CN108558328A - 一种电磁屏蔽水泥基复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种电磁屏蔽水泥基复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种电磁屏蔽水泥基复合材料及其制备方法，涉及电磁屏蔽材料领域，复合材料以水泥为基体材料，其中，基体材料的主要成分为硫铝酸盐水泥，复合材料的各组分的质量分数为：硫铝酸盐水泥100‑150份，砂子300‑400份，水50‑75份，改性碳纳米管0.5‑3份，孔隙调节剂1‑6份，表面活性剂0.1‑0.6份，镀锌玻璃纤维1‑2份。所述的电磁屏蔽材料抗压强度范围为51.4‑54.7Mpa，电磁屏蔽范围为2‑8GHz，屏蔽性能为17‑26.3dB。本发明提供的电磁屏蔽水泥基复合材料，电磁屏蔽效果好，屏蔽范围宽，强度高，是一种实用的高性能电磁屏蔽水泥基材料。

Description

一种电磁屏蔽水泥基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于电磁屏蔽材料领域，特别涉及一种电磁屏蔽水泥基复合材料及其制备方法。
背景技术
近几十年来，随着科学技术的不断进步，电子工业得到了越来越多的发展，但是各种电子产品如电子计算机、手机、雷达以及通讯卫星等产生的电磁辐射，对人体的神经系统以及免疫能力等造成一定程度的危害。此外，现代电子器件正在向着小型化，轻量化以及高密度集成等方向发展，容易受到外界的电磁干扰的影响。电磁辐射已经成为一种新的污染源，被列为世界第三大公害。因此，电磁屏蔽成为国内外研究的焦点。
水泥砂浆作为一种应用广泛的建筑材料，随着科学技术的发展，在电磁屏蔽方面的需求越来越大，制备具有电磁屏蔽性能的水泥基材料意义重大。
碳纳米管是一种由石墨烯片卷曲而成的中空的管体。它具有优异的力学、电学和化学性能，而且由于它的小尺寸效应，具有奇特的电磁性能。但由于碳纳米管的比表面积大、范德华作用力强，导致其团聚程度高，不利于碳纳米管电磁性能的发挥。与传统的水泥基复合材料相比，基于碳纳米管制备的改性电磁屏蔽水泥基复合材料能够有效屏蔽电磁辐射。
申请号为201710276302.5的专利文献“一种电磁屏蔽水泥混凝土及其制备方法”公开了一种电磁屏蔽水泥混凝土及其制备方法，该技术方案主要是利用石墨烯和导电纤维的作用来提高水泥基材料的电磁屏蔽效果，但此方案工艺繁琐，并不是一种非常理想的方法。目前使用碳纳米管制备电磁屏蔽水泥基复合材料的研究较少，本发明人利用碳纳米管制备了一种新型的水泥基复合材料。
发明内容
为了弥补上述方法的不足，本发明提供了一种碳纳米管改性电磁屏蔽水泥基复合材料及其制备方法。该材料屏蔽范围宽，效率高。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：
一种电磁屏蔽水泥基复合材料，其特征在于，是由以下重量分的原料制得的：
硫铝酸盐水泥100-150份，砂子300-400份，水50-75份，改性碳纳米管0.5-3份，孔隙调节剂1-6份，表面活性剂0.1-0.6份，镀锌玻璃纤维1-2份。
所述的硫铝酸盐水泥的强度等级为42.5以上。
所述的砂子为70-140目的石英砂。
所述的孔隙调节剂为乙二醇硅氧烷，磷酸三丁酯，聚氧丙烯中的一种。
所述的表面活性剂为十二烷基硫酸钠。
所述的碳纳米管长度为10-30μm，直径为20-30nm。
所述的镀锌玻璃纤维的长度为20-40μm，锌层厚度4-7μm，电导率为2×10-4-4×10-4Ω-1m-1。
