CN112358237A

CN112358237A - 一种定向镀镍碳纤维的机敏水泥基材料及其制备方法

Info

Publication number: CN112358237A
Application number: CN202010883766.4A
Authority: CN
Inventors: 徐金霞; 刘力源; 汪洋
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2020-08-28
Filing date: 2020-08-28
Publication date: 2021-02-12

Abstract

本发明提供一种定向镀镍碳纤维的机敏水泥基材料，其由定向镀镍碳纤维、表面改性剂、水和水泥组成，其中镀镍碳纤维为水泥质量的0.2%~0.9%，表面改性剂的掺量为水泥质量的0.4%~0.8%，水灰比0.35~0.65；该复合材料先将水与表面改性剂充分混合，将水泥与定向镀镍碳碳纤维干混均匀，随后将水和表面改性剂混合溶液加入搅拌，所制拌合物注入塑料模具，置于磁线圈诱导装置中进行3min‑10min，养护到一定龄期后即得。碳纤维表面镀镍不仅提高了纤维的浸润性、导电和导热性能，还可以使其具有磁性在磁场中发生偏转。所制备的定向镀镍碳纤维的机敏水泥基材料导电性能得到了增强，在压敏性能上具有更好的稳定性和灵敏性。

Description

一种定向镀镍碳纤维的机敏水泥基材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种定向镀镍碳纤维的机敏水泥基材料及其制备方法，属于建筑材料技术领域。

背景技术

许多大型土木工程建筑长期遭受疲劳载荷、环境腐蚀的影响以及缺乏实时监测工程结构健康的工具等原因而处于极度失修状态，时刻危害着人们的生命安全。以导电纤维为填料的自感知水泥基复合材料具有灵敏度高、力学性能好、安装维护方便等优点可以开发出传感和健康监测能力相结合的智能基础设施，从而达到提高其可用性、安全性和可靠性的目的。但是现有的机敏水泥基复合材料导电性能差，灵敏性和稳定性都不高。

发明内容

本发明的是为了增强机敏水泥基复合材料导电性能，改善机敏水泥基材料压敏性能的灵敏性和稳定性，通过改变导电填料的取向，提供了一种定向镀镍碳纤维的机敏水泥基材料及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种定向镀镍碳纤维的机敏水泥基材料，包括定向镀镍碳纤维、表面改性剂、水和水泥，所述定向镀镍碳纤维掺量为水泥质量的0.2%~0.9%。

优选地，所述定向镀镍碳纤维长度为1~10μm，长径比为500~600。

优选地，所述表面改性剂为聚羧酸型减水剂，掺量为水泥质量的0.4%~0.8%。

优选地，所述定向镀镍碳纤维的机敏水泥基材料中的水灰比为0.35~0.65。

本发明还提供上述的定向镀镍碳纤维的机敏水泥基材料的制备方法，包括如下步骤：

将水与表面改性剂充分混合备用；

将水泥与定向镀镍碳纤维干混均匀；

将水和表面改性剂混合溶液加入到水泥与定向镀镍碳纤维混合物中搅拌；

所制拌合物注入塑料模具，置于磁场装置中诱导3~10min，从而达到镀镍碳纤维定向效果。

优选地，所述磁场装置的内部磁场强度为1.0×10³~1.0×10⁴ Gs。

纤维增强水泥基复合材料不仅具有良好的力学性能，当填充如钢纤维、碳纤维、碳纳米管及镍纳米纤维等导电填料时，具有压敏性、温敏性、湿敏性、电热性和电磁屏蔽等功能特性。纤维取向是影响纤维增强水泥基复合材料的导电性及压敏性的一个重要因素。将磁场诱导定向技术与纤维增强水泥基复合材料的制备工艺结合，研发出定向纤维增强水泥基复合材料。具有定向分布的纤维增强水泥基复合材料沿着施加磁场的方向上有更多的纤维，不仅能极大地提高了其抗折、抗裂能力，还能有效地降低其电阻率使其展现出更灵敏，且稳定的压阻特性。定向纤维增强水泥基复合材料作为一种新型自感知水泥基复合材料与混凝土结构具有天然的相容性，通过检测复合材料的电压、电阻和电容等电学特性变化，能及时有效的监测混凝土结构的应力、应变和损伤等情况。

