冻雨滴落 (a)、坍塌 (b)、回弹 (c) 和滚落 (d) 过程照片Figure 13. Process photos of freezing rain dripping (a), collapse (b), rebound (c) and rolling (d)3. 结 论
(1) 将13%的普鲁士蓝(PB)纳米粒子和自制氟化超支化聚氨酯(FHPU)进行复合制备了具有光热转化性能的PB/FHPU超疏水涂层，其最大水接触角为(157±1.5)°，滚动角为1.8°。
(2) 该涂层在经过19次(即380 cm)摩擦循环，该涂层接触角仍为150°，说明制备的超疏水涂层具有出色的机械耐磨性。
(3) PB含量和涂层表面的粗糙度共同决定复合涂层和环境表面的热交换速度。添加13%的PB纳米粒子升温速率较快。光热性能测试中发现，在使用功率2.5 W/cm2的808 nm激光照射下，10 s内温度就可以升高78℃，可见其优异的光热转换性能。
(4) 超疏水涂层表面存在的空气层对水滴具有强烈的排斥作用，很难在表面形成冰晶。因此在冻雨测试中也显示了其优秀的抗冰性能。
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图 6 不同龄期下PE纤维增强高延性碱矿渣复合材料的单轴拉伸应力-应变曲线及DIC应变云图
Figure 6. Uniaxial tensile stress-strain curves and DIC strain contour maps of PE fiber reinforced alkali-activated slag composites at different ages
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图 7 PE纤维增强高延性碱矿渣拉伸性能与龄期的关系
Figure 7. Relationship between tensile properties of PE fiber reinforced alkali-activated slag composites and curing ages
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图 8 早龄期PE纤维增强高延性碱矿渣沿X方向的压缩位移及应变云图
Figure 8. Compressive displacement and strain contour maps of PE fiber reinforced high ductile alkali-activated slag composite specimens along X direction at early ages
表 1 矿粉和粉煤灰的主要化学组成
Table 1 Main chemical composition of slag and fly ash
wt% Oxide CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO SO3 K2O Na2O TiO2 Slag 42.6 35.2 10.4 0.51 4.95 2.0 0.40 0.31 0.53 Fly ash 16.4 35.4 27.8 2.4 0.75 5.66 0.59 0.16 1.55 
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表 2 聚乙烯(PE)纤维增强高延性碱矿渣复合材料配合比
Table 2 Mix design proportion of polyethylene (PE) fiber reinforced high ductile alkali-activated slag composites
Slag/wt% Fly ash/wt% Sand/wt% Na2SiO3/wt% NaOH/wt% Water/wt% PE fiber/vol% 48.46 5.38 16.15 13.21 2.94 12.92 2
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表 3 不同龄期下PE纤维增强高延性碱矿渣试件裂缝的特性
Table 3 Crack characteristics of the PE fiber reinforced alkali-activated slag composite specimens at different ages
Curing age/day Number of crack Average crack width/μm Average crack spacing/mm 1 9±1 229.21±23.62 8.59±0.42 3 17±2 175.74±29.33 4.78±0.57 7 29±2 160.81±12.22 2.80±0.16 28 34±1 147.34±4.33 2.35±0.07 56 31±1 158.41±9.65 2.58±0.07 120 33±2 145.20±1.92 2.43±0.12
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表 4 PE纤维增强高延性碱矿渣在不同龄期下的抗压强度
Table 4 Compressive strength of PE fiber reinforced high ductile alkali-activated slag composites at different ages
Curing age/day 1 3 7 28 56 120 Compressive strength/MPa 69.7±4.8 80.51±2.0 91.24±2.1 100.69±3.7 99.39±4.3 97.6±4.9
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