CN114149213A - 一种基于导电集料的水泥基导电复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于导电集料的水泥基导电复合材料及其制备方法，涉及水泥材料技术领域，包括：水泥650～750份、碳纤维10～20份、导电集料300～400份、减水剂5～8份、分散剂2.5～4份、消泡剂0.5～1.5份，导电集料包括粘土和混合导电相，所述混合导电相包括碳纤维粉、碳纳米管和炭黑。本发明通过掺杂合理比例的碳纤维粉、碳纳米管和炭黑，以及对水泥、碳纤维、导电集料的配比进行合理分配，能够有效的发挥碳纤维粉、碳纳米管和炭黑以及碳纤维的导电作用，最终使得该基于导电集料的水泥基导电复合材料具有良好的导电性能，能够更好的应用于电力系统接地建设中。

Description

一种基于导电集料的水泥基导电复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及水泥材料技术领域，特别是涉及一种基于导电集料的水泥基导电复合材料及其制备方法。
背景技术
自1824年波特兰水泥问世以来，混凝土经过了百余年的发展。它与其它的建筑材料，如钢材、木材、塑料等相比，原料来源广、工艺简单，因而生产成本低，并具有耐久、防火、适应性强、应用方便等特点。随着混凝土在实际工程中的应用，人类对混凝土材性进行不断的改善与挖掘，使混凝土的发展经历了普通混凝土、高强混凝土和高性能混凝土，其应用领域在逐步扩大。
其中，导电水泥材料因具有导电性能，且又不失混凝土在技术和性能上的优势使其具有广阔的发展领域和应用空间。导电水泥是指由凝胶材料(通常为水泥)、导电材料、介电骨料、水以及其他外加剂等组分，按照一定的配合比混合而成的复合材料。
导电水泥主要应用于力系统接地建设中，但现有技术的导电水泥材料还存在导电性能较低，因此，要将导电水泥很好的应用到电力系统接地建设中，必须进一步降低其电阻率。
发明内容
本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种导电性能好的基于导电集料的水泥基导电复合材料。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于导电集料的水泥基导电复合材料，按重量份计包括以下组分：水泥650～750份、碳纤维10～20份、导电集料300～400份、减水剂5～8份、分散剂2～4份、消泡剂0.5～1.5份；
所述导电集料包括粘土和混合导电相，所述混合导电相包括碳纤维粉、碳纳米管和炭黑。
本发明的一种具体实施方式，按重量份计包括以下组分：水泥680～720份、碳纤维12～18份、导电集料320～380份、减水剂6～7份、分散剂3～3.5份、消泡剂0.8～1.2份。
本发明的一种具体实施方式，按重量份计包括以下组分：水泥680份、碳纤维15份、导电集料380份、减水剂6份、分散剂2份、消泡剂1份。
本发明的一种具体实施方式，按重量百分比计，所述导电集料的成分配比为：70～75％粘土、10～18％碳纤维粉、7～10％碳纳米管、5～10％炭黑。
本发明的一种具体实施方式，按重量百分比计，所述粘土的成分配比为：65～75％SiO2、4～9％Fe2O3、14.5～19.6％Al2O3、2～5.2％K2O，2～5.2％MgO，2～5.2％Na2O。
本发明的一种具体实施方式，还包括以下附加技术特征至少其中之一：
所述炭黑的电阻率为0.25～0.35Ω·cm；
所述碳纤维的直径8～9.5μm，长度为12～17mm；
所述减水剂为聚羧酸减水剂；
所述分散剂为羟丙基甲基纤维素；