其中改性碳纳米管的制备方法为:
将碳纳米管置入混酸中，油浴加热到100-200℃，回流1-2h，冷却至室温，经过滤、洗涤，烘干至恒重，得到纯净的碳纳米管，其中碳纳米管与混酸的质量比为1:10-1:20，混酸为浓硫酸(质量分数为70％以上)和浓硝酸(质量分数为70％以上)以质量比4:1-8:1制得。
其中碳纳米管改性电磁屏蔽水泥基复合材料的制备方法为：
1)将改性碳纳米管和水混合，加入表面活性剂，以及孔隙调节剂，置于超声环境中进行超声10-20min，超声功率为200-400W。
2)将硫铝酸盐水泥与步骤(1)中的碳纳米管水溶液进行混合，搅拌均匀。
3)在步骤(2)中的水泥浆体中加入砂子以及镀锌玻璃纤维进行充分搅拌混合均匀，即得到碳纳米管改性水泥基材料。
增益效果：
所用水泥为硫铝酸盐水泥，可以提高水泥基复合材料的早期强度，以及耐久性。所用的碳纳米管在混酸条件下进行处理，去除碳纳米管中的杂质，使其表面带有羟基和羧基，加上超声波处理混合处理提高了碳纳米管的分散性，羧基的加入也提高了水泥基材料的流动性。在水泥中加入碳纳米管可以促进硫铝酸盐水泥的水化作用，并且对水泥基材料的孔隙有填充作用，利用碳纳米管本身的力学以及电磁性能，也可以有效提高水泥基材料的强度以及电磁屏蔽效果。镀锌玻璃纤维的加入可以也可以提高水泥基材料的抗拉强度以及电磁屏蔽效果。碳纳米管可以填补玻璃纤维的缺陷，增强玻璃纤维的抗拉强度，从而进一步提高水泥基材料的强度。
本方法制备的改性水泥基材料电磁屏蔽范围宽，效率高，制备方法简单易行，满足很多对电磁屏蔽有需求的工程需要，可以对此方法进行推广。
具体实施方式
下面结合具体实例对本发明做进一步的详细说明。
实施例1
一种电磁屏蔽水泥基复合材料，其特征在于，是由以下重量分的原料制得的：
硫铝酸盐水泥100份，砂子300份，水50份，改性碳纳米管0.5份，镀锌玻璃纤维1份，孔隙调节剂1份，表面活性剂0.1份。
所述的硫铝酸盐水泥的强度等级为42.5以上。
所述的砂子为70目的石英砂。
所述的孔隙调节剂为乙二醇硅氧烷。
所述的表面活性剂为十二烷基硫酸钠。
所述的碳纳米管长度为10μm，直径为20nm。
所述的镀锌玻璃纤维的长度为20μm，锌层厚度4μm，电导率为2×10-4Ω-1·m-1。
其中改性碳纳米管的制备方法为:
将碳纳米管置入混酸中，油浴加热到100℃，回流1h，冷却至室温，经过滤、洗涤，烘干至恒重，得到纯净的碳纳米管，其中碳纳米管与混酸的质量比为1:10，混酸为质量分数为70％的浓硫酸和质量分数为70％的浓硝酸，以体积比4:1制得。
其中碳纳米管改性电磁屏蔽水泥基复合材料的制备方法为：
1)将改性碳纳米管和水混合，加入表面活性剂，以及孔隙调节剂，置于超声环境中进行超声10min，超声功率为200W。
2)将硫铝酸盐水泥与步骤(1)中的碳纳米管水溶液进行混合，搅拌均匀。
3)在步骤(2)中的水泥浆体中加入砂子以及镀锌玻璃纤维进行充分搅拌混合均匀，即得到碳纳米管改性水泥基材料。
将上述水泥基材料浇筑于300*300*40mm的模具中，标准养护24h后拆除模具，而后养护至28天，采用弓形法来对测试样品进行电磁屏蔽性能测试，该水泥基材料在2-8GHz范围内的电磁屏蔽效能为18-23dB。
将上述水泥基材料浇筑于40*40*160mm的模具中，标准养护24h后拆除模具，养护至28天，对其进行强度测试，测得其抗压强度为51.4MPa。
实施例2
一种电磁屏蔽水泥基复合材料，其特征在于，是由以下重量分的原料制得的：
