CN109081643A - 一种碳纤维/碱激发复合压敏材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种碳纤维/碱激发复合压敏材料及其制备方法，该复合压敏材料按重量份计包括以下组分：粉煤灰0‑80份、矿渣20‑100份、碳纤维0.23‑1.13份、砂118‑153份、碱性激发剂45‑55份、分散剂0.3‑0.5份和消泡剂0.1‑0.2份。与现有技术相比，本发明材料为一种三维立体网状结构的碱金属硅铝酸盐凝胶与硅酸钙凝胶，具备良好的导电性能、力学性能及压敏性能；其次，本发明添加碳纤维掺量仅为水泥基压敏材料的10％，电阻率比相同碳纤维掺量的水泥基压敏材料低两个数量级，导电性更好，碳纤维在碱激发浆体中的分散更均匀，相比水泥基压敏材料，碱激发压敏材料具备更高的抗压强度、压敏灵敏度和压敏性能。

Description

一种碳纤维/碱激发复合压敏材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及导电材料和压敏材料的技术领域，尤其涉及一种碳纤维/碱激发复合压敏材料及其制备方法。
背景技术
近年来，导电混凝土因其自我监测特性而备受关注，该材料可以感知其本身的应变，应力，裂缝或损坏。它是通过将水泥基胶凝材料与碳纤维，碳纳米管，石墨粉和钢纤维等导电成分混合而制成的。在混凝土中加入一定量的这些导电成分可以有效地降低混凝土的电阻率，从104Ω·cm降低至数十Ω·cm。当导电混凝土受到外部静态或动态载荷时，混凝土内部的导电网络发生变化，导致导电混凝土的电阻不同，也称为压电性能。当混凝土中发生裂缝时，会发生突然且不可逆的电阻变化。因此，可以通过测量导电混凝土的电性能来监测外力或裂缝，这使得导电混凝土成为具有结构健康监测能力的自感知、智能建筑结构的理想材料。
传统的导电混凝土通常使用波特兰水泥基砂浆或混凝土作为胶凝材料。以往的研究表明，波特兰水泥作为导电混凝土基体材料的应用存在一些不足之处：(1)随着水泥水化的进展，水泥基混凝土的导电性显着下降，因为水泥孔隙溶液中的游离水和各种离子在后期发生反应，离子数量急剧降低。(2)导电混凝土的流动性随着导电成分的添加而降低：例如，碳纤维含量为1％(体积)和15-20％(体积)的钢屑(通常用于制备导电混凝土)，明显降低了导电混凝土的流动性且容易使导电相团聚成簇，分散不均匀。(3)导电成分，如碳纤维、钢屑价格昂贵，掺量越高，大大增加压敏材料生产成本，使得其造价过高，不利于推广使用。
碱激发材料是一种新型的混凝土胶凝材料，通过硅铝酸盐粉末(例如粉煤灰，高炉矿渣，偏高岭土等)和碱性溶液之间的反应可制备不同于普通水泥基反应产物的材料。其原材料：粉煤灰、矿渣等均为工业副产品或废弃物，其高附加值利用具有节能环保、降低生产成本的优势。与波特兰水泥相比，碱激发体系含有更多的碱金属和硅酸盐离子。此外，碱性溶液的高碱度可极大改善了导电组分之间的粘合，使得导电组分分撒更均匀，与基体粘结性能更好，强度更高。
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题，提供了一种碳纤维/碱激发复合压敏材料及其制备方法，该复合压敏材料强度高，导电性能好，压敏性能好，成本低，节能环保。
一种碳纤维/碱激发复合压敏材料，该复合材料按重量份计包括以下组分：
其中，少量碳纤维的加入能有效地提高材料的导电性能。
优选的，所述碱性激发剂的组分及重量份数为：
NaOH 2-8份
水玻璃 14-30份
水 20-35份。
更优选的，所述水玻璃的模数范围为0.8-2.0，所述水玻璃中的Na2O含量范围为3％-6％。
优选的，所述碳纤维/碱激发复合压敏材料的7天电阻率为114-816Ω·cm，7天抗压强度为51.72-63.12MPa，7天抗折强度为6.29-9.39MPa。