所述消泡剂为磷酸三丁酯。
种基于导电集料的水泥基导电复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将粘土和混合导电相进行混料，制成导电集料生料；将导电集料生料压制成坯体；然后对坯体进行煅烧，制成导电集料；其中，混合导电相包括碳纤维粉、碳纳米管和炭黑；
向80～90℃的水中加入分散剂，搅拌分散；
然后向水中加入消泡剂和碳纤维，再次搅拌，以形成碳纤维预分散溶液；
向碳纤维预分散溶液中加入水泥和减水剂，搅拌后，制成碳纤维水泥浆体；
向碳纤维水泥浆体中加入制备好的导电集料，继续搅拌，得到混合料；
然后混合料倒入的钢模中，填满模具后置于振动台上振动1～3min；
对模具中的混合物加压以排除气泡，然后刮平表面，于养护室内养护24～36h；
脱模，养护28～30d，完成基于导电集料的水泥基导电复合材料的制备。
本发明的一种具体实施方式，对坯体进行煅烧的步骤具体包括：
将坯体放入管式炉中，通入氮气作为保护气氛；
加热，使炉内温度从室温升至880～920℃，升温速度为5℃/min；
继续加热，以升温速度为3℃/min使炉内温度从880～920℃升至1050～1150℃，保温10min；
然后降温至570～580℃时，保温10min，最后再降至室温。
本发明的一种具体实施方式，对坯体进行煅烧的步骤具体包括：
将坯体放入管式炉中，通入氮气作为保护气氛；
加热，使炉内温度从室温升至900℃，升温速度为5℃/min；
继续加热，以升温速度为3℃/min使炉内温度从900℃升至1100℃，保温10min；
然后降温至570～580℃时，保温10min，最后再降至室温。
本发明的一种具体实施方式，向碳纤维预分散溶液中加入水泥和减水剂，搅拌10～20min后，制成碳纤维水泥浆体。
本发明至少具有以下有益效果之一：
本发明提供了一种基于导电集料的水泥基导电复合材料，在水泥中加入了碳纤维和导电集料，其中，导电集料包括粘土和混合导电相，而混合导电相包括了碳纤维粉、碳纳米管和炭黑。材料中的碳纤维能够形成碳纤维导电网络，电流主要通过碳纤维导电网络进行传播，离子导电和隧道效应导电所占比例较低，而通过加入混合导电相，能够进一步促进碳纤维形成的导电网络，加强碳纤维之间导通效果，从而降低电阻率，增强导电性能，因此，通过掺杂合理比例的碳纤维粉、碳纳米管和炭黑，以及对水泥、碳纤维、导电集料的配比进行合理分配，能够有效的发挥碳纤维粉、碳纳米管和炭黑以及碳纤维的导电作用，最终使得该基于导电集料的水泥基导电复合材料具有良好的导电性能，能够更好的应用于电力系统接地建设中。
具体实施方式
本发明的实施方式提供了一种基于导电集料的水泥基导电复合材料，按重量份计包括以下组分：
水泥650～750份；
碳纤维10～20份；
导电集料300～400份；
减水剂5～8份；
分散剂2～4份；
消泡剂0.5～1.5份；
其中，所述导电集料包括粘土和混合导电相，所述混合导电相具体包括碳纤维粉、碳纳米管和炭黑，按重量百分比计，所述导电集料的成分配比为：70～75％粘土、10～18％碳纤维粉、7～10％碳纳米管、5～10％炭黑。
所述粘土的成分配比为：65～75％SiO2、4～9％Fe2O3、14.5～19.6％Al2O3、2～5.2％K2O，2～5.2％MgO，2～5.2％Na2O。
所述炭黑的电阻率为0.25～0.35Ωcm。
所述碳纤维的直径8～9.5μm，长度为12～17mm。
所述减水剂为聚羧酸高效减水剂。
所述分散剂为羟丙基甲基纤维素。
所述消泡剂为磷酸三丁酯。
本实施例的基于导电集料的水泥基导电复合材料的制备方法，如下：
