CN109678427A - 纳米碳黑水泥基复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改善碳纤维分散性的纳米碳黑水泥基复合材料及其制备方法，其改善碳纤维分散性的纳米碳黑水泥基复合材料，包括碳纤维、水泥、砂、碎石、分散剂、减水剂、消泡剂、纳米碳黑、微硅粉；所述的碳纤维掺量为0.7‑0.8％，水灰比为0.5‑0.6，砂灰比为1:0.8‑1:1.2，减水剂掺量为0.5‑1.5％，消泡剂掺量为0.01‑0.05％，纳米碳黑掺量为0.1‑0.8％，微硅粉掺量为13‑18％。本发明的改善碳纤维分散性的纳米碳黑水泥基复合材料，加入纳米碳黑和微硅粉协同作用可以填充水泥与纤维缝隙，配合分散剂大大提高了碳纤维的分散性，微硅粉中的SiO₂等活性成分会与水泥水化产物Ca(OH)₂发生反应，生成C‑S‑H(CaO‑SiO₂‑H₂O)凝胶，提高骨料与水泥浆体间的粘结强度，并且纳米碳黑本身具有导电性，加入纳米碳黑有助于降低材料的电阻率。

Description

纳米碳黑水泥基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及水泥基复合材料技术领域，特别涉及一种改善碳纤维分散性的纳米碳黑水泥基复合材料及其制备方法。

背景技术

碳纤维是由有机纤维经碳化而成，具有高强、高模、耐腐蚀、导电、导热等特性的纤维状材料。将其加入到水泥基体得到的碳纤维水泥基复合材料 (CFCC)具有良好的抗拉、抗弯等力学性能，而且还具备导电、导热等性能。利用其压敏特性和较高的灵敏度可进行实时监控，而温敏特性可用于路面融雪化冰等，具有广阔的应用前景。

CFCC的压敏性、温敏性和电热性能都与它的导电性能密切相关，导电性能的优劣直接影响CFCC的机敏程度。CFCC的导电性受碳纤维散布状态最差的断面或构件中因纤维分散不良而形成纤维数量最少的断面的导电行为所支配。这意味着CFCC中碳纤维分散的均匀性越差，其利用率就越低。由于碳纤维的几何特性及其表面疏水性，在机械搅拌力的作用下，碳纤维会趋于团聚而凝成纤维块，这极大地限制了碳纤维水泥基材料作为机敏材料的工程推广。另外，近年来随着纳米级材料的兴起，人们开始针对掺加了纳米碳黑、碳纳米管等微细导电材料的混凝土展开了研究。已有研究结果表明，将导电相掺入到普通混凝土中，发现混凝土的电阻率大幅度降低。而碳纤维混凝土在掺加了纳米碳黑后是否还能保持碳纤维良好的分散性，目前对该问题的研究较少。

在碳纤维分散性问题上，国内学者研究了碳纤维掺量、搅拌工艺、外加剂等对分散性的影响，但对碳纤维分散性影响最大的分散剂的选择及掺量研究较少。

因此，有必要对现有技术进行改进以解决上述技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种改善碳纤维分散性的纳米碳黑水泥基复合材料及其制备方法，使得复合材料中碳纤维的分散更加均匀，从而提高材料的导电性、强度、韧性和抗裂性能。具体而言通过以下技术方案实现：

本发明的改善碳纤维分散性的纳米碳黑水泥基复合材料，包括碳纤维、水泥、砂、碎石、分散剂、减水剂、消泡剂、纳米碳黑、微硅粉；所述的碳纤维掺量为0.7-0.8％，水灰比为0.5-0.6，砂灰比为1:0.8-1:1.2，减水剂掺量为 0.5-1.5％，消泡剂掺量为0.01-0.05％，纳米碳黑掺量为0.1-0.8％，微硅粉掺量为13-18％。

