CN104478387A - 一种碳纤维石膏材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳纤维石膏材料，按重量百分含量计量包括：100份石膏粉、1％～3％碳纤维、0.3％～0.6％减水剂、0.1％～0.5％缓凝剂、30～55份水，其通过将碳纤维与石膏粉干拌，分别加水、减水剂、缓凝剂搅拌，制作标样，脱模后室温养护3天，在40±2℃烘箱内烘至绝干，即得碳纤维增强石膏材料。本发明石膏材料平具有强度高的优点，平均干抗压强度在20Mpa以上，平均干抗折强度在12Mpa以上。
Description
技术领域
本发明属于气硬性无机胶凝材料技术领域，具体涉及一种碳纤维石膏材料及其制备方法。
背景技术
石膏作为一种传统的气硬性无机胶凝材料，在装饰、墙体以及保温、防火、吸声等领域得到了广泛的应用。但其抗折强度及抗冲击性能较低，易碎及防水性能差等缺点限制了其使用范围。为了改善石膏的性能，人们用增强和填充的方法，研究成功了石膏复合材料，扩大了其使用范围。
在目前国内纤维增强石膏板材研究中，植物纤维、玻璃纤维、石棉纤维、维尼纶纤维、和有机合成纤维等等都已经用于增强石膏，CN1091485C中曾用短切玻璃纤维增强石膏材料，但国内玻璃纤维等研究论文和专利中，提高石膏的强度并不太大，基本保持在绝干抗折强度低于6Mpa，抗压强度低于12Mpa。
碳纤维作为一种轻质，高强的新型军民两用型的材料，在增强复合材料和CFRC制备中，都已经得到广泛应用，并且改性效果明显。在90年代美国US4859243专利中曾有用碳纤维和钢材浇灌混合以制得高强度石膏模具。于此，特意引入碳纤维增强石膏板材，并探索一种新型的碳纤维增强石膏材料的制备方法，以大幅度提高石膏板的抗折，抗压强度，抗冲击性能。最终得到一种有广泛应用价值的碳纤维增强石膏材料。
发明内容
本发明的目的是针对目前纤维增强石膏中，力学性能改变不大的现状，引入碳纤维，制得一种高强的碳纤维增强石膏材料及其制备方法。
本发明具体通过以下技术方案实现：
一种碳纤维石膏材料，按重量份包括：石膏粉80～120份、碳纤维1～3份、减水剂0.3～0.6份、缓凝剂0.1～0.5份、水30～55份。
优选的，一种碳纤维石膏材料，按重量份包括：包括：石膏粉100份、碳纤维2份、减水剂0.5份、缓凝剂0.4份、水35份。
所述的碳纤维通过电氧化和偶联剂处理所得，所述的电氧化处理过程为：采用自制连续电解氧化碳纤维装置，以碳纤维为阳极，石墨为阴极，以1.5mol/L磷酸溶液做电解质，在2A/g的电流密度下，氧化120s，再用去离子水洗净，在120℃下烘干8小时；所述的偶联剂处理过程为：已经表面氧化的碳纤维剪成5mm～25mm长度，偶联剂的质量分数为碳纤维的5‰～2％，将短切碳纤维浸末在偶联剂水溶液中，用超声振荡30min，120℃中烘干备用。
所述的碳纤维长度为5mm，偶联剂质量分数为碳纤维的5‰；所述的碳纤维长度10～15mm，偶联剂质量分数为碳纤维1％；所述的碳纤维长度20mm，偶联剂质量分数为碳纤维1.5％；所述的碳纤维长度25mm，偶联剂质量分数为碳纤维2％。所述的偶联剂为硅烷。
所述的减水剂为羧酸系减水剂；所述的缓凝剂为骨胶；所述的偶联剂为硅烷。
本发明碳纤维石膏材料通过以下方法制备：称取经电氧化和偶联剂处理后的碳纤维与石膏粉干拌，分别加水、减水剂、缓凝剂搅拌，制作标样，脱模后室温养护3天，在40±2℃烘箱内烘至绝干，即得碳纤维增强石膏材料。
本发明的有益效果为：1)本发明的碳纤维增强石膏具有强度高的优点，平均干抗压强度在20Mpa以上，平均干抗折强度在12Mpa以上；2)为纤维增强石膏的制备开辟了新的领域，扩大了石膏材料的应用范围。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的说明，以下所述，仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做其他形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更为同等变化的等效实施例。凡是未脱离本发明方案内容，依据本发明的技术实质对以下实施例所做的任何简单修改或等同变化，均落在本发明的保护范围内。