对称量好的粘土和混合导电相，采用卧式球磨罐进行混料，制成导电集料生料；
采用等静压成型法并使用压力机将导电集料生料压制成坯体；
对坯体进行煅烧，以制成导电集料；
向80～90℃的水中加入分散剂，搅拌分散；
然后向水中加入消泡剂和碳纤维，再次搅拌，以形成碳纤维预分散溶液；
向碳纤维预分散溶液中加入水泥和减水剂，搅拌10～20min，搅拌后，制成碳纤维水泥浆体；
向碳纤维水泥浆体中加入制备好的导电集料，继续搅拌，得到混合料；
然后混合料倒入的钢模中，填满模具后置于振动台上振动1～3min；
对模具中的混合物加压以排除气泡，然后刮平表面，于养护室内养护24～36h；
脱模，养护28～30d，完成基于导电集料的水泥基导电复合材料的制备。
其中，对坯体进行煅烧的步骤具体包括：
将坯体放入管式炉中，通入氮气作为保护气氛；
加热，使炉内温度从室温升至880～920℃，优选地，使炉内温度从室温升至900℃，升温速度为5℃/min；
继续加热，以升温速度为3℃/min使炉内温度从880～920℃升至1050～1150℃，保温10min；优选地，以升温速度为3℃/min使炉内温度从900℃升至1100℃保温10min；
然后降温至570～580℃时，保温10min，最后再降至室温。
下面用具体实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明不仅局限于以下具体实施例。
实施例一
一种基于导电集料的水泥基导电复合材料，按重量份计包括以下组分：
水泥680份；
碳纤维15份；
导电集料380份；
减水剂6份；
分散剂2份；
消泡剂1份；
其中，所述导电集料包括粘土和混合导电相，所述混合导电相具体包括碳纤维粉、碳纳米管和炭黑，按重量百分比计，所述导电集料的成分配比为：70％粘土、18％碳纤维粉、7％碳纳米管、5％炭黑。
所述粘土的成分配比为：65％SiO2、6.5％Fe2O3、18％Al2O3、3.4％K2O，4％MgO，3.1％Na2O。
所述炭黑的电阻率为0.25～0.35Ωcm。
所述碳纤维的直径8～9.5μm，长度为12～17mm。
所述减水剂为聚羧酸高效减水剂。
所述分散剂为羟丙基甲基纤维素。
所述消泡剂为磷酸三丁酯。
本实施例的基于导电集料的水泥基导电复合材料的制备方法，如下：
对称量好的粘土和混合导电相，采用卧式球磨罐进行混料，制成导电集料生料；
采用等静压成型法并使用压力机将导电集料生料压制成坯体；
对坯体进行煅烧，以制成导电集料；
向80℃、300份的水中加入分散剂，搅拌分散；
然后向水中加入消泡剂和碳纤维，再次搅拌，以形成碳纤维预分散溶液；
向碳纤维预分散溶液中加入水泥和减水剂，搅拌15min，搅拌后，制成碳纤维水泥浆体；
向碳纤维水泥浆体中加入制备好的导电集料，继续搅拌，得到混合料；
然后混合料倒入的钢模中，填满模具后置于振动台上振动1min；
对模具中的混合物加压以排除气泡，然后刮平表面，于养护室内养护24h；
脱模，养护28d，完成基于导电集料的水泥基导电复合材料的制备。
其中，对坯体进行煅烧的步骤具体包括：
将坯体放入管式炉中，通入氮气作为保护气氛；
加热，使炉内温度从室温升至900℃，升温速度为5℃/min；
继续加热，使炉内温度从900℃升至1100℃，升温速度为3℃/min；
升至1100℃后，保温10min；
降温，当将至570℃时，保温10min，最后再降至室温。
实施例二
一种基于导电集料的水泥基导电复合材料，按重量份计包括以下组分：
水泥750份；
碳纤维12份；
导电集料300份；
减水剂7份；
分散剂4份；
消泡剂1.5份；
