CN1093520C - 一种可用作电发热材料的导电混凝土 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种混凝土，适用于电加热供暖作电发热材料的导电混凝土，它是由石墨粉、短切碳纤维、混凝土增强纤维、混凝土减水剂、混凝土增强剂、电解质、水泥、填充料构成。具有热效率高、使用寿命长、良好的化学稳定性和热稳定性，不产生环境污染；兼作为混凝土材料，可与建筑结构(墙面、地面等)有机地构成一体，能提供较大的发热面积和较宽的功率设计范围，无需占用额外的空间，将是建筑电加热供暖系统理想的电发热材料。

Description

一种可用作电发热材料的导电混凝土

本发明涉及一种混凝土，适用于电加热供暖作电发热材料的导电混凝土。

目前用于电加热供暖的电发热材料主要有电阻丝、硅钼棒、PTC电子陶瓷(正温度系数电子陶瓷)等。如普遍使用的空调器、电热油汀等，其电发热材料一般为电阻丝。远红外电暖器，部分采用硅钼棒。无论电阻丝、硅钼棒，都存在耗电大、热效率低的缺点；而且电阻丝的使用寿命短。在日本，PTC电子陶瓷相当一部分被用作为空调电发热材料，国内也有厂家在试用PTC生产空调器，PTC电子陶瓷虽有节能的优点，由于制作较大面积的PTC电子陶瓷片技术难度大，小面积的PTC电子陶瓷片由于热交换面积小难以达到理想的供暖效果。

作为理想的电加热供暖的电发热材料，在限定功率时，单位成本的电发热材料应能提供尽可能大的面积，以获得较大的热交换能力，提高加热供暖效果。专利93107944.6推出一种电热地板砖，采用石墨粉与金属粉末通过树脂粘接作为电发热材料，虽然能提供较大的热交换能力，但金属粉末易被缓慢氧化，随着时间推移，其电阻将逐渐增大，影响性能稳定性，并且作为粘接剂的有机树脂易在经常加热的条件下老化，将造成使用寿命的缩短。专利94241290.7推出碳纤维电暖装置，采用碳纤维导电发热纸作为电发热材料；碳纤维导电发热纸由于采用安全电压供电限制了功率范围，并且不可避免地伴随纸张耐老化问题。专利94247476.7推出的碳纤维电热取暖器，是采用碳纤维束、碳纤维布或碳纤维作为发热体，其造价相对较高。专利93101346.1所推出的碳素石墨电极防漏电结构离子取肯器，则是采用电解质作为电发热材料，存在制作工艺复杂、电热转换率低等问题。

虽然提高热效率可以通过增大电加热器整体的散热面积来改善，如充油电加热器、电热油汀等。电绝缘油将电发热材料电阻丝产生的热量均匀分散到整个充油体上以增大热交换能力。其采用的电绝缘油一般为多氯联苯，是一种很难自然降解的有毒物质，可以诱发皮肢癌。因此这种方法不可避免地给环境保护带来隐患。

针对上述情况，为寻求一种良好的电加热供暖的发热材料，它要求：耗电少，热效率高，使用寿命长，具有良好的化学稳定性和热稳定性，能提供较大的发热面积，并有较宽的功率设计范围，无环境污染，易于操作、施工、安装，成本低；特完成本发明。

本发明的特征是：

1、在混凝土中添加短切碳纤维和石墨粉，从而形成导电混凝土。

碳纤维是良好的导电体，电阻率在10^-3Ω·cm数量级；而且添加碳纤维能提高混凝土的抗拉、抗弯强度。添加石墨粉有利于碳纤维在混凝土中均匀分散，并增加碳纤维之间的接触导电概率，从而可以减少碳纤维的添加量以降低成本。

石墨粉与碳纤维均具有良好的导热性，相应的作为电发热材料的导电混凝土能均匀发热。由于导电混凝土可以与建筑有机地构成一体，如建筑的内墙壁、地面等，不需额外占用空间，便于安装、施工；并且能提供较大的热交换面积，热效率高。碳纤维和石墨粉除了具有良好的导电性外，还具有良好的化学稳定性和热稳定性。在混凝土的强碱性介质中，不会象金属粉末或不锈钢钢丝绒那样被逐渐腐蚀。有效地保证了作为电发热材料的导电混凝土的使用寿命和发热稳定性。