优选的，所述粉煤灰为II级粉煤灰(依据GB/T 18046-2000)，具体的，所述粉煤灰中的SiO2、Al2O3和Fe2O3的含量之和大于50％，SO3的含量不大于3％，CaO的含量不大于10％；所述粉煤灰细度不大于25％，所述细度以45μm方孔筛筛余表示；所述粉煤灰需水量不大于105％，烧失量不大于8％；
优选的，所述矿渣为S95级矿渣(依据GB/T 18046-2000)，具体的，所述矿渣中的CaO、SiO2、Al2O3和MgO的含量之和大于95％，SO3含量不大于4％，氯离子含量不大于0.02％，玻璃体含量不小于85％，含水量不大于1.0％，比表面积不小于350m2/Kg，7天和28天活性指数技术要求分别不小于75％和95％；
优选的，所述的砂为ISO标准砂(根据GB/T14684-2001)，颗粒级配符合3个级配区的要求，分别为粗砂：3.7-3.1，中砂：3.0-2.3，细砂：2.2-1.6。
优选的，所述碳纤维为短切聚丙烯腈(PAN基)碳纤维，长度为6-7mm，单丝直径7.0μm。
优选的，所述分散剂为甲基纤维素，所述消泡剂为磷酸三丁酯。
所述分散剂能使碳纤维在基体中不成簇，更加均匀的分布，从而提高复合压敏材料的导电性能、力学性能和压敏性能；而所述消泡剂能有效减少掺加碳纤维所产生的气泡，提高复合压敏材料的力学性能。
一种碳纤维/碱激发复合压敏材料的制备方法，包括以下步骤：
向22.5-27.5质量份碱性激发剂中加入0.3-0.5质量份分散剂和0.1-0.2质量份消泡剂，再加入0.23-1.13质量份碳纤维，随后将得到的溶液以及22.5-27.5质量份碱性激发剂加入0-80质量份粉煤灰和20-100质量份矿渣中，最后加入118-153质量份砂，得到的碳纤维/碱激发砂浆；将所述碳纤维/碱激发砂浆加入电极片，浇筑成模，脱模，养护后即得到所述碳纤维/碱激发复合压敏材料；
所述碱性激发剂包括质量比为(2-8)：(14-30)：(20-35)的NaOH、水玻璃和水。
优选的，按重量计，所述碱性激发剂中的水与粉煤灰和矿渣之和的比为0.20-0.35。
优选的，所述电极片为钛网，尺寸为40mm*40mm*50mm；所述养护具体为在环境温度20℃±2℃，湿度95％以上条件下养护28天。
本发明的有益效果在于：本发明的碳纤维/碱激发复合压敏材料以粉煤灰和矿渣为基体，用碱性激发剂激发，生成一种三维立体网状结构的硅铝凝胶与硅酸钙凝胶，使得材料具备良好的导电性能、力学性能及压敏性能等；其次，本发明添加碳纤维掺量小，其碳纤维掺量仅为水泥基压敏材料的10％，碳纤维在碱激发浆体中的分散更均匀，可显著提高碱激发压敏材料的导电性和压敏性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种碳纤维/碱激发复合压敏材料的制备方法的步骤示意图；
图2是本发明实施例1的一种碳纤维/碱激发复合压敏材料的试件示意图。
图3是本发明各实施例和对比例制得的碳纤维/碱激发复合压敏材料与碳纤维/水泥基复合压敏材料电阻率与养护龄期关系图。
图4是本发明实施例1至实施例4碳纤维/碱激发复合压敏材料电阻变化率与荷载关系图。
图5是本发明对比例碳纤维/水泥基复合压敏材料电阻变化率与荷载关系图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的实施例进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下实施例和对比例所述原材料中，所述粉煤灰为II级粉煤灰(依据GB/T 18046-2000)，具体的，所述粉煤灰中的SiO2、Al2O3和Fe2O3的含量之和大于50％，SO3的含量不大于3％，CaO的含量不大于10％；所述粉煤灰细度不大于25％，所述细度以45μm方孔筛筛余表示；所述粉煤灰需水量不大于105％，烧失量不大于8％；
