CN104803627B - 兼具电磁与声隐身的钢混结构阴极腐蚀控制用多功能阳极复合材料及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种兼具电磁与声隐身的钢混结构阴极腐蚀控制用多功能阳极复合材料及其制备方法与应用。所述多功能阳极复合材料由阳极材料和铺设在其之上的碳纳米纸构成，所述阳极材料由聚丙烯酰胺、蒙脱石、水、甲基纤维素、聚乙烯吡咯烷酮和碳基材料制成。本发明的多功能复合阳极材料的导电性利用离子电子共导电，电阻率为2.247Ω·m；在3.22‑18GHz频率具有较高的电磁屏蔽效能，基本在50dB以上，最高甚至达到100dB；对声波的吸收在560Hz的频率上有较大的吸声系数，其余频率吸声系数较低；而且制备所需要的各项原材料容易获得，制备方法及需要的仪器容易实现。
Description
技术领域
本发明涉及一种钢筋混凝土结构腐蚀控制系统所用的阳极材料及其制备方法与应用，特别是涉及一种兼具有电磁与声隐身的多功能阳极材料及其制备方法与应用。
背景技术
钢混结构是所有结构形式中现今最为广泛使用的结构形式之一，而钢筋腐蚀是引起钢混结构耐久性降低的最主要原因。根据统计，截止2010年，我国公路桥梁共计68.5万座，危桥有9.3万座，其中钢筋腐蚀是引起结构性能严重劣化的主要原因。尤其是在重大钢结构中，钢筋腐蚀的危害是远远超过预期的，这一影响国民经济和社会稳定的重大问题必将引起全世界的密切关注。对于结构腐蚀的控制，国内外大量的科学研究和工程实践结果表明，阴极保护（CP）技术是现阶段能够直接阻止钢混结构钢筋发生腐蚀的唯一途径。而阳极材料是CP系统的至关重要的部分，影响着CP系统的投放效率。
随着社会的发展，噪声对人类的影响和危害愈演愈烈，现代民用建筑迫切需要解决吸声问题；对于军用的建筑，如掩蔽部和试验场等，为了保证军队的训练和研究工作的保密性，研究声隐身材料在军事建筑上具有重要意义；对大潜深的潜艇声隐身材料研究，是适应现代潜艇的大潜深、高战斗性能发展趋势的迫切需要。
电磁波的干扰会使仪器性能降低，对电气设备的正常运行产生干扰甚至导致安全事故。对于军用电子设备为了防止其受电磁波的干扰，需要对接缝处、通风口及显示窗进行抗电磁泄露和干扰的处理，这些缝隙是降低机箱屏蔽效能的主要原因。目前对电磁波干扰的控制主要方法是研究屏蔽效能高的材料。
显然，若研究出离子电子共导电的高性能阳极材料，在腐蚀控制的同时可以改善钢筋所处的腐蚀环境，不仅为阴极腐蚀控制系统的使用提供保障，而且可以有效地提高CP系统的投放效率；兼具有的电磁与声隐身的性能，不仅可以应用于民用及公共建筑的腐蚀控制，还能为军事建筑及设备的正常工作及隐身作战提供更多的可能性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种兼具电磁与声隐身的钢混结构阴极腐蚀控制用多功能阳极复合材料及其制备方法与应用，该多功能复合阳极材料以导电性为主，同时具有抗电磁及声隐身功能，能够用于钢混结构腐蚀控制系统。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：
一种兼具电磁与声隐身的钢混结构阴极腐蚀控制用多功能阳极复合材料，由阳极材料和铺设在其之上的碳纳米纸构成，所述阳极材料由聚丙烯酰胺、蒙脱石、水、甲基纤维素、聚乙烯吡咯烷酮和碳基材料制成，碳基材料包括碳纤维、碳纳米管和炭黑，其中：以质量比计，碳纤维：碳纳米管：炭黑=2～4:10～20:15～25，水：聚丙烯酰胺：蒙脱石=10:3～4：3～5；碳基材料的用量为聚丙烯酰胺和蒙脱石总质量的2.4～3.6%，甲基纤维素的用量为聚丙烯酰胺和蒙脱石总质量的0.2～0.6%，聚乙烯吡咯烷酮的用量为碳纳米管的15～25%；碳纳米纸的用量面积等于阳极材料的单面面积，铺设一层碳纳米纸要求阳极材料厚度不超过20mm。
一种上述多功能阳极复合材料的制备方法，包括如下步骤：
