本發明屬于材料科學與表面，具體涉及一種改性聚丙烯纖維、改性聚丙烯纖維增強水泥基材料及其制備方法。

背景技術：

1、公開該背景技術部分的信息僅僅旨在增加對本發明的總體背景的理解，而不必然被視為承認或以任何形式暗示該信息構成已經成為本領域一般技術人員所公知的現有技術。

2、水泥基材料以其可控的強度和優良的耐久性在工程應用中廣受歡迎。然而，其脆性和收縮性限制了更廣泛的應用。為了克服這些缺陷，纖維增強水泥基復合材料(frcc)應運而生，利用纖維作為裂縫偏轉的橋梁，吸收斷裂能量，并通過纖維網絡防止裂紋的產生和擴展，從而顯著提高frcc的韌性、彎曲強度和抗拉強度。在多種工程纖維中，pp纖維因其成本低、重量輕、耐腐蝕、高強度和高韌性等特性，成為增強水泥基體、提高抗裂性的理想選擇。

3、目前大量使用過的口罩未經任何處理或適當處置就被亂扔或填埋，對自然環境構成了重大風險，廢棄口罩的二次利用也是亟須解決的問題。醫用口罩通常由聚丙烯或聚酯無紡布制成用于接觸皮膚的層，以及熔噴超細聚丙烯纖維制成過濾層。提取廢棄口罩中的聚丙烯纖維用于frcc研究有助于減輕廢棄口罩引起的環境風險，節能減排。但pp纖維的化學穩定性和化學惰性導致其與水泥基質的結合較弱，在高用量(＞0.3wt％)的情況下，容易在纖維周圍形成裂紋，影響復合材料的整體性能。

4、為改善聚合物纖維的表面特性，已開發出多種表面處理技術，包括火焰處理、離子/等離子體束處理和化學/物理涂層技術，以增加纖維表面的粗糙度或化學活性，提高其與水泥基質的結合情況。然而，這些方法因加工復雜性或可能對纖維造成不可逆損傷而未被廣泛應用于大規模纖維處理。相比之下，簡便的表面涂層方法能夠在避免上述缺點的同時實現所需的表面特性。

5、近年來，碳納米材料，如碳納米管、碳納米纖維和石墨烯衍生物，因其卓越的力學性能和大比表面積，被廣泛應用于增強膠結復合材料或作為低表面能纖維的新型涂層材料。氧化石墨烯(go)作為其中一種流行材料，由于其片邊緣和基面上的負電荷氧官能團，易于在水中分散，并通過共價鍵與水泥水合物發生化學反應，促進更規整的水化產物形成和更致密的微觀結構，同時抑制微裂紋的擴展，展現出作為納米增強材料的潛力。然而目前并未有報道將pp纖維和氧化石墨烯結合起來并用于提高frcc性能。

技術實現思路

1、為了解決現有技術的不足，本發明的目的是提供一種改性聚丙烯纖維、改性聚丙烯纖維增強水泥基材料及其制備方法，本發明通過在pp纖維表面涂覆一層氧化石墨烯的方式，顯著增強pp纖維與水泥基質界面間的粘結力，提高pp纖維的添加量，提升frcc的早期力學強度，為pp纖維在水泥混凝土中的應用提供一種有效的表面改性方案。

2、為了實現上述目的，本發明的技術方案為：

3、本發明的第一個方面，提供一種改性聚丙烯纖維，所述改性聚丙烯纖維為表面接枝有片狀氧化石墨烯的聚丙烯纖維。

4、本發明提供了一種改性聚丙烯纖維，其核心特征在于采用氧化石墨烯作為表面改性劑，氧化石墨烯以其獨特的片狀形態接枝于pp纖維表面，實現改性。通過這種改性方式，pp纖維表面特性得到顯著改善，增強了其與水泥基質的結合力，從而提升了水泥基復合材料的整體性能，同時還提高了pp纖維的用量。

5、需要說明的是，本發明采用的pp纖維既可以來源于工業合成，也可以從廢舊口罩中提取，為廢舊口罩提供了一種環保且高效的材料再利用途徑。通過改性，不僅提高了聚丙烯纖維的實用性，同時也響應了可持續發展和環保的理念。

