端氨基超支化聚合物改性聚丙烯腈纤维接枝纳米二氧化硅增强混凝土的界面强度

水泥因其原料丰富、价格低廉、生产工艺简单等优点而被广泛应用然而，它有一个众所周知的缺点，包括脆性大，抗弯、抗冲击和拉伸性能差，导致水泥材料开裂。混凝土开裂产生的微裂缝为气体、液体和有害物质的侵入提供了通道，加速了混凝土的老化过程。

PAN纤维在混凝土中三维分布，可有效降低微裂缝尖端的应力集中并可使混凝土干缩引起的拉应力减弱或消除，防止微裂缝的发生和扩展，从而提高材料的整体力学性能。然而，有机纤维与无机水泥之间缺乏有效的化学结合，导致界面结合强度较弱。南通大学张广宇等人采用端氨基超支化聚合物(HBP)对聚丙烯(PAN)纤维表面进行改性，然后在改性后的PAN纤维表面接枝二氧化硅纳米颗粒(SiO2NPS)，将超支化材料上的氨基与SiO2NPs中的硅醇基团结合，形成氢键，实现对有机纤维的无机处理。将改性聚丙烯腈纤维应用于水泥混凝土中，可显著提高纤维与水泥的界面强度。采用扫描电镜、原子力显微镜、电子能谱和傅里叶变换红外光谱对改性PAN纤维的形貌和化学成分进行了表征，并分析了接枝条件对接枝效果的影响。结果表明: SiO2纳米粒子在PAN纤维表面分布均匀；当SiO2NPs浓度为4%，接枝温度为50℃，接枝时间为4 h时，SiO2 NPS接枝PAN纤维的接枝度可达1.4%。通过拉拔试验，分析了改性纤维与水泥的界面相互作用。在纤维增强水泥复合材料中，利用SiO2NPS的“双重作用”，结合其在水泥基复合材料中的双重连接作用：一边连接纤维，另一边连接水泥，以提高纤维与水泥基体之间的界面强度。包覆SiO2NPS后，PAN纤维的拉拔结合强度由5.5 cN提高到6.5 cN。

接枝过程示意图

文献来源：Fayun Wei, Xiao Xu, Hailou Wang, Bin Yu, Guangyu Zhang, Wei Zhang. J Appl Polym Sci. 2024, e55844.