一、在一定量的水中加入碳纤维、碳纳米管以及作为分散剂的甲基纤维素和聚乙烯吡咯烷酮，人工搅拌均匀后置于超声波细胞粉碎仪内分散0.5～2小时，且分散过程中保证温度不能过高，在20～30℃左右，再用超声波清洗器进行分散，每次分散20～40分钟，间隔30分钟后进行第二次分散，共分散4次；
二、向步骤一中得到的分散液中加入炭黑，用水泥净浆搅拌机搅拌均匀，一边搅拌一边缓慢地加入拌合均匀的聚丙烯酰胺和蒙脱石，先慢速搅拌3～5分钟，后快速搅拌5～8分钟，24小时后进行二次搅拌3～5分钟即可，至此各材料分散均匀；
三、将步骤二制备的阳极材料填塞至模具内，挤压密实，最后在上表面单面铺设一层碳纳米纸。
上述多功能阳极复合材料可以用于钢混结构腐蚀控制系统中。
本发明的基本原理如下：
将制备材料所用的原材料通过搅拌和超声分散等工艺，制备出分散均匀的多功能阳极复合材料。利用聚丙烯酰胺吸水后的粘结性作为框架，在其中填充蒙脱石，离子在电场作用下穿过蒙脱石的层间结构，进而达到离子导电的目的；在基体材料中掺入相互搭接成导电网络的碳基材料可以有效的改善材料的导电性；本发明研究的阳极材料为粘弹性体，材料本身对固定频率就具有一定的吸声效果；由电磁屏蔽性能与材料导电性的相关性，本发明材料本身对固定频段的电磁波有很好的屏蔽效果，单面铺设碳纳米纸后对其电磁屏蔽效能有一定的提高作用。
本发明给出了材料的导电性、声隐身及抗电磁性的具体指标、试验原理、所需的各种原材料及阳极材料的制备方法。按照本发明中给出的各原材料的配比及制备工艺，最终制备的材料是能够应用在钢混结构阴极腐蚀控制系统的阳极材料外，还兼具有电磁和声隐身的功能。本发明具有以下优点：
1、本发明的阳极材料以导电性为主，且兼具有对固定频率的电磁波和声波的吸收性能，在电场作用下将腐蚀离子带离混凝土，达到改善钢筋腐蚀环境的目的。
2、本发明的多功能复合阳极材料集多种功能于一身，以导电性为主，同时具有电磁和声隐身的功能。
3、阳极材料的制备所需要的各项原材料容易获得，制备方法及需要的仪器容易实现，所以本发明的阳极材料制备方便。
4、本发明的多功能复合阳极材料的导电性利用离子电子共导电，电阻率为2.247Ω·m；而且其在3.22-18GHz频率具有较高的电磁屏蔽效能，基本在50dB以上，最高甚至达到100dB；而对声波的吸收在560Hz的频率上有较大的吸声系数，其余频率吸声系数较低。
5、本发明的阳极材料为用于钢混结构阴极腐蚀控制用的阳极材料，应用过程中铺设于结构表面。
附图说明
图1为电通量测试装置；
图2为四电极测试原理；
图3为材料吸声测试结果（频率67-1600Hz吸声系数）；
图4为材料吸声测试结果（频率800-6300Hz吸声系数）；
图5为材料电磁屏蔽测试结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
具体实施方式一：本实施方式提供了一种兼具电磁与声隐身的钢混结构阴极腐蚀控制用多功能阳极复合材料及其制备方法，下面对阳极材料各项功能和制备方法进行逐一说明。
一、阳极材料的制备
本发明材料的制备步骤、各材料的用量及制备工艺说明如下：
本发明阳极材料使用的原材料中水：聚丙烯酰胺：蒙脱石=10:3:5，碳基材料的用量为聚丙烯酰胺和蒙脱石总量的2.8%，碳纤维：碳纳米管：炭黑=3:15:20，甲基纤维素用量为聚丙烯酰胺和蒙脱石总量的0.4%，聚乙烯吡咯烷酮用量为碳纳米管的20%。具体操作步骤：
（1）在150g水中加入碳纤维0.265g、碳纳米管1.326g以及甲基纤维素0.48g和聚乙烯吡咯烷酮0.265g，其中碳纤维：碳纳米管：炭黑=3:15:20，人工搅拌3分钟；搅拌后置于超声波细胞粉碎仪内分散1小时，再用超声波清洗仪分散，每次分散30分钟，间隔30分钟后进行第二次分散，共分散4次，即2个小时；
（2）向步骤（1）中得到的分散液中加入炭黑1.768g，用水泥净浆搅拌机搅拌3分钟；一边搅拌一边缓慢地加入拌合均匀的聚丙烯酰胺45g和蒙脱石75g，先慢速（搅拌叶公转65r/min）搅拌4分钟，后快速（搅拌叶公转125r/min）搅拌6分钟，24小时后进行二次搅拌，慢速（搅拌叶公转65r/min）搅拌4分钟即可，至此各材料分散均匀；
