CN112521077B - 一种水泥基导电复合材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水泥基导电复合材料，属于冶金固废资源综合利用领域。该材料包括如下重量组分的混合料：水泥450份、高钛型高炉渣的碳化产物990～1332份、水225～485份、石墨18～360份或碳纤维0.9～9份。所述碳化渣由攀钢含钛高炉渣经高温碳化后所得，且经破碎后过200目标准筛。本发明制备的水泥基导电复合材料实现了高钛型高炉渣的碳化产物的全组分、高附加值利用，且不产生二次污染；与传统导电水泥砂浆相比，该复合材料在相同导电相含量的条件下具有更低的电阻率和更高的抗压强度；在室内加热取暖、户外融雪化冰、建筑物的电磁屏蔽、电力系统的接地等领域具有广阔的应用前景。

Description

一种水泥基导电复合材料
技术领域
本发明属于冶金固废资源综合利用领域，具体涉及一种利用高钛型高炉渣的碳化产物制备的水泥基导电复合材料。
背景技术
我国钒钛磁铁矿储量丰富，其中四川攀枝花-西昌地区已探明储量近100亿吨，约占全球储量的50％。目前，我国主要采用高炉-转炉冶炼工艺提取钒钛磁铁矿中的铁、钒资源，而对于其中的钛资源利用尚未有经济、成熟的处理工艺。钒钛磁铁矿经选矿和高炉冶炼工艺处理后，超过50％的钛元素进入高炉渣中，形成我国特有的高钛型高炉渣，其中TiO2含量可达20％～30％。含钛高炉渣作为固体废弃物，堆弃于渣场，给社会带来钛资源浪费和环境污染的双重压力。
从含钛高炉渣中提取钛资源最主要的方式是制备钛白粉TiO2，但由于含钛高炉渣中含钛量比钛精矿要低，以含钛高炉渣为原料生产钛白粉的成本高，且所生产的钛白粉质量相对较低。由攀钢集团公司开发的“高温碳化-低温氯化”工艺可有效提取含钛高炉渣中的钛，并建成了年产万吨的产业化示范线。该工艺先将液态含钛高炉渣经高温(1600～1800℃)碳化后生成含TiC的碳化渣；然后将碳化渣细颗粒在流化床上进行低温(400～550℃)氯化生成TiCl4气体，冷却后得到TiCl4颗粒；废渣可作为建筑材料。该法渣中TiO2的还原率可稳定控制在85％以上，但低温氯化率低，且在废渣中带入大量氯离子，对环境危害较大。
水泥基导电复合材料是由水泥、导电相、集料和水等组分，按照一定配比混合凝结而成的多相复合材料。水泥基导电复合材料可用于制备具有电性能的水泥基涂料、浆和混凝土，可广泛应用于工业防静电、建筑物屏蔽电磁波、路面融雪化冰以及非金属电热元件等工程。目前，水泥基导电复合材料的导电相一般为石墨、炭黑和碳纤维，但高含量的石墨和炭黑会大幅度降低水泥基复合材料的强度，而碳纤维则存在成本高、难以分散等问题。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是提供一种用高钛型高炉渣的碳化产物制备的水泥基导电复合材料，以期实现对高钛高炉渣的全组分利用，且不产生二次污染。
本发明是通过以下技术方案予以实现的。
本发明提供了一种水泥基导电复合材料，它由以下重量份数的组份制备得到：
Figure BDA0002839617450000021
进一步的，所述石墨粉体粒径为500～5000目。
本发明同时提供了另一种水泥基导电复合材料，它由以下重量份数的组份制备得到：
Figure BDA0002839617450000022
进一步的，所述碳纤维的长度为4～8mm。
进一步的，所述分散剂为甲基纤维素。
进一步的，所述碳化渣由攀钢含钛高炉渣经高温碳化后所得，且经破碎后过200目标准筛。
进一步的，所述水泥为硅酸盐水泥，强度等级为42.5。
当所述导电相为石墨时，所述水泥基导电复合材料的制备方法，包括下属步骤：(1)将碳化渣、水泥和水放入净浆搅拌机内先进行30s的慢拌；(2)加入石墨后先低速搅拌30s，再高速搅拌30s；(3)将胶砂装入试模中并放到振实台上振平；(4)将装有胶砂的试模放入标准恒温恒湿养护箱养护24h，养护温度为20℃，湿度≥95％；(5)脱模，将试件水平置于水中并放入养护箱中养护28d，水温为20℃；(6)将试件置于90℃烘箱中，干燥24h。
当所述导电相为碳纤维时，所述水泥基导电复合材料的制备方法，包括下属步骤：(1)将甲基纤维素加入到60℃的水中，搅拌均匀后加入碳纤维，继续搅拌30min使其均匀分散在水中。(2)将碳化渣、水泥和部分水放入净浆搅拌机内先进行30s的慢拌；(3)加入碳纤维分散液后先低速搅拌30s，再高速搅拌30s；(4)将胶砂装入试模中并放到振实台上振平；(5)将装有胶砂的试模放入标准恒温恒湿养护箱养护24h，养护温度为20℃，湿度≥95％；(6)脱模，将试件水平置于水中并放入养护箱中养护28d，水温为20℃；(7)将试件置于90℃烘箱中，干燥24h。