碳纤维具有优良的性能非常适合作为导电填料，但其本身不具有磁感特性无法在磁场中形成定向分布。金属镍具有良好的电学性能、耐腐蚀性能和铁磁性。碳纤维表面镀镍不仅提高了纤维的浸润性、导电和导热性能，还使其具有磁性可以在磁场中发生偏转，达到定向效果。

本发明所达到的有益效果：镀镍碳纤维具备良好的电学性能和力学性能，表面包裹的镍涂层赋予其耐腐蚀性和铁磁性。本发明以镀镍碳纤维为导电填料，通过磁场诱导来实现水泥基材料中镀镍碳纤维的取向(定向方向系数水平高达85%以上)。碳纤维的取向明显提高了水泥基复合材料的劈裂抗拉强度，导电性能在碳纤维排布方向上得到了增强。相较于乱向镀镍碳纤维水泥基复合材料，定向镀镍碳纤维水泥基复合材料在平行磁场方向上具有更好的灵敏性和重复性。定向镀镍碳纤维水泥基复合材料在混凝土结构健康监测中广阔的应用前景与实用价值。

附图说明

图1是乱向（左图）和定向（右图）镀镍碳纤维水泥基复合材料的断层图像；

图2~4是具体实施方案中掺量为0.2%，0.3%，0.9%的镀镍碳纤维定向（右图）和乱向（左图）水泥基材料在等幅循环荷载加载下应力—电阻率变化率的关系图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案而不用于限制本发明的范围，在不改变本发明技术原理的前提下，做出任何修改都应视为本发明的保护范围。

实施例1：

本实施例中一种定向镀镍碳纤维的机敏水泥基材料由定向镀镍碳纤维、表面改性剂、水和水泥为组成。镀镍碳纤维掺量为水泥质量的0.2%，镀镍碳纤维直径为5.0μm，长径比约为500，表面改性剂为聚羧酸型减水剂，减水剂掺量为水泥质量的0.40%，水灰比为0.45。磁场装置是自制的通电螺线管，产生的内部磁场强高达1.0×10³Gs。具体制备方法是：先将水与减水剂充分混合备用；其次，水泥与碳纤维在搅拌锅干混均匀；随后，将水和减水剂混合溶液加入搅拌；最后，所制拌合物注入塑料模具，置于磁场装置诱导10min，从而达到镀镍碳纤维定向效果。养护龄期28d，试件切槽，填充导电银浆并用铜线缠绕作为电极。定向镀镍碳纤维水泥基材料的方向系数水平为0.91。从压敏性试验得到的应力—电阻率变化率曲线可以看出：两种复合材料压阻响应都不够稳定，但定向镀镍碳纤维水泥基材料的稳定性比乱向镀镍碳纤维水泥基材料更好些。

实施例2：

本实施例中一种定向镀镍碳纤维的机敏水泥基材料由定向镀镍碳纤维、表面改性剂、水和水泥为组成。镀镍碳纤维掺量为水泥质量的0.3%，镀镍碳纤维直径为7.5μm，长径比为600，表面改性剂为聚羧酸型减水剂，减水剂掺量为水泥质量的0.80%，水灰比为0.65。磁场装置是自制的通电螺线管，产生的内部磁场强高达5.0×10³Gs。具体制备方法是：先将水与减水剂充分混合备用；其次，水泥与碳纤维在搅拌锅干混均匀；随后，将水和减水剂混合溶液加入搅拌；最后，所制拌合物注入塑料模具，置于磁场装置诱导8min，从而达到镀镍碳纤维定向效果。养护龄期28d，试件切槽，填充导电银浆并用铜线缠绕作为电极。定向镀镍碳纤维水泥基材料的方向系数水平为0.89。从压敏性试验得到的应力—电阻率变化率曲线可以看出：定向镀镍碳纤维水泥基材料电阻率变化率对应力的响应更具有稳定性和重复性，其压阻特性的灵敏度系数高达909.5，表现出优异的压阻特性。