市售碳纤维表面都有涂层和浆料，以保护碳纤维，在表面改性之前需要对碳纤维进行退浆：少量碳纤维，利用碳纤维耐有机溶剂的特性，将一定量的碳纤维束缠绕在滤纸上，在盛有丙酮的抽提器中抽提24小时；对于大量需要退浆的碳纤维，采用高温退浆法。将碳纤维丝通过管式电热炉，其中通入99％的高纯氮气，气体流量为1L/min,温度为900℃，丝束速率15m/h。
退浆后就得到未表面处理的碳纤维，可以进行后续的各种表面处理。
在众多碳纤维表面氧化方法中，电化学氧化反应缓和，处理时间短，氧化均匀，处理效果显著，可以对氧化程度进行精确控制，并且对复合材料的力学性能有明显改善。
在电解质的选择中，酸类包括硝酸、硫酸、磷酸和硼酸等；碱类包括氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化钡等；盐类包括磷酸盐、硝酸盐、硫酸盐、碳酸盐和铵盐几大类。其中，硝酸、磷酸、碳酸氢铵表面处理效果较好，但是硝酸腐蚀性强，反应相对剧烈，不易控制，所以选择磷酸作为电解质。
偶联剂处理：在用表面预处理法处理碳纤维时，一般把偶联剂配置成溶液，这样有利于硅烷偶联剂在碳纤维表面的分散，溶剂是水和醇配制成的溶液。
实施例1
一种碳纤维石膏材料，通过以下方法制备：
1)碳纤维的表面氧化：采用自制连续电解氧化碳纤维装置，以碳纤维为阳极，石墨为阴极，以1.5mol/L磷酸溶液做电解质，在2A/g的电流密度下，氧化120s，再用去离子水洗净，在120℃下烘干8小时。
2)偶联剂处理碳纤维：已经表面氧化的碳纤维剪长度为5mm，将短切碳纤维浸末在偶联剂水溶液中，用超声振荡30min，然后取出120℃中烘干备用，偶联剂的质量分数为碳纤维5‰。
3)搅拌铸模：称取3份的处理过后的短切碳纤维，与石膏粉80份干拌30s，加水30份，加入0.6份的减水剂，0.3份的缓凝剂搅拌，按国标GB/T17669.3制作标样，脱模后室温养护3d，然后40±2℃烘箱内烘至绝干，即得碳纤维增强石膏材料。
经测试，碳纤维增强石膏绝干抗压强度26.3Mpa，抗折强度10.2Mpa。
实施例2
一种碳纤维石膏材料，通过以下方法制备：
1)碳纤维的表面氧化：采用自制连续电解氧化碳纤维装置，以碳纤维为阳极，石墨为阴极，以1.5mol/L磷酸溶液做电解质，在2A/g的电流密度下，氧化120s，再用去离子水洗净，在120℃下烘干8小时。
2)偶联剂处理碳纤维：已经表面氧化的碳纤维剪长度为10mm，将短切碳纤维浸末在偶联剂水溶液中，用超声振荡30min，然后取出120℃中烘干备用，偶联剂的质量分数为碳纤维1％。
3)搅拌铸模：称取2份处理过后的短切碳纤维，与石膏粉100份干拌30s，加水35份，加入0.5份的减水剂，0.4份的缓凝剂搅拌，按国标GB/T17669.3制作标样，脱模后室温养护3d，然后40±2℃烘箱内烘至绝干，即得碳纤维增强石膏材料。
经测试，碳纤维增强石膏绝干抗压强度22.0Mpa，抗折强度12.7Mpa。
实施例3
一种碳纤维石膏材料，通过以下方法制备：
1)碳纤维的表面氧化：采用自制连续电解氧化碳纤维装置，以碳纤维为阳极，石墨为阴极，以1.5mol/L磷酸溶液做电解质，在2A/g的电流密度下，氧化120s，再用去离子水洗净，在120℃下烘干8小时。
2)偶联剂处理碳纤维：已经表面氧化的碳纤维剪长度为15mm，将短切碳纤维浸末在偶联剂水溶液中，用超声振荡30min，然后取出120℃中烘干备用，所用偶联剂的质量分数为碳纤维1％。