优选技术方案中，所述碳纤维采用长度为9-12mm的碳纤维。

优选技术方案中，所述碳纤维采用经过氧化处理的碳纤维。

优选技术方案中，所述氧化处理采用质量分数为65％的浓硝酸进行。

优选技术方案中，所述分散剂采用掺量为0.4％-0.42％的甲基纤维素、掺量为0.75％-0.8％的羧甲基纤维素钠或者掺量为0.45％-0.73％的羟乙基纤维素。

优选技术方案中，所述分散剂采用掺量为0.6％的羟乙基纤维素。

本发明还公开了一种改善碳纤维分散性的纳米碳黑水泥基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)碳纤维氧化处理：

a.将称好的碳纤维放入容器中；

b.向烧瓶中注入质量分数为65％浓硝酸溶液，使碳纤维完全被浸没；

c.搅拌一分钟后将容器在110℃下加热10小时；

d.将溶液倒出，先用蒸馏水洗三遍，然后用乙醇洗一遍，再用蒸馏水洗一遍；

e.将碳纤维置于干燥箱中烘干4小时后拿出；

(2)水泥基复合材料制备：

f.将水与分散剂和消泡剂搅拌均匀；

g.将步骤(1)得到的氧化处理过的碳纤维加入分散剂溶液中搅拌均匀；

h.将纳米碳黑、微硅粉、水泥、砂石、减水剂放入搅拌机中预搅拌；

i.将碳纤维分散溶液加入搅拌机中搅拌；

j.入模，振动，插入电极；

k.24h后脱模，室温下浸水养护。

本发明的有益效果：本发明的改善碳纤维分散性的纳米碳黑水泥基复合材料，加入纳米碳黑和微硅粉协同作用可以填充水泥与纤维缝隙，配合分散剂大大提高了碳纤维的分散性，微硅粉中的SiO₂等活性成分会与水泥水化产物 Ca(OH)₂发生反应，生成C-S-H(CaO-SiO₂-H₂O)凝胶，提高骨料与水泥浆体间的粘结强度，并且纳米碳黑本身具有导电性，加入纳米碳黑有助于降低材料的电阻率。

本发明的其他有益效果将结合下文具体实施例中进行进一步的说明。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为四电极法测试电阻的原理图。

具体实施方式

本实施例中的改善碳纤维分散性的纳米碳黑水泥基复合材料，包括碳纤维、水泥、砂、碎石、分散剂、减水剂、消泡剂、纳米碳黑、微硅粉；所述的碳纤维掺量为0.7-0.8％，水灰比为0.5-0.6，砂灰比为1:0.8-1:1.2，石灰比为 1.2-1.5，减水剂掺量0.5-1.5％，消泡剂掺量为0.01-0.05％，纳米碳黑掺量为 0.1-0.8％，微硅粉掺量为13-18％。如无特别说明，本申请中的所有比例都是指质量比，掺量是针对于水泥而言。其中的碳纤维采用聚丙烯腈基碳纤维，聚丙烯腈基碳纤维即为PAN基碳纤维，不仅电阻值稳定，其导电性能可达到沥青基碳纤维的7倍之多。水泥采用河南孟电集团水泥有限公司生产的42.5级普通硅酸盐水泥。砂采用细度模数为2.6的河砂。碎石最大粒径分别为9.5mm、16mm 和19mm的碎石(采用连续级配)。减水剂采用FDN高效减水剂。消泡剂采用天津富宇精细化工有限公司生产的磷酸三丁脂。纳米碳黑采用北京德科岛金科技有限公司生产的纳米碳黑，比表面积在500m²/g。水灰比即水的用量与水泥用量的质量比值，当水灰比较大时，混凝土拌合物的流动性相对较好，加入碳纤维时，碳纤维能得到更好的分散；当水灰比较小时，流动性较差，碳纤维在混凝土中的分散遭受更大的阻力，不易于分散。砂灰比即砂与水泥的质量比值，砂灰比较大时，沙子与水泥形成的浆体较多，掺入碳纤维时，碳纤维在浆体中分散的空间较大，均匀性较好；砂灰比较小时，形成的浆体少，分散空间和分散性都不好。石灰比及碎石与水泥的质量比值。