其中，所述导电集料包括粘土和混合导电相，所述混合导电相具体包括碳纤维粉、碳纳米管和炭黑，按重量百分比计，所述导电集料的成分配比为：75％粘土、12％碳纤维粉、7％碳纳米管、6％炭黑。
所述粘土的成分配比为：67％SiO2、8％Fe2O3、14.5％Al2O3、4.2％K2O，3.4％MgO，2.9％Na2O。
所述炭黑的电阻率为0.25～0.35Ωcm。
所述碳纤维的直径8～9.5μm，长度为12～17mm。
所述减水剂为聚羧酸高效减水剂。
所述分散剂为羟丙基甲基纤维素。
所述消泡剂为磷酸三丁酯。
本实施例的基于导电集料的水泥基导电复合材料的制备方法，如下：
对称量好的粘土和混合导电相，采用卧式球磨罐进行混料，制成导电集料生料；
采用等静压成型法并使用压力机将导电集料生料压制成坯体；
对坯体进行煅烧，以制成导电集料；
向82℃、300份的水中加入分散剂，搅拌分散；
然后向水中加入消泡剂和碳纤维，再次搅拌，以形成碳纤维预分散溶液；
向碳纤维预分散溶液中加入水泥和减水剂，搅拌10min，搅拌后，制成碳纤维水泥浆体；
向碳纤维水泥浆体中加入制备好的导电集料，继续搅拌，得到混合料；
然后混合料倒入的钢模中，填满模具后置于振动台上振动2min；
对模具中的混合物加压以排除气泡，然后刮平表面，于养护室内养护28h；
脱模，养护29d，完成基于导电集料的水泥基导电复合材料的制备。
其中，对坯体进行煅烧的步骤具体包括：
将坯体放入管式炉中，通入氮气作为保护气氛；
加热，使炉内温度从室温升至900℃，升温速度为5℃/min；
继续加热，使炉内温度从900℃升至1100℃，升温速度为3℃/min；
升至1100℃后，保温10min；
降温，当将至575℃时，保温10min，最后再降至室温。
实施例三
一种基于导电集料的水泥基导电复合材料，按重量份计包括以下组分：
水泥650份；
碳纤维10份；
导电集料350份；
减水剂5份；
分散剂3份；
消泡剂1份；
其中，所述导电集料包括粘土和混合导电相，所述混合导电相具体包括碳纤维粉、碳纳米管和炭黑，按重量百分比计，所述导电集料的成分配比为：71％粘土、12％碳纤维粉、7％碳纳米管、10％炭黑。
所述粘土的成分配比为：70％SiO2、5.7％Fe2O3、14.7％Al2O3、2.7％K2O，2.8％MgO，4.1％Na2O。
所述炭黑的电阻率为0.25～0.35Ωcm。
所述碳纤维的直径8～9.5μm，长度为12～17mm。
所述减水剂为聚羧酸高效减水剂。
所述分散剂为羟丙基甲基纤维素。
所述消泡剂为磷酸三丁酯。
本实施例的基于导电集料的水泥基导电复合材料的制备方法，如下：
对称量好的粘土和混合导电相，采用卧式球磨罐进行混料，制成导电集料生料；
采用等静压成型法并使用压力机将导电集料生料压制成坯体；
对坯体进行煅烧，以制成导电集料；
向85℃、300份的水中加入分散剂，搅拌分散；
然后向水中加入消泡剂和碳纤维，再次搅拌，以形成碳纤维预分散溶液；
向碳纤维预分散溶液中加入水泥和减水剂，搅拌20min，搅拌后，制成碳纤维水泥浆体；
向碳纤维水泥浆体中加入制备好的导电集料，继续搅拌，得到混合料；
然后混合料倒入的钢模中，填满模具后置于振动台上振动2min；
对模具中的混合物加压以排除气泡，然后刮平表面，于养护室内养护32h；
脱模，养护29d，完成基于导电集料的水泥基导电复合材料的制备。
其中，对坯体进行煅烧的步骤具体包括：
将坯体放入管式炉中，通入氮气作为保护气氛；
加热，使炉内温度从室温升至900℃，升温速度为5℃/min；
继续加热，使炉内温度从900℃升至1100℃，升温速度为3℃/min；
升至1100℃后，保温10min；