所述矿渣为S95级矿渣(依据GB/T 18046-2000)，具体的，所述矿渣中的CaO、SiO2、Al2O3和MgO的含量之和大于95％，SO3含量不大于4％，氯离子含量不大于0.02％，玻璃体含量不小于85％，含水量不大于1.0％，比表面积不小于350m2/Kg，7天和28天活性指数技术要求分别不小于75％和95％；
所述的砂为ISO标准砂(根据GB/T14684-2001)，颗粒级配符合3个级配区的要求，分别为粗砂：3.7-3.1，中砂：3.0-2.3，细砂：2.2-1.6；
所述碳纤维为短切聚丙烯腈(PAN基)碳纤维，长度为6-7mm，单丝直径7.0μm；
所述水玻璃的模数范围为0.8-2.0，所述水玻璃中的Na2O含量范围为3％-6％。
实施例1
按以下重量份称取原材料：粉煤灰70份，矿渣30份，碳纤维0.23份，砂135份，碱性激发剂50份，甲基纤维素0.4份，磷酸三丁酯0.16份。其中，碱性激发剂由2份NaOH，20.6份水玻璃和27.3份水配置而成。然后按照以下步骤制备碳纤维/碱激发复合压敏材料：
1)先后将NaOH和水玻璃加入到水中，搅拌均匀得到碱性激发剂；
2)将步骤1)得到的碱性激发剂平均分成两份，其中一份加入甲基纤维素和磷酸三丁酯，搅拌2min；
3)在步骤2)得到的混合物中加入碳纤维，搅拌3min，使碳纤维分布均匀；
4)将步骤3)得到的碳纤维溶液以及步骤2)中剩余的另一份碱性激发剂加入到粉煤灰和矿渣中，搅拌1min；
5)在步骤4)得到的混合物中加入砂，搅拌2min；
6)将步骤5)得到的碳纤维/碱激发砂浆加入电极片，浇筑成型，得到如附图2所示试块；
7)在环境温度20℃±2℃，湿度95％以上条件下养护24h后脱模，再养护28天，即制成碳纤维/碱激发复合压敏材料。
对得到的碳纤维/碱激发复合压敏材料进行测试，测试方法如下：
试件养护到7天和28天时，采用四电极法，即在试件内部预先埋置4片平行电极，通过直流电压源在外侧两电极间注入电流，并测得其电流值I，测量内侧两电极间电压值U，再通过欧姆定律计算得到试件电阻率；采用GBT17671-1999水泥胶砂强度检验方法(ISO法)对试件进行抗压抗折强度测试；采用150kN Instron万能试验机对试件进行28天压敏测试，以2kN/s的速度对试件施加从10kN到30kN的荷载，同时，利用动态数据采集系统，在50HZ/s下记录电压、电流和负载的变化，并将数据传送到配有数据采集软件的电脑上。
测试得到的产品电阻率及抗压抗折强度如下表：
表1实施例1所得产品的性能参数
性能 7天 28天
电阻率(Ω·cm) 816 1973
抗折强度(MPa) 6.29 9.17
抗压强度(MPa) 53.72 66.74
实施例2
按以下重量份称取原材料：粉煤灰70份，矿渣30份，碳纤维0.68份，砂135份，碱性激发剂50份，甲基纤维素0.4份，磷酸三丁酯0.16份。其中，碱性激发剂由2份NaOH，20.6份水玻璃和27.3份水配置而成。然后按照以下步骤制备碳纤维/碱激发复合压敏材料：
1)先后将NaOH和水玻璃加入到水中，搅拌均匀得到碱性激发剂；
2)将步骤1)得到的碱性激发剂平均分成两份，其中一份加入甲基纤维素和磷酸三丁酯，搅拌2min；
3)在步骤2)得到的混合物中加入碳纤维，搅拌3min，使碳纤维分布均匀；
4)将步骤3)得到的碳纤维溶液以及步骤2)中剩余的另一份碱性激发剂加入到粉煤灰和矿渣中，搅拌1min；
5)在步骤4)得到的混合物中加入砂，搅拌2min；
6)将步骤5)得到的碳纤维/碱激发砂浆加入电极片，浇筑成型，得到如附图2所示试块；
7)在环境温度20℃±2℃，湿度95％以上条件下养护24h后脱模，再养护28天，即制成碳纤维/碱激发复合压敏材料。
对得到的碳纤维/碱激发复合压敏材料进行测试，测试方法同实施例1。
测试得到的产品电阻率及抗压抗折强度如下表：
表2实施例2所得产品的性能参数
性能 7天 28天