硫铝酸盐水泥110份，砂子320份，水55份，改性碳纳米管1份，镀锌玻璃纤维1.2份，孔隙调节剂2份，表面活性剂0.2份。
所述的硫铝酸盐水泥的强度等级为42.5以上。
所述的砂子为80目的石英砂。
所述的孔隙调节剂为乙二醇硅氧烷。
所述的表面活性剂为十二烷基硫酸钠。
所述的碳纳米管长度为15μm，直径为23nm。
所述的镀锌玻璃纤维的长度为25μm，锌层厚度4μm，电导率为3×10-4Ω-1·m-1。
其中改性碳纳米管的制备方法为:
将碳纳米管置入混酸中，油浴加热到120℃，回流1.2h，冷却至室温，经过滤、洗涤，烘干至恒重，得到纯净的碳纳米管，其中碳纳米管与混酸的质量比为1:12，混酸为质量分数为70％的浓硫酸和质量分数为75％的浓硝酸，以体积比4：1制得。
其中碳纳米管改性电磁屏蔽水泥基复合材料的制备方法为：
1)将改性碳纳米管和水混合，加入表面活性剂，以及孔隙调节剂，置于超声环境中进行超声12min，超声功率为240W。
2)将硫铝酸盐水泥与步骤(1)中的碳纳米管水溶液进行混合，搅拌均匀。
3)在步骤(2)中的水泥浆体中加入砂子以及镀锌玻璃纤维进行充分搅拌混合均匀，即得到碳纳米管改性水泥基材料。
将上述水泥基材料浇筑于300*300*40mm的模具中，标准养护24小时后拆除模具，而后养护至28天，采用弓形法来对测试样品进行电磁屏蔽性能测试，该水泥基材料在2-8GHz范围内的电磁屏蔽效能为17-24.3dB。
将上述水泥基材料浇筑于40*40*160mm的模具中，标准养护24h后拆除模具，养护至28天，对其进行强度测试，测得其抗压强度为53.3MPa。
实施例3
一种电磁屏蔽水泥基复合材料，其特征在于，是由以下重量分的原料制得的：
硫铝酸盐水泥120份，砂子340份，水60份，改性碳纳米管1.5份，镀锌玻璃纤维1.4份，孔隙调节剂3份，表面活性剂0.3份。
所述的硫铝酸盐水泥的强度等级为42.5以上。
所述的砂子为100目的石英砂。
所述的孔隙调节剂为磷酸三丁酯。
所述的表面活性剂为十二烷基硫酸钠。
所述的碳纳米管长度为30μm，直径为25nm。
所述的镀锌玻璃纤维的长度为25μm，锌层厚度5μm，电导率为2.5×10-4Ω-1m-1。
其中改性碳纳米管的制备方法为:
将碳纳米管置入混酸中，油浴加热到140℃，回流1.4h，冷却至室温，经过滤、洗涤，烘干至恒重，得到纯净的碳纳米管，其中碳纳米管与混酸的质量比为1:14，混酸为质量分数为75％的浓硫酸和质量分数为70％的浓硝酸，以体积比5:1制得。
其中碳纳米管改性电磁屏蔽水泥基复合材料的制备方法为：
1)将改性碳纳米管和水混合，加入表面活性剂，以及孔隙调节剂，置于超声环境中进行超声14min，超声功率为280W。
2)将硫铝酸盐水泥与步骤(1)中的碳纳米管水溶液进行混合，搅拌均匀。
3)在步骤(2)中的水泥浆体中加入砂子以及镀锌玻璃纤维进行充分搅拌混合均匀，即得到碳纳米管改性水泥基材料。
将上述水泥基材料浇筑于300*300*40mm的模具中，标准养护24小时后拆除模具，而后养护至28天，采用弓形法来对测试样品进行电磁屏蔽性能测试，该水泥基材料在2-8GHz范围内的电磁屏蔽效能为19-23.1dB。
将上述水泥基材料浇筑于40*40*160mm的模具中，标准养护24h后拆除模具，养护至28天，对其进行强度测试，测得其抗压强度为52.0MPa。
实施例4
一种电磁屏蔽水泥基复合材料，其特征在于，是由以下重量分的原料制得的：
硫铝酸盐水泥130份，砂子360份，水65份，改性碳纳米管2份，镀锌玻璃纤维1.6份，孔隙调节剂4份，表面活性剂0.4份。