3)搅拌铸模：称取1.5份处理过后的短切碳纤维，与石膏粉100份干拌30s，加水40份，加入0.45份的减水剂，0.35份的缓凝剂搅拌，按国标GB/T17669.3制作标样，脱模后室温养护3d，然后40±2℃烘箱内烘至绝干，即得碳纤维增强石膏材料。
经测试，碳纤维增强石膏绝干抗压强度21.3Mpa，抗折强度14.6Mpa。
实施例4
一种碳纤维石膏材料，通过以下方法制备：
1)碳纤维的表面氧化：采用自制连续电解氧化碳纤维装置，以碳纤维为阳极，石墨为阴极，以1.5mol/L磷酸溶液做电解质，在2A/g的电流密度下，氧化120s，再用去离子水洗净，在120℃下烘干8小时。
2)偶联剂处理碳纤维：已经表面氧化的碳纤维剪长度为20mm，将短切碳纤维浸末在偶联剂水溶液中，用超声振荡30min，然后取出120℃中烘干备用，所用偶联剂的质量分数为碳纤维1.5％。
3)搅拌铸模：称取1份处理过后的短切碳纤维，与120份石膏粉干拌30s，加水50份，加入0.3份的减水剂，0.2份的缓凝剂搅拌，按国标GB/T17669.3制作标样，脱模后室温养护3d，然后40±2℃烘箱内烘至绝干，即得碳纤维增强石膏材料。
经测试，碳纤维增强石膏绝干抗压强度20.2Mpa，抗折强度17.7Mpa。
实施例5
一种碳纤维石膏材料，通过以下方法制备：
1)碳纤维的表面氧化：采用自制连续电解氧化碳纤维装置，以碳纤维为阳极，石墨为阴极，以1.5mol/L磷酸溶液做电解质，在2A/g的电流密度下，氧化120s，再用去离子水洗净，在120℃下烘干8小时。
2)偶联剂处理碳纤维：已经表面氧化的碳纤维剪长度为25mm，将短切碳纤维浸末在偶联剂水溶液中，用超声振荡30min，然后取出120℃中烘干备用，所用偶联剂的质量分数为碳纤维2％。
3)搅拌铸模：称取1份处理过后的短切碳纤维，与100份石膏粉干拌30s，加水55份，加入0.3份的减水剂，0.3份的缓凝剂搅拌，按国标GB/T17669.3制作标样，脱模后室温养护3d，然后40±2℃烘箱内烘至绝干，即得碳纤维增强石膏材料。
经测试，碳纤维增强石膏绝干抗压强度19.2Mpa，抗折强度13.5Mpa。
Claims (6)
1.一种碳纤维石膏材料，其特征在于，按重量份包括：石膏粉80～120份、碳纤维1～3份、减水剂0.3～0.6份、缓凝剂0.1～0.5份、水30～55份。
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维石膏材料，其特征在于，按重量份包括：包括：石膏粉100份、碳纤维2份、减水剂0.5份、缓凝剂0.4份、水35份。
3.根据权利要求1或2所述的一种碳纤维石膏材料，其特征在于：所述的碳纤维通过电氧化和偶联剂处理所得。
4.根据权利要求3所述的一种碳纤维石膏材料，其特征在于：
所述的电氧化处理过程为：以碳纤维为阳极，石墨为阴极，以1.5mol/L磷酸溶液做电解质，在2A/g的电流密度下，氧化120s，用去离子水洗净，在120℃下烘干8小时；
所述的偶联剂处理过程为：已经表面氧化的碳纤维剪成5mm～25mm长度，将短切碳纤维浸末在偶联剂水溶液中，用超声振荡30min，然后取出120℃中烘干备用，所用偶联剂的质量分数为碳纤维5‰～2％。
5.根据权利要求1或2所述的一种碳纤维石膏材料，其特征在于：所述的减水剂为羧酸系减水剂；所述的缓凝剂为骨胶。
6.权利要求1所述的一种碳纤维石膏材料的制备方法，其特征在于：称取经电氧化和偶联剂处理后的碳纤维与石膏粉干拌，分别加水、减水剂、缓凝剂搅拌，制作标样，脱模后室温养护3天，在40±2℃烘箱内烘至绝干，即得碳纤维增强石膏材料。
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| CN108585731A (zh) * | 2018-05-11 | 2018-09-28 | 威海南海碳材料科技研究院有限公司 | 一种碳纤维增强的石膏板及其制备方法 |
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