电阻率(Ω·cm) 114 123
抗折强度(MPa) 6.91 9.69
抗压强度(MPa) 51.72 66.94
实施例3
按以下重量份称取原材料：粉煤灰50份，矿渣50份，碳纤维0.68份，砂135份，碱性激发剂50份，甲基纤维素0.4份，磷酸三丁酯0.16份。其中，碱性激发剂由2份NaOH，20.6份水玻璃和27.3份水配置而成。然后按照以下步骤制备碳纤维/碱激发复合压敏材料：
1)先后将NaOH和水玻璃加入到水中，搅拌均匀得到碱性激发剂；
2)将步骤1)得到的碱性激发剂平均分成两份，其中一份加入甲基纤维素和磷酸三丁酯，搅拌2min；
3)在步骤2)得到的混合物中加入碳纤维，搅拌3min，使碳纤维分布均匀；
4)将步骤3)得到的碳纤维溶液以及步骤2)中剩余的另一份碱性激发剂加入到粉煤灰和矿渣中，搅拌1min；
5)在步骤4)得到的混合物中加入砂，搅拌2min；
6)将步骤5)得到的碳纤维/碱激发砂浆加入电极片，浇筑成型，得到如附图2所示试块；
7)在环境温度20℃±2℃，湿度95％以上条件下养护24h后脱模，再养护28天，即制成碳纤维/碱激发复合压敏材料。
对得到的碳纤维/碱激发复合压敏材料进行测试，测试方法同实施例1。
测试得到的产品电阻率及抗压抗折强度如下表：
表3实施例3所得产品的性能参数
实施例4
按以下重量份称取原材料：粉煤灰30份，矿渣70份，碳纤维0.68份，砂135份，碱性激发剂50份，甲基纤维素0.4份，磷酸三丁酯0.16份。其中，碱性激发剂由2份NaOH，14份水玻璃和32.3份水配置而成。然后按照以下步骤制备碳纤维/碱激发复合压敏材料：
1)先后将NaOH和水玻璃加入到水中，搅拌均匀得到碱性激发剂；
2)将步骤1)得到的碱性激发剂平均分成两份，其中一份加入甲基纤维素和磷酸三丁酯，搅拌2min；
3)在步骤2)得到的混合物中加入碳纤维，搅拌3min，使碳纤维分布均匀；
4)将步骤3)得到的碳纤维溶液以及步骤2)中剩余的另一份碱性激发剂加入到粉煤灰和矿渣中，搅拌1min；
5)在步骤4)得到的混合物中加入砂，搅拌2min；
6)将步骤5)得到的碳纤维/碱激发砂浆加入电极片，浇筑成型，得到如附图2所示试块；
7)在环境温度20℃±2℃，湿度95％以上条件下养护24h后脱模，再养护28天，即制成碳纤维/碱激发复合压敏材料。
对得到的碳纤维/碱激发复合压敏材料进行测试，测试方法同实施例1。
测试得到的产品电阻率及抗压抗折强度如下表：
表4实施例4所得产品的性能参数
性能 7天 28天
电阻率(Ω·cm) 275 135
抗折强度(MPa) 9.39 10.93
抗压强度(MPa) 60.66 72.65
对比例
按以下重量份称取原材料：水泥100份，水40份，碳纤维0.68份，砂135份，甲基纤维素0.4份，磷酸三丁酯0.16份。然后按照以下步骤制备碳纤维/水泥基复合压敏材料：
1)将水平均分成两份，其中一份加入甲基纤维素和磷酸三丁酯，搅拌2min；
2)在步骤1)得到的混合物中加入碳纤维，搅拌3min，使碳纤维分布均匀；
3)将步骤2)得到的碳纤维溶液以及步骤2)中剩余的另一份水加入到水泥中，搅拌1min；
4)在步骤3)得到的混合物中加入砂，搅拌2min；
5)将步骤4)得到的碳纤维/水泥基砂浆加入电极片，浇筑成型，得到如附图2所示试块；
6)在环境温度20℃±2℃，湿度95％以上条件下养护24h后脱模，再养护28天，即制成碳纤维/水泥基复合压敏材料。
对得到的碳纤维/水泥基复合压敏材料进行测试，测试方法同实施例1。
测试得到的产品电阻率及抗压抗折强度如下表：
表5对比例所得产品的性能参数
性能 7天 28天
电阻率(Ω·cm) 5946 10478
抗折强度(MPa) 8.44 11.04
抗压强度(MPa) 34.82 45.55
将上述实施例和对比例的实验数据整理如下，其中，表6为各实施例和对比例中原材料的配比，表7为各实施例和对比例所得材料的导电性能和力学性能对比表格。