2、添加增强纤维以提高导电混凝土的抗拉、抗弯强度。

虽然碳纤维本身能有效地增强混凝土的抗拉、拉弯强度，但碳纤维价格较高，适量添加增强纤维可减少碳纤维的用量，有利于降低成本。

增强纤维可以采用短切有机纤维：芳纶纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维、聚丙烯腈纤维、聚氯乙烯纤维及其组合。该短切有机纤维的平均长度可以是3-10mm，以平均长度5mm为佳；长度大于10mm不易有效地分散在混凝土中，平均长度低于3mm则不能有效地起到混凝土增强作用。

增强纤维也可以采用无机纤维：玻璃纤维和陶瓷纤维。或者将无机纤维与上述短切有机纤维组合使用。

在建筑中还在大量使用的石棉纤维在作为电发热材料的导电混凝土中不能添加，因石棉纤维具有一定的致癌性，以免由于加热而引起少量挥发，对人体健康造成影响。

3、加混凝土减水剂，以使水泥水化完全，并有利于碳纤维、石墨粉、增强纤维分散均匀，促进碳纤维、石墨粉、增强纤维与水泥之间的亲合，提高导电混凝土强度。

所采用的混凝土减水剂可以是聚丙烯酰胺、聚环氧乙烷、聚环氧丙烷、环氧乙烷与环氧丙烷共聚物、木质素磺酸盐、嘧胺甲醛缩合物磺酸盐、(C₈-C₁₄)烷基苯磺酸盐、(C₈-C₁₄)烷基萘磺酸盐及其组合物。

混凝土减水剂加入量不宜超过混凝土干基重量的2％，否则会引起过多的气泡，致使导电混凝土电阻增大。

4、添另混凝土增强剂可以提高导电混凝土的强度。

所采用的混凝土增强剂可以是乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、异丙醇胺、二异丙醇胺、三异丙醇胺的单一组份及其混合物。

烷醇胺可以在混凝土的砂浆的制作中防止氢氧化铁胶体包裹水泥颗粒而阻断水化，造成混凝土强度下降。

5、添加电解质以提高导电混凝土的导电和发热性能，并能在导电混凝土砂浆的施工和预制件制作中起到防冻、速干效果，提高混凝土强度。

所添加的电解质可以是钾、钠的硫酸盐、亚硫酸盐硝、硝酸盐、亚硝酸盐、磷酸盐和氯化钠、氯化钾、氯化钙、硫酸铝中的任意一种或其组合。

6、在导电混凝土中采用的填充料可以是普通砂石料，也可以是粉煤灰、非晶质二氧化硅、石英粉、岩石粉、粘土、高炉矿渣、火山灰碳酸盐及其组合。作为废渣、废料的综合利用，也不失为一条良好的途径。

众所周知，在混凝土砂浆制作中水的添加量可因施工条件有较大范围的变动，但不影响混凝土制作的性能。下面就混凝土干基的组成论述作为电发热材料的混凝土各组份的组成比例。

本发明由以下组份组成(各组份的百分含量均指相对于混凝土干基重量的百分含量)：

1、石墨粉和短切碳纤维混合物         0.05～5％

其中石墨粉与短切纤维的重量比例可以为1∶0.1～10；

短切碳纤维的平均长度可以是2～12mm。

2、增强纤维                             0～5％

增强纤维可以是平均长度为3～10mm的短切有机纤维：芳纶纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维、聚丙烯腈纤维、聚氯乙烯纤维中的任意一种及其组合。

增强纤维也可以是无机纤维：玻璃纤维和陶瓷纤维中的任意一种及其组合。

增强纤维也可以是上述短切有机纤维与无机纤维的组合。

3、混凝土减水剂            0.01～2％

混凝土减水剂可以是聚丙烯酰胺、聚环氧乙烷、聚环氧丙烷、环氧乙烷与环氧丙烷共聚物、木质素磺酸盐、嘧胺甲醛缩合物磺酸盐、(C₈-C₁₄)烷其苯磺酸盐、(C₈-C₁₄)烷基萘磺酸盐中的任意一种及其组合。

4、混凝土增强剂            0.01～1％

混凝土增强剂可以是乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、异丙醇胺、二异丙醇胺、三异丙醇胺的任意一种及其组合。