本实施例中，所述碳纤维采用长度为9-12mm的碳纤维。碳纤维单丝长度越长，相互之间越容易搭接，更容易形成导电通道，但是碳纤维单丝长度过长不利于碳纤维在混凝土中均匀分散，反而会影响导电率，以9-12mm为宜。

本实施例中，所述碳纤维采用经过氧化处理的碳纤维，氧化可以采用气相氧化法和液相氧化法。碳纤维直径细小，表面不含活性基团、呈现疏水性。碳纤维水泥基复合材料的性能和纤维水泥浆体的粘结强度有关。而纤维水泥浆体的粘结强度与碳纤维比表面积大小有关，碳纤维的面活性又受处于边缘位置的碳原子数目的影响，边缘处的碳原子数目越多，比表面积越大，碳纤维的表面活性就越强。对碳纤维进行表面氧化处理可以提高纤维在溶液中的浸润性和在基体中的黏结性能，从而改善纤维在水泥浆体中的分散性。对碳纤维表面氧化处理后，纤维表面所含的各种含氧极性基团和沟壑明显增多，粗糙程度增加，但对纤维主体的破坏很小。

本实施例中，所述氧化处理采用质量分数为65％的浓硝酸进行。用硝酸氧化碳纤维，可使其表面产生羧基、羟基等酸性基团，而且碳纤维的比表面积能得到显著提高，并且采用液相氧化，工艺简单。当然也可以采用次氯酸钠进行氧化，通过扫描电子显微镜的观察，未经处理的碳纤维表面存在一些窄而浅的轴向沟槽，这是因为碳纤维生产过程中由带状微纤遗留下来的，即基碳纤维在出厂时自身带的沟槽；而经浓硝酸处理的碳纤维表面的轴向沟槽明显增多且加深；经次氯酸钠溶液处理的碳纤维表面同样呈现出深而明显的轴向沟槽，而且表面粗糙状的颗粒增多。对碳纤维进行表面氧化处理，可以改变碳纤维的表面形貌，是因为强氧化性溶液在碳纤维表面产生氧化刻蚀作用，从而使碳纤维表面沟槽加深，有利于碳纤维与水泥基体界面更好地结合。浓硝酸处理过的碳纤维与水泥基体界面粘结最好，纤维表面粘附的基体物质也最多，这将对碳纤维水泥基材料的力学性能起到很好的增强和改善作用。

本实施例中，所述分散剂采用掺量为0.4％-0.42％的甲基纤维素、掺量为0.75％-0.8％的羧甲基纤维素钠或者掺量为0.45％-0.73％的羟乙基纤维素。碳纤维表面含有极性羰基、羧基基团，它们可与水分子之间形成氢键，使碳纤维具有一定的亲水性和浸润性。而甲基纤维素、羧甲基纤维素钠和羟乙基纤维素的分子链结构单元中都含有稳定的六元环和极性羟基基团，这些极性基团会与碳纤维表面的极性基团形成氢键或范德华力作用，将碳纤维包裹起来，形成“囊包”，分散剂包裹于碳纤维表面，在固—液界面上产生了正吸附，界面上的表面活性剂浓度增加。当分散剂质量分数太小时，黏度太低不足以使碳纤维被极性基团包围形成“囊包”；随着分散剂质量分数的增加，自由能逐渐降低，体系的热稳定性增加，最终使体系向分散稳定的方向发展，使碳纤维呈现良好的分散状态；随着分散剂质量分数的进一步增加，黏度过大而影响了分散体系的流动性阻碍碳纤维的分散。所以，只有在分散剂质量分数适当时，合适的黏度会使分散体系中形成无数微小的“囊包”，碳纤维才能更均匀地分散在体系中。