表6各实施例和对比例中原材料的配比
表7各实施例和对比例所得材料的性能对比
另外，参见图3至图5，图3是实施例1至对比例碳纤维/碱激发复合压敏材料与碳纤维/水泥基复合压敏材料电阻率与养护龄期关系图；图4是实施例1至实施例4碳纤维/碱激发复合压敏材料电阻变化率与荷载关系图；图5是对比例碳纤维/水泥基复合压敏材料电阻变化率与荷载关系图。
由图3可知，实施例1-4碳纤维/碱激发复合压敏材料的电阻率受龄期的影响不大，且电阻率较低；而对比例碳纤维/水泥基复合压敏材料的电阻率随龄期的增大而增大，且电阻率比碱激发材料的电阻率大两个数量级。图4说明碳纤维/碱激发复合压敏材料的力与电阻变化率((R-R0)/R0)具有一一对应关系且稳定，非常适合作为压敏材料；而图5对比例所示的碳纤维/水泥基复合压敏材料的电阻变化率((R-R0)/R0)随着力循环次数的增加存在不断下降的趋势，变化不稳定。
最后说明的是，以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种碳纤维/碱激发复合压敏材料，其特征在于，按重量份计包括以下组分：
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维/碱激发复合压敏材料，其特征在于，所述碱性激发剂的组分及重量份数为：
NaOH 2-8份
水玻璃 14-30份
水 20-35份。
3.根据权利要求2所述的一种碳纤维/碱激发复合压敏材料，其特征在于，所述水玻璃的模数范围为0.8-2.0，所述水玻璃中的Na2O含量范围为3％-6％。
4.根据权利要求1所述的一种碳纤维/碱激发复合压敏材料，其特征在于，所述碳纤维/碱激发复合压敏材料的7天电阻率为114-816Ω·cm，7天抗压强度为51.72-63.12MPa，7天抗折强度为6.29-9.39MPa。
5.根据权利要求1所述的一种碳纤维/碱激发复合压敏材料，其特征在于，所述粉煤灰为II级粉煤灰，所述矿渣为S95级矿渣，所述的砂为ISO标准砂。
6.根据权利要求1所述的一种碳纤维/碱激发复合压敏材料，其特征在于，所述碳纤维为短切聚丙烯腈碳纤维，长度为6-7mm，单丝直径7.0μm。
7.根据权利要求1所述的一种碳纤维/碱激发复合压敏材料，其特征在于，所述分散剂为甲基纤维素，所述消泡剂为磷酸三丁酯。
8.一种碳纤维/碱激发复合压敏材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
向22.5-27.5质量份碱性激发剂中加入0.3-0.5质量份分散剂和0.1-0.2质量份消泡剂，再加入0.23-1.13质量份碳纤维，随后将得到的溶液以及22.5-27.5质量份碱性激发剂加入0-80质量份粉煤灰和20-100质量份矿渣中，最后加入118-153质量份砂，得到碳纤维/碱激发砂浆；将所述碳纤维/碱激发砂浆加入电极片，浇筑成模，脱模，养护后即得到所述碳纤维/碱激发复合压敏材料；
所述碱性激发剂包括质量比为(2-8)：(14-30)：(20-35)的NaOH、水玻璃和水。
9.根据权利要求8所述的一种碳纤维/碱激发复合压敏材料的制备方法，其特征在于，按重量计，所述碱性激发剂中的水与粉煤灰和矿渣之和的比为0.20-0.35。
10.根据权利要求8所述的一种碳纤维/碱激发复合压敏材料的制备方法，其特征在于，所述电极片为钛网，尺寸为40mm*40mm*50mm；所述养护具体为在环境温度20℃±2℃，湿度95％以上的条件下养护28天。
CN201811088083.9A 2018-09-18 2018-09-18 一种碳纤维/碱激发复合压敏材料及其制备方法 Active CN109081643B (zh)

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