所述的硫铝酸盐水泥的强度等级为42.5以上。
所述的砂子为110目的石英砂。
所述的孔隙调节剂为磷酸三丁酯。
所述的表面活性剂为十二烷基硫酸钠。
所述的碳纳米管长度为30μm，直径为25nm。
所述的镀锌玻璃纤维的长度为30μm，锌层厚度6μm，电导率为3×10-4Ω-1m-1。
其中改性碳纳米管的制备方法为:
将碳纳米管置入混酸中，油浴加热到160℃，回流1.6h，冷却至室温，经过滤、洗涤，烘干至恒重，得到纯净的碳纳米管，其中碳纳米管与混酸的质量比为1:16，混酸为质量分数为80％的浓硫酸和质量分数为75％的浓硝酸，以体积比6:1制得。
其中碳纳米管改性电磁屏蔽水泥基复合材料的制备方法为：
1)将改性碳纳米管和水混合，加入表面活性剂，以及孔隙调节剂，置于超声环境中进行超声16min，超声功率为320W。
2)将硫铝酸盐水泥与步骤(1)中的碳纳米管水溶液进行混合，搅拌均匀。
3)在步骤(2)中的水泥浆体中加入砂子以及镀锌玻璃纤维进行充分搅拌混合均匀，即得到碳纳米管改性水泥基材料。
将上述水泥基材料浇筑于300*300*40mm的模具中，标准养护24小时后拆除模具，而后养护至28天，采用弓形法来对测试样品进行电磁屏蔽性能测试，该水泥基材料在2-8GHz范围内的电磁屏蔽效能为20-24.9dB。
将上述水泥基材料浇筑于40*40*160mm的模具中，标准养护24h后拆除模具，养护至28天，对其进行强度测试，测得其抗压强度为54.7MPa。
实施例5
一种电磁屏蔽水泥基复合材料，其特征在于，是由以下重量分的原料制得的：
硫铝酸盐水泥140份，砂子380份，水70份，改性碳纳米管2.5份，镀锌玻璃纤维1.8份，孔隙调节剂5份，表面活性剂0.5份。
所述的硫铝酸盐水泥的强度等级为42.5以上。
所述的砂子为130目的石英砂。
所述的孔隙调节剂为聚氧丙烯。
所述的表面活性剂为十二烷基硫酸钠。
所述的碳纳米管长度为25μm，直径为28nm。
所述的镀锌玻璃纤维的长度为35μm，锌层厚度6μm，电导率为3.5×10-4Ω-1m-1。
其中改性碳纳米管的制备方法为:
将碳纳米管置入混酸中，油浴加热到180℃，回流1.8h，冷却至室温，经过滤、洗涤，烘干至恒重，得到纯净的碳纳米管，其中碳纳米管与混酸的质量比为1:18，混酸为质量分数为75％的浓硫酸和质量分数为80％的浓硝酸，以体积比7:1制得。
其中碳纳米管改性电磁屏蔽水泥基复合材料的制备方法为：
1)将改性碳纳米管和水混合，加入表面活性剂，以及孔隙调节剂，置于超声环境中进行超声18min，超声功率为360W。
2)将硫铝酸盐水泥与步骤(1)中的碳纳米管水溶液进行混合，搅拌均匀。
3)在步骤(2)中的水泥浆体中加入砂子以及镀锌玻璃纤维进行充分搅拌混合均匀，即得到碳纳米管改性水泥基材料。
将上述水泥基材料浇筑于300*300*40mm的模具中，标准养护24小时后拆除模具，而后养护至28天，采用弓形法来对测试样品进行电磁屏蔽性能测试，该水泥基材料在2-8GHz范围内的电磁屏蔽效能为18-26.3dB。
将上述水泥基材料浇筑于40*40*160mm的模具中，标准养护24h后拆除模具，养护至28天，对其进行强度测试，测得其抗压强度为54.1MPa。
实施例6
一种电磁屏蔽水泥基复合材料，其特征在于，是由以下重量分的原料制得的：
硫铝酸盐水泥150份，砂子400份，水75份，改性碳纳米管3份，镀锌玻璃纤维2份，孔隙调节剂6份，表面活性剂0.6份。
所述的硫铝酸盐水泥的强度等级为42.5以上。