6、在本發明的一些實施例中，所述改性聚丙烯纖維的長度為10-15mm，直徑為20-30μm。

7、優選的，所述改性聚丙烯纖維的長度為12mm，直徑為25μm。采用該尺寸的改性聚丙烯纖維制備的frcc性能好。

8、在本發明的一些實施例中，所述改性聚丙烯纖維中，氧化石墨烯的含量為0.01l/m2。

9、本發明的第二個方面，提供一種上述的改性聚丙烯纖維的制備方法，包括：

10、將氧化石墨烯溶液與聚丙烯纖維接觸，干燥，得到改性聚丙烯纖維。

11、需要說明的是，氧化石墨烯可通過噴涂或浸泡的方式應用于聚丙烯纖維表面，具體的，在本發明的一些實施例中，所述將氧化石墨烯溶液與聚丙烯纖維接觸包括：

12、將氧化石墨烯溶液噴在聚丙烯纖維上，噴出速度為0.1-0.5l/min；噴射角度為30-50°；噴頭與聚丙烯纖維的水平距離為15-20cm，優選為18cm；豎直距離為15-20cm，優選為18cm。

13、在本發明的一些實施例中，所述將氧化石墨烯溶液與聚丙烯纖維接觸包括：將聚丙烯纖維置于氧化石墨烯溶液中，攪拌10-20min，浸泡2-3h。

14、在本發明的一些實施例中，所述氧化石墨烯溶液的濃度為1-3mg/ml，優選為2mg/ml；所述氧化石墨烯溶液的溶劑為水。

15、在本發明的一些實施例中，所述干燥為在50-100℃下干燥3-8h，優選為在80℃下干燥5h。

16、本發明的第三個方面，提供一種改性聚丙烯纖維增強水泥基材料，以重量分數計，其包括以下組分：

17、5-6份水泥，1份粉煤灰，3-4份石英砂，0.01-0.02份減水劑，2份水；

18、所述改性聚丙烯纖維增強水泥基材料還包括上述的改性聚丙烯纖維或上述制備方法制備的改性聚丙烯纖維，所述改性聚丙烯纖維的摻量為水泥質量的0.1-2％。

19、在本發明的一些實施例中，所述減水劑包括聚羧酸減水劑、聚氨酯減水劑和聚羥乙烯減水劑中的任意一種。

20、在本發明的一些實施例中，所述石英砂的粒徑為110-160目。

21、在本發明的一些實施例中，以重量分數計，其包括以下組分：

22、5.6份水泥、1份粉煤灰、3.3份石英砂、0.016份減水劑、2份水；所述改性聚丙烯纖維的摻量為水泥質量的2％。

23、本發明的第四個方面，提供一種上述的改性聚丙烯纖維增強水泥基材料的制備方法，包括：

24、將水泥、粉煤灰、石英砂、水、減水劑混合后以100-150r/min的速度攪拌150-200s，按照5-15g/min的速度加入改性聚丙烯纖維，攪拌，得到改性聚丙烯纖維增強水泥基材料。

25、在本發明的一些實施例中，所述改性聚丙烯纖維的加入速度為10g/min。

26、本發明的有益效果為：

27、本發明在聚丙烯纖維表面制備片狀氧化石墨烯，整個處理過程在常溫下即可進行，操作簡便，無需大型儀器設備。

28、與傳統工藝技術相比較，本發明產生的有益效果：

29、本發明采用物理涂覆法在pp纖維表面制備片狀go，表面改性過程中無需加熱設備，步驟簡單，操作方便，不消耗資源，適用于批量化生產。表面改性后的pp纖維具有優異的力學性能和導電性能。

30、本發明提供的改性聚丙烯纖維增強水泥基材料中添加了片狀go改性的pp纖維材料，片狀go能夠促進pp纖維和水泥集料充分融合反應，改善pp纖維與水泥之間的粘結性，提高本發明制備的frcc材料的力學性能，尤其是frcc的早期力學強度，同時還提高pp纖維的用量。