本发明的技术原理是：(1)高钛型高炉渣经高温碳化还原后产生的碳化渣中含有的大量的TiC和未反应完的焦炭等物质，而这些物质均具有良好的导电性能，使用碳化渣代替标准砂，可有效降低复合材料中导电相的含量，或者说，当导电相含量相同时，使用碳化渣替代标准砂，所得复合材料具有更低的电阻率；(2)碳化渣经高温处理，具有比标准砂更高的强度，可有效提升复合材料的强度。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
1、本发明实现了碳化渣的全组分、高附加值利用，且不产生二次污染。
2、与传统导电水泥砂浆相比，本发明制备的复合材料在相同导电相含量的条件下具有更低的电阻率和更高的抗压强度。
3、本发明所制备的水泥基导电复合材料在室内加热取暖、户外融雪化冰、建筑物的电磁屏蔽、电力系统的接地等领域都具有广泛的应用前景。
具体实施方式
为了进一步了解本发明的技术内容，以下将结合具体实施例进行说明，但本发明不局限于下述实施例。
实施例1
原料重量份数如下：水泥450份，碳化渣1332份，水225份，5000目石墨18份。制备过程如下：(1)将碳化渣、水泥和水放入净浆搅拌机内先进行30s的慢拌；(2)加入石墨后先低速搅拌30s，再高速搅拌30s；(3)将胶砂装入试模中并放到振实台上振平；(4)将装有胶砂的试模放入标准恒温恒湿养护箱养护24h，养护温度为20℃，湿度95％；(5)脱模，将试件水平置于水中并放入养护箱中养护28d，水温为20℃；(6)将试件置于90℃烘箱中，干燥24h。
所得水泥基复合材料的电阻率为165.0Ω.m,抗压强度为62.5MPa，作为对比，将碳化渣替换成标准砂，相同条件下所得水泥基复合材料的电阻率为1030.0Ω.m，抗压强度为40.9MPa。
实施例2
原料重量份数如下：水泥450份，碳化渣1170份，水397份，5000目石墨180份。制备过程与实施例1相同，在此不再赘述。
所得水泥基复合材料的电阻率为2.9Ω.m,抗压强度为33.9MPa，作为对比，将碳化渣替换成标准砂，所得水泥基复合材料的电阻率为14.6Ω.m，抗压强度为24.6MPa。
实施例3
原料重量份数如下：水泥450份，碳化渣990份，水485份，5000目石墨360份。制备过程与实施例1相同，在此不再赘述。
所得水泥基复合材料的电阻率为0.52Ω.m,抗压强度为23.25MPa，作为对比，将碳化渣替换成标准砂，所得水泥基复合材料的电阻率为1.01Ω.m，抗压强度为4.2MPa。
实施例4
原料重量份数如下：水泥450份，碳化渣1350份，水225份，6mm长碳纤维5份，甲基纤维素1.8份。制备过程如下：(1)将分散剂加入到60℃的水中，搅拌均匀后加入碳纤维，继续搅拌30min使其均匀分散在水中。(2)将碳化渣、水泥和部分水放入净浆搅拌机内先进行30s的慢拌；(3)加入碳纤维分散液后先低速搅拌30s，再高速搅拌30s；(3)将胶砂装入试模中并放到振实台上振平；(4)将装有胶砂的试模放入标准恒温恒湿养护箱养护24h，养护温度为20℃，湿度95％；(6)脱模，将试件水平置于水中并放入养护箱中养护28d，水温为20℃；(7)将试件置于90℃烘箱中，干燥24h。
所得水泥基复合材料的电阻率为160.0Ω.m,抗压强度为34.9MPa，作为对比，将碳化渣替换成标准砂，所得水泥基复合材料的电阻率为336.0Ω.m，抗压强度为24.4MPa。
实施例5
原料重量份数如下：水泥450份，碳化渣1350份，水225份，6mm长碳纤维9份，甲基纤维素1.8份。制备过程与实施例4相同，在此不再赘述。
所得水泥基复合材料的电阻率为10.9Ω.m,抗压强度为39.9MPa，作为对比，将碳化渣替换成标准砂，所得水泥基复合材料的电阻率为102.0Ω.m，抗压强度为24.2MPa。

Claims (6)

1.一种水泥基导电复合材料，其特征在于，它由以下重量份数的组份制备得到：
水泥 450份；
碳化渣 990～1332份；
水 225～485份；
石墨粉体 18～360份；
所述碳化渣由攀钢含钛高炉渣经高温碳化后所得，且经破碎后过200目标准筛。
2.一种水泥基导电复合材料，其特征在于，它由以下重量份数的组份制备得到：
水泥 450份；
碳化渣 990～1332份；
水 225～485份；
碳纤维 0.9～9份；
分散剂 1.8份；
所述碳化渣由攀钢含钛高炉渣经高温碳化后所得，且经破碎后过200目标准筛。
3.如权利要求1所述的一种水泥基导电复合材料，其特征在于，所述石墨粉体粒径为500～5000目。
4.如权利要求2所述的一种水泥基导电复合材料，其特征在于，所述碳纤维的长度为4～8 mm。
5.如权利要求2所述的一种水泥基导电复合材料，其特征在于，所述分散剂为甲基纤维素。
6.如权利要求1或2所述的一种水泥基导电复合材料，其特征在于，所述水泥为硅酸盐水泥，强度等级为42.5。
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