（3）根据步骤（1）和步骤（2）完成制备的复合阳极材料，将其密封保存，根据测试需要模具的不同将上述制备的阳极材料填塞至模具内，挤压密实，最后在表面铺设一层碳纳米纸，要求碳纳米纸完整覆盖材料的表面，且下部材料的厚度要不超过20mm，以此来进一步提高阳极材料的导电性和电磁屏蔽性。
二、阳极材料各项功能
多功能阳极材料的导电性利用离子与电子共导电。离子导电性通过测试电通量来表征，试验电压为4V的直流电压，时间尺寸为50×50×10mm。如图1所示，试验反应器采用的有机玻璃容器，其上下层内径尺寸为100×100×50mm，在中间分层板的中心开几何尺寸50×50mm的正方形孔，然后将制备好的阳极材料置于孔中，四周用玻璃胶密封。以尺寸为50×70×3mm石墨板作为电极，固定了与阳极材料正对的上下两端。待玻璃胶凝固后，在有机玻璃容器上层加入0.3mol/L的氢氧化钠溶液，下层加入质量分数为0.3%的氯化钠溶液。连接好电路后即可进行电通量测试，采集卡采集6个小时的电流，利用电流对时间的积分计算电通量。试验结果砂浆板的电通量为187.889C，阳极材料的电通量为298.518C，其离子导电性明显优于砂浆板。采用四电极法测试，四电极测试原理如图2，四电极式样的尺寸为图中标注尺寸，采用采集卡两个通道采集，一个通道与参比电阻并联采集其电压U1，另一通道与中间两个电极并联采集两端电压U2，然后利用公式R2=U2R1/U1可得到待测部分试件的电阻，计算得材料的电阻率为2.247Ω·m。
多功能阳极材料的吸声系数测试采用阻抗管。采用两种内径尺寸的阻抗管测试，分别为：Φ30×16mm和Φ100×16mm对应测试频率为800-6300Hz和67-1600Hz。测试结果见图3-4，在67-1600Hz频率其吸声系数也很小于0.05，但在560Hz吸声系数达到0.21，具有一定的吸声效果；在800-6300Hz频率阳极材料的吸声系数普遍较低在0.05左右。
多功能阳极材料的屏蔽效能测试采用波导管法。波导管采用5种尺寸，试验测试的频率覆盖范围为3.22GHz-18GHz，波导管尺寸与测试频率的对应关系见表1。
表1波导管截面尺寸与频率
按照表1中的尺寸制作厚度为10mm的试件，试验测试结果见图5，表明阳极材料在各个频率电磁屏蔽效能在60dB上下波动，在4.68GHz频率时屏蔽效能达到了101.42dB。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，水：聚丙烯酰胺：蒙脱石=10:3:4，碳基材料中碳纤维：碳纳米管：炭黑=2:10:25，甲基纤维素用量为聚丙烯酰胺和蒙脱石总量的0.3%，聚乙烯吡咯烷酮用量为碳纳米管的18%，碳基材料的用量为聚丙烯酰胺和蒙脱石总量的2.6%。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是，水：聚丙烯酰胺：蒙脱石=10:4:3，碳基材料中碳纤维：碳纳米管：炭黑=4:20:15，甲基纤维素用量为聚丙烯酰胺和蒙脱石总量的0.5%，聚乙烯吡咯烷酮用量为碳纳米管的22%，碳基材料的用量为聚丙烯酰胺和蒙脱石总量的3.2%。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是，水：聚丙烯酰胺：蒙脱石=10:4:4，碳基材料中碳纤维：碳纳米管：炭黑=3:15:20，甲基纤维素用量为聚丙烯酰胺和蒙脱石总量的0.4%，聚乙烯吡咯烷酮用量为碳纳米管的20%，碳基材料的用量为聚丙烯酰胺和蒙脱石总量的2.8%。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是，水：聚丙烯酰胺：蒙脱石=10:4:5，碳基材料中碳纤维：碳纳米管：炭黑=3:15:20，甲基纤维素用量为聚丙烯酰胺和蒙脱石总量的0.4%，聚乙烯吡咯烷酮用量为碳纳米管的20%，碳基材料的用量为聚丙烯酰胺和蒙脱石总量的2.8%。