5、电解质                  0.01～2％

电解质可以是硫酸钾、硫酸钠、亚硫酸钾、亚硫酸钠、硝酸钾、硝酸钠、亚硝酸钾、亚硝酸钠、磷酸钾、磷酸钠、氯化钠、氯化钾、氯化钙、硫酸铝中的任意一种及其组合。

6、填充料                  0～60％

填充料可以是普通砂子、粉煤灰、非晶质二氧化硅、石英粉、岩石粉、粘土、高炉矿渣、火山灰碳酸盐中的任意一种及其组合。

7、水泥             30～98％

制作时，先将石墨粉、短切纤维、增强纤维、填充料、水泥按比例称重后，搅匀得混合物A；然后将所需的混凝土减水剂、混凝土增强剂、电解质按比例称重后，溶解于所需添加的水中制得水溶液B；再将水溶液B加入上述混合物中搅拌均匀即得导电混凝土砂浆。以此砂浆可制作用于供暖的电发热导电混凝土预制件，或以此砂浆直接施工作电发热混凝土墙壁或地面。

实施例1.

石墨粉                          15g

碳纤维(平均长度6mm)             10g

聚丙烯酰胺                      5g

三异丙酰胺                      1g

硝酸钠                          5g

氯化钠                          5g

砂子(60～80目)                  160g

水泥425^#                       800g

水                              300g

所制的混凝土砂浆制作10.0cm g 2.0cm×0.5cm的混凝土样品，在相对湿度为60～70％的条件，室温为15～20℃时自然干燥7天后，测得的电阻率为50.2Ω·cm；28天后测得电阻率为50.6Ω·cm；40天后测得电阻率为50.3Ω·cm。

以此比例制作的混凝土砂浆即可加工成0.5～1.0cm厚的导电混凝土预制板，用作电发热材料或直接施工制成一定厚度的电发热混凝土墙面或地面。

实施例2.

石墨粉                       60g

碳纤维(平均长度6mm)          8g

聚丙烯纤维(平均长度5mm)          5g

木质素磺酸钠                     5g

聚环氧乙烷(平均分子量3000)       5g

三异丙酰胺                       2g

硫酸钠                           5g

硝酸钠                           5g

石英砂(40～80目)                 250g

粉煤灰                           50g

水泥525^*                        600g

水                               250g

所制的混凝土砂浆制作10.0cm×2.0cm×0.5cm的混凝土样品，在相对湿度为60～70％的条件，室温为15～20℃时自然干燥7天的后，测得的电阻率为72.8Ω·cm；28天后测得电阻率为72.4Ω·cm；40天后测得电阻率为72.5Ω·cm。

据此参数，可以按此混凝土组成设计加工导电混凝土预制件以及现场施工电发热混凝土墙面或地面。

Claims (3)

1.一种用作电发热的导电混凝土，其特征在于以水泥、填充料为基本材料，加入石墨粉和平均长度为2～12mm的短切碳纤维的混合物作为导电材料，再复合添加增强纤维、混凝土减水剂、混凝土增强剂、电解质构成；其中各组分相对于该混凝土干基重量的百分含量为：

(1).石墨粉和平均长度为2～12mm的短切碳纤维混合物   0.05～5％

(2).增强纤维                    0～5％

(3).混凝土减水剂              0.01～2％

(4).混凝土增强剂              0.01～1％

(5).电解质                    0.01～2％

(6).填充料                      0～60％

(7).水泥                       30～98％

其中所述的石墨粉和平均长度为2～12mm的短切碳纤维的混合物的重量比例为1∶0.1～10；

其中所述的混凝土减水剂至少是聚丙烯酰胺、聚环氧乙烷，聚环氧丙烷，环氧乙烷与环氧丙烷共聚物木质素磺酸盐、嘧胺甲醛缩合物磺酸盐、C8～C14烷基苯磺酸盐、C8～C14烷基萘磺酸盐中的一种；

其中所述的混凝土增强剂至少是乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、异丙醇胺、二异丙醇胺、三异丙醇胺的一种；

其中所述的电解质至少是硫酸钾、硫酸钠、亚硫酸钾、亚硫酸钠、硝酸钾、硝酸钠、亚硝酸钾、亚硝酸钠、磷酸钾、磷酸钠、氯化钠、氯化钾、氯化钙、硫酸铝中的一种。

2.根据权利要求1所述的用作电发热材料的导电混凝土，其特征在于所采用的增强纤维至少是平均长度为3～10mm的短切芳纶纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维、聚丙烯腈纤维、聚氯乙烯纤维、玻璃纤维和陶瓷纤维中的一种。

3.根据权利要求1所述的用作电发热材料的导电混凝土，其特征在于所采用的填充料至少是普通沙子、粉煤灰、非晶质二氧化硅、石英粉、岩石粉、粘土、高炉矿渣、火山灰碳酸盐中的一种。