所述的砂子为140目的石英砂。
所述的孔隙调节剂为聚氧丙烯。
所述的表面活性剂为十二烷基硫酸钠。
所述的碳纳米管长度为30μm，直径为30nm。
所述的镀锌玻璃纤维的长度为40μm，锌层厚度7μm，电导率为4×10-4Ω-1m-1。
其中改性碳纳米管的制备方法为:
将碳纳米管置入混酸中，油浴加热到200℃，回流2h，冷却至室温，经过滤、洗涤，烘干至恒重，得到纯净的碳纳米管，其中碳纳米管与混酸的质量比为1:20，混酸为质量分数为80％的浓硫酸和质量分数为80％的浓硝酸，以体积比8:1制得。
其中碳纳米管改性电磁屏蔽水泥基复合材料的制备方法为：
1)将改性碳纳米管和水混合，加入表面活性剂，以及孔隙调节剂，置于超声环境中进行超声20min，超声功率为400W。
2)将硫铝酸盐水泥与步骤(1)中的碳纳米管水溶液进行混合，搅拌均匀。
3)在步骤(2)中的水泥浆体中加入砂子以及镀锌玻璃纤维进行充分搅拌混合均匀，即得到碳纳米管改性水泥基材料。
将上述水泥基材料浇筑于300*300*40mm的模具中，标准养护24小时后拆除模具，而后养护至28天，采用弓形法来对测试样品进行电磁屏蔽性能测试，该水泥基材料在2-8GHz范围内的电磁屏蔽效能为17.3-25.4dB。
将上述水泥基材料浇筑于40*40*160mm的模具中，标准养护24h后拆除模具，养护至28天，对其进行强度测试，测得其抗压强度为52.8MPa。

Claims (8)

1.一种电磁屏蔽水泥基复合材料，其特征在于，复合材料的各个组分的质量份数为：硫铝酸盐水泥100-150份，砂子300-400份，水50-75份，改性碳纳米管0.5-3份，孔隙调节剂1-6份，表面活性剂0.1-0.6份，镀锌玻璃纤维1-2份；
其中改性碳纳米管的制备方法为：
将碳纳米管置入混酸中，油浴加热到100～200℃，回流1-2h，冷却至室温，经过滤、洗涤，烘干至恒重，得到纯净的碳纳米管，其中碳纳米管与混酸的质量比为1:10-1:20，混酸为质量分数为70％以上的浓硫酸和质量分数为70％以上的浓硝酸以体积比4:1-8:1制得。
2.根据权利要求1所述的电磁屏蔽水泥基复合材料，其特征在于：所述的硫铝酸盐水泥的强度等级为42.5以上。
3.根据权利要求1所述的电磁屏蔽水泥基复合材料，其特征在于：所述的砂子为70-140目的石英砂。
4.根据权利要求1所述的电磁屏蔽水泥基复合材料，其特征在于：所述的镀锌玻璃纤维的长度为20-40μm，锌层厚度4-7μm，电导率为2×10-4-4×10-4Ω-1m-1。
5.根据权利要求1所述的电磁屏蔽水泥基复合材料，其特征在于：所述的孔隙调节剂为乙二醇硅氧烷，磷酸三丁酯，聚氧丙烯中的一种。
6.根据权利要求1所述的电磁屏蔽水泥基复合材料，其特征在于：所述的表面活性剂为十二烷基硫酸钠。
7.根据权利要求1所述的电磁屏蔽水泥基复合材料，其特征在于：所述的碳纳米管长度为10-30μm，直径为20-30nm。
8.制备如权利要求1-7任意一项所述的电磁屏蔽水泥基复合材料的方法，其特征在于，制备步骤如下:
1)将改性碳纳米管和水混合，加入表面活性剂，以及孔隙调节剂，置于超声环境中进行超声10-20min，超声功率为200-400W；
2)将硫铝酸盐水泥与步骤(1)中的碳纳米管水溶液进行混合，搅拌均匀；
3)在步骤(2)中的水泥浆体中加入砂子以及镀锌玻璃纤维进行充分搅拌混合均匀，即得到碳纳米管改性水泥基材料。
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