Claims (10)
1.一种兼具电磁与声隐身的钢混结构阴极腐蚀控制用多功能阳极复合材料，其特征在于所述多功能阳极复合材料由阳极材料和铺设在其之上的碳纳米纸构成，所述阳极材料由聚丙烯酰胺、蒙脱石、水、甲基纤维素、聚乙烯吡咯烷酮和碳基材料制成，碳基材料包括碳纤维、碳纳米管和炭黑，其中：以质量比计，碳纤维：碳纳米管：炭黑=2～4:10～20:15～25，水：聚丙烯酰胺：蒙脱石=10:3～4：3～5；碳基材料的用量为聚丙烯酰胺和蒙脱石总质量的2.4～3.6%，甲基纤维素的用量为聚丙烯酰胺和蒙脱石总质量的0.2～0.6%，聚乙烯吡咯烷酮的用量为碳纳米管的15～25%。
2.根据权利要求1所述的兼具电磁与声隐身的钢混结构阴极腐蚀控制用多功能阳极复合材料，其特征在于所述碳纳米纸的用量面积等于阳极材料的单面面积。
3.根据权利要求1所述的兼具电磁与声隐身的钢混结构阴极腐蚀控制用多功能阳极复合材料，其特征在于所述阳极材料厚度不超过20mm。
4.根据权利要求1所述的兼具电磁与声隐身的钢混结构阴极腐蚀控制用多功能阳极复合材料，其特征在于所述水：聚丙烯酰胺：蒙脱石=10:3:5，碳纤维：碳纳米管：炭黑=3:15:20，甲基纤维素用量为聚丙烯酰胺和蒙脱石总量的0.4%，聚乙烯吡咯烷酮用量为碳纳米管的20%，碳基材料的用量为聚丙烯酰胺和蒙脱石总量的2.8%。
5.根据权利要求1所述的兼具电磁与声隐身的钢混结构阴极腐蚀控制用多功能阳极复合材料，其特征在于所述水：聚丙烯酰胺：蒙脱石=10:3:4，碳纤维：碳纳米管：炭黑=2:10:25，甲基纤维素用量为聚丙烯酰胺和蒙脱石总量的0.3%，聚乙烯吡咯烷酮用量为碳纳米管的18%，碳基材料的用量为聚丙烯酰胺和蒙脱石总量的2.6%。
6.根据权利要求1所述的兼具电磁与声隐身的钢混结构阴极腐蚀控制用多功能阳极复合材料，其特征在于所述水：聚丙烯酰胺：蒙脱石=10:4:3，碳纤维：碳纳米管：炭黑=4:20:15，甲基纤维素用量为聚丙烯酰胺和蒙脱石总量的0.5%，聚乙烯吡咯烷酮用量为碳纳米管的22%，碳基材料的用量为聚丙烯酰胺和蒙脱石总量的3.2%。
7.根据权利要求1所述的兼具电磁与声隐身的钢混结构阴极腐蚀控制用多功能阳极复合材料，其特征在于所述水：聚丙烯酰胺：蒙脱石=10:4:4，碳纤维：碳纳米管：炭黑=3:15:20，甲基纤维素用量为聚丙烯酰胺和蒙脱石总量的0.4%，聚乙烯吡咯烷酮用量为碳纳米管的20%，碳基材料的用量为聚丙烯酰胺和蒙脱石总量的2.8%。
8.根据权利要求1所述的兼具电磁与声隐身的钢混结构阴极腐蚀控制用多功能阳极复合材料，其特征在于所述水：聚丙烯酰胺：蒙脱石=10:4:5，碳纤维：碳纳米管：炭黑=3:15:20，甲基纤维素用量为聚丙烯酰胺和蒙脱石总量的0.4%，聚乙烯吡咯烷酮用量为碳纳米管的20%，碳基材料的用量为聚丙烯酰胺和蒙脱石总量的2.8%。
9.一种权利要求1-8任一权利要求所述兼具电磁与声隐身的钢混结构阴极腐蚀控制用多功能阳极复合材料的制备方法，其特征在于所述方法步骤如下：
一、在一定量的水中加入碳纤维、碳纳米管以及作为分散剂的甲基纤维素和聚乙烯吡咯烷酮，人工搅拌均匀后置于超声波细胞粉碎仪内分散0.5～2小时，且分散过程中保证温度不能过高，在20～30℃，再用超声波清洗器进行分散，每次分散20～40分钟，间隔30分钟后进行第二次分散，共分散4次；
二、向步骤一中得到的分散液中加入炭黑，用水泥净浆搅拌机搅拌均匀，一边搅拌一边缓慢地加入拌合均匀的聚丙烯酰胺和蒙脱石，先慢速搅拌3～5分钟，后快速搅拌5～8分钟，24小时后进行二次搅拌3～5分钟即可，至此各材料分散均匀；
三、将步骤二制备的阳极材料填塞至模具内，挤压密实，最后在上表面单面铺设一层碳纳米纸。
10.权利要求1-8任一权利要求所述兼具电磁与声隐身的钢混结构阴极腐蚀控制用多功能阳极复合材料在钢混结构腐蚀控制系统中的应用。
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