本实施例中，所述分散剂采用掺量为0.6％的羟乙基纤维素。掺量为0.6％的羟乙基纤维素对碳纤维质量和混凝土电阻率的影响最小。

本发明还公开了一种改善碳纤维分散性的纳米碳黑水泥基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)碳纤维氧化处理：

a.将称好的碳纤维放入容器中；

b.向烧瓶中注入质量分数为65％浓硝酸溶液，使碳纤维完全被浸没；

c.搅拌一分钟后将容器在110℃下加热10小时；

d.将溶液倒出，先用蒸馏水洗三遍，然后用乙醇洗一遍，再用蒸馏水洗一遍；

e.将碳纤维置于干燥箱中烘干4小时后拿出；

(2)水泥基复合材料制备：

f.将水与分散剂和消泡剂搅拌均匀；

g.将步骤(1)得到的氧化处理过的碳纤维加入分散剂溶液中搅拌均匀；

h.将纳米碳黑、微硅粉、水泥、砂石、减水剂放入搅拌机中预搅拌；

i.将碳纤维分散溶液加入搅拌机中搅拌；

j.入模，振动，插入电极；

k.24h后脱模，室温下浸水养护。

下面结合具体实施方式对本发明作进一步说明：

实施例一

将3.8份碳纤维放入500ml的锥形烧瓶中；向烧瓶中注入浓硝酸溶液，使碳纤维完全被浸没；用玻璃棒搅拌一分钟后将烧瓶放入电热鼓风干燥箱中，110℃下加热10小时；将溶液倒出，先用蒸馏水洗三遍，然后用乙醇洗一遍，再用蒸馏水洗一遍；将碳纤维置于电热鼓风干燥箱中烘干4小时后拿出。其中的份数都是指重量份。

将水271份与分散剂甲基纤维素2.2份和消泡剂磷酸三丁酯0.05份搅拌均匀；将表面氧化处理过的碳纤维加入分散剂溶液中搅拌均匀；将纳米碳黑0.5 份、微硅粉70.4份、水泥542份、砂433.6份、碎石650.4份、减水剂2.7份放入搅拌机中预搅拌；将碳纤维分散溶液加入搅拌机中搅拌；入模，振动，插入电极；24h后脱模，室温下浸水养护。

抗压强度测试：室温下浸水养护28天后进行抗压强度试验，采用万能材料试验机按照3kN/S的速率施加荷载。试验时使试件中心和材料试验机的下压板中心对齐，记录下破坏荷载，抗压强度按照公式f_cu＝0.95P/A计算，A为试件受压截面面积。抗压强度达到36.25MPa。而不加分散剂、不掺纳米碳黑、不掺微硅粉、碳纤维不经氧化处理的碳纤维水泥基复合材料抗压强度仅为31.72MPa，本实施例中的纳米碳黑碳纤维导电混凝土较于同等条件下的碳纤维混凝土，体现出较好的抗裂性。

电阻率测试：采用四电极法测试电阻。试件在振动成型过程中，在两端安插不锈钢网作为电极，测试时按照下图电路连接电源、电压表、电流表和试件。设定电压为10V，通电1小时，待电表示数稳定后记录数值，并按照以下公式计算电阻率：R＝U/I，ρ＝RS/L，其中S为电极与试件的接触面积，L为连接电压表的两电极之间的距离。测得电阻率为1.3Ω·m。

实施例二

将4.3份碳纤维放入500ml的锥形烧瓶中；向烧瓶中注入浓硝酸溶液，使碳纤维完全被浸没；用玻璃棒搅拌一分钟后将烧瓶放入电热鼓风干燥箱中，110℃下加热10小时；将溶液倒出，先用蒸馏水洗三遍，然后用乙醇洗一遍，再用蒸馏水洗一遍；将碳纤维置于电热鼓风干燥箱中烘干4小时后拿出。其中的份数都是指重量份。

将水300份与分散剂羧甲基纤维素钠4.3份和消泡剂磷酸三丁酯0.12份搅拌均匀；将表面氧化处理过的碳纤维加入分散剂溶液中搅拌均匀；将纳米碳黑 4.3份、微硅粉97.5份、水泥542份、砂650.4份、碎石813份、减水剂8.1 份放入搅拌机中预搅拌；将碳纤维分散溶液加入搅拌机中搅拌；入模，振动，插入电极；24h后脱模，室温下浸水养护。