实施例3：

本实施例中一种定向镀镍碳纤维的机敏水泥基材料由定向镀镍碳纤维、表面改性剂、水和水泥为组成。其中镀镍碳纤维掺量为水泥质量的0.9%，镀镍碳纤维直径为1.0μm，长径比约为550，表面改性剂为聚羧酸型减水剂，减水剂掺量为水泥质量的0.60%，水灰比为0.35。磁场装置是自制的通电螺线管，产生的内部磁场强高达1.0×10⁴Gs。具体制备方法是：先将水与减水剂充分混合备用；其次，水泥与碳纤维在搅拌锅干混均匀；随后，将水和减水剂混合溶液加入搅拌；最后，所制拌合物注入塑料模具，置于磁场装置诱导3min，从而达到镀镍碳纤维定向效果。养护龄期28d，试件切槽，填充导电银浆并用铜线缠绕作为电极。定向镀镍碳纤维水泥基材料的方向系数水平为0.70。从压敏性试验得到的应力—电阻率变化率曲线可以看出：定向镀镍碳纤维水泥基材料电阻率变化率对应力的响应由线性变成非线性，定向镀镍碳纤维水泥基材料依然表现出更好的稳定性和重复性，压阻特性的灵敏度系数是乱向镀镍碳纤维水泥基材料的两倍。

图1是乱向（左图）和定向（右图）镀镍碳纤维水泥基复合材料的断层图像，可以清楚地看到随机取向的镀镍碳纤维水泥基复合材料中的碳纤维是无序的。相反，定向镀镍碳纤维水泥基复合材料中的碳纤维倾向于在单个方向上对齐，这表明在定向的碳纤维水泥基材料中可以形成了更多的导电路径。定向的镀镍碳纤维水泥基材料在平行于磁场的方向上具有较窄的渗滤区宽度，并且在碳纤维含量为 0.3wt.%时提前达到了渗流阈值。

图2~图4为对应实施例中，定向和乱向镀镍碳纤维水泥基材料在等幅度循环加载下应力—电阻率变化率的关系图。电阻率变化率与应力之间存在明显的相应关系，相较于乱向镀镍碳纤维水泥基材料，定向镀镍碳纤维水泥基材料在平行于磁场的方向上的压敏性能具有更好灵敏性和重复性。随着纤维含量的增加，响应曲线从线性变为非线性，同时，传感器的灵敏度降低。当碳纤维掺量为0.3wt.%时，定向碳纤维水泥基材料在平行磁场的方向上表现出优异的压阻特性，其压阻特性的灵敏度系数高达909.5。

综上所述，本发明实施案例中定向镀镍碳纤维的机敏水泥基材料是由定向镀镍碳纤维、表面改性剂、水和水泥为组成。该发明把镀镍碳纤维通过磁场装置实现了碳纤维在水泥基材料中定向效果，定向镀镍碳纤维水泥基材料的电阻率与应力相应关系具有更好的灵敏性和重复性，在应用于土工工程监测上有广阔的前景。

以上所述仅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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种定向镀镍碳纤维的机敏水泥基材料，其特征是，包括定向镀镍碳纤维、表面改性剂、水和水泥，所述定向镀镍碳纤维掺量为水泥质量的0.2%~0.9%。

2.根据权利要求1所述的定向镀镍碳纤维的机敏水泥基材料，其特征是，所述定向镀镍碳纤维长度为1~10μm，长径比为500~600。

3.根据权利要求1所述的定向镀镍碳纤维的机敏水泥基材料，其特征是，所述表面改性剂为聚羧酸型减水剂，掺量为水泥质量的0.4%~0.8%。

4.根据权利要求1所述的定向镀镍碳纤维的机敏水泥基材料，其特征是，所述定向镀镍碳纤维的机敏水泥基材料中的水灰比为0.35~0.65。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的定向镀镍碳纤维的机敏水泥基材料的制备方法，其特征是，包括如下步骤：

将水与表面改性剂充分混合备用；

将水泥与定向镀镍碳纤维干混均匀；

6.根据权利要求5所述的定向镀镍碳纤维的机敏水泥基材料的制备方法，其特征是，所述磁场装置的内部磁场强度为1.0×10³~1.0×10⁴ Gs。