抗压强度测试方法与实施例一相同，测得抗压强度为39MPa。

电阻率测试方法与实施例一相同，测得电阻率为1.1Ω·m。

实施例三

将4.1份碳纤维放入500ml的锥形烧瓶中；向烧瓶中注入浓硝酸溶液，使碳纤维完全被浸没；用玻璃棒搅拌一分钟后将烧瓶放入电热鼓风干燥箱中，110℃下加热10小时；将溶液倒出，先用蒸馏水洗三遍，然后用乙醇洗一遍，再用蒸馏水洗一遍；将碳纤维置于电热鼓风干燥箱中烘干4小时后拿出。其中的份数都是指重量份。

将水325.2份与分散剂羟乙基纤维素3.2份和消泡剂磷酸三丁酯0.27份搅拌均匀；将表面氧化处理过的碳纤维加入分散剂溶液中搅拌均匀；将纳米碳黑 3.2份、微硅粉80份、水泥542份、砂500份、碎石700份、减水剂5.6份放入搅拌机中预搅拌；将碳纤维分散溶液加入搅拌机中搅拌；入模，振动，插入电极；24h后脱模，室温下浸水养护。

抗压强度测试方法与实施例一相同，测得抗压强度为38MPa。

电阻率测试方法与实施例一相同，测得电阻率为0.9Ω·m。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的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宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种改善碳纤维分散性的纳米碳黑水泥基复合材料，其特征在于：包括碳纤维、水泥、砂、碎石、分散剂、减水剂、消泡剂、纳米碳黑、微硅粉；所述的碳纤维掺量为0.7-0.8％，水灰比为0.5-0.6，砂灰比为1:0.8-1:1.2，减水剂掺量为0.5-1.5％，消泡剂掺量为0.01-0.05％，纳米碳黑掺量为0.1-0.8％，微硅粉掺量为13-18％。

2.根据权利要求1所述的改善碳纤维分散性的纳米碳黑水泥基复合材料，其特征在于：所述碳纤维采用长度为9-12mm的碳纤维。

3.根据权利要求2所述的改善碳纤维分散性的纳米碳黑水泥基复合材料，其特征在于：所述碳纤维采用经过氧化处理的碳纤维。

4.根据权利要求3所述的改善碳纤维分散性的纳米碳黑水泥基复合材料，其特征在于：所述氧化处理采用质量分数为65％的浓硝酸进行。

5.根据权利要求1所述的改善碳纤维分散性的纳米碳黑水泥基复合材料，其特征在于：所述分散剂采用掺量为0.4％-0.42％的甲基纤维素、掺量为0.75％-0.8％的羧甲基纤维素钠或者掺量为0.45％-0.73％的羟乙基纤维素。

6.根据权利要求5所述的改善碳纤维分散性的纳米碳黑水泥基复合材料，其特征在于：所述分散剂采用掺量为0.6％的羟乙基纤维素。

7.一种改善碳纤维分散性的纳米碳黑水泥基复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)碳纤维氧化处理：

a.将称好的碳纤维放入容器中；

b.向烧瓶中注入质量分数为65％浓硝酸溶液，使碳纤维完全被浸没；

c.搅拌一分钟后将容器在110℃下加热10小时；

d.将溶液倒出，先用蒸馏水洗三遍，然后用乙醇洗一遍，再用蒸馏水洗一遍；

e.将碳纤维置于干燥箱中烘干4小时后拿出；

(2)水泥基复合材料制备：

f.将水与分散剂和消泡剂搅拌均匀；

g.将步骤(1)得到的氧化处理过的碳纤维加入分散剂溶液中搅拌均匀；

h.将纳米碳黑、微硅粉、水泥、砂石、减水剂放入搅拌机中预搅拌；

i.将碳纤维分散溶液加入搅拌机中搅拌；

j.入模，振动，插入电极；

k.24h后脱模，室温下浸水养护。