降温，当将至575℃时，保温10min，最后再降至室温。
实施例四
一种基于导电集料的水泥基导电复合材料，按重量份计包括以下组分：
水泥700份；
碳纤维20份；
导电集料400份；
减水剂8份；
分散剂3.5份；
消泡剂0.5份；
其中，所述导电集料包括粘土和混合导电相，所述混合导电相具体包括碳纤维粉、碳纳米管和炭黑，按重量百分比计，所述导电集料的成分配比为：75％粘土、10％碳纤维粉、10％碳纳米管、5％炭黑。
所述粘土的成分配比为：72％SiO2、4.8％Fe2O3、14.8％Al2O3、2.7％K2O，2.8％MgO，2.9％Na2O。
所述炭黑的电阻率为0.25～0.35Ωcm。
所述碳纤维的直径8～9.5μm，长度为12～17mm。
所述减水剂为聚羧酸高效减水剂。
所述分散剂为羟丙基甲基纤维素。
所述消泡剂为磷酸三丁酯。
本实施例的基于导电集料的水泥基导电复合材料的制备方法，如下：
对称量好的粘土和混合导电相，采用卧式球磨罐进行混料，制成导电集料生料；
采用等静压成型法并使用压力机将导电集料生料压制成坯体；
对坯体进行煅烧，以制成导电集料；
向90℃、300份的水中加入分散剂，搅拌分散；
然后向水中加入消泡剂和碳纤维，再次搅拌，以形成碳纤维预分散溶液；
向碳纤维预分散溶液中加入水泥和减水剂，搅拌17min，搅拌后，制成碳纤维水泥浆体；
向碳纤维水泥浆体中加入制备好的导电集料，继续搅拌，得到混合料；
然后混合料倒入的钢模中，填满模具后置于振动台上振动3min；
对模具中的混合物加压以排除气泡，然后刮平表面，于养护室内养护36h；
脱模，养护30d，完成基于导电集料的水泥基导电复合材料的制备。
其中，对坯体进行煅烧的步骤具体包括：
将坯体放入管式炉中，通入氮气作为保护气氛；
加热，使炉内温度从室温升至900℃，升温速度为5℃/min；
继续加热，使炉内温度从900℃升至1100℃，升温速度为3℃/min；
升至1100℃后，保温10min；
降温，当将至580℃时，保温10min，最后再降至室温。
对比例一
与实施例一的区别在于：配料中不加导电集料，其他与实施例一相同。
对比例二
与实施例一的区别在于：配料中导电集料的配比为：60％粘土、22％碳纤维粉、14％碳纳米管、4％炭黑。其他与实施例一相同。
对比例三
与实施例一的区别在于：配料中导电集料的配比为：85％粘土、5％碳纤维粉、5％碳纳米管、5％炭黑。其他与实施例一相同。
对比例四
与实施例一的区别在于：
制备方法中导电集料坯体进行煅烧的步骤改成：将坯体放入管式炉中，通入氮气作为保护气氛；加热，使炉内温度从室温直接升至1100℃，保温10min，最后再直接降至室温。
测试
通过实验测定该实施例一至实施例四以及对比例一至对比例三中得到的基于导电集料的水泥基导电复合材料30d龄期的电阻，并计算其电阻率，结果如表1所示：
表1
Figure BDA0003389006800000101
上表1对比了上述四个实施例、四个对比例和现有技术中的水泥基导电复合材料在相同测试条件下，30d龄期的电阻率，从表1中可以明显看出，采用本发明四个实施例的基于导电集料的水泥基导电复合材料的电阻率明显低于现有技术，导电性优异。
将实施例一与四个对比例比较可以看出，对比例一(未添加导电集料)、对比例二(导电集料配比不在范围内)、对比例三(导电集料配比不在范围内)、对比例四(导电集料坯体煅烧方法不同)得到的水泥基导电复合材料的电阻率明显大于实施例一，由此说明，是否添加导电集料以及导电集料的配比和导电集料坯体煅烧方法不同均会影响水泥基导电复合材料的导电性。因此，本发明是通过碳纤维形成碳纤维导电网络，并通过加入混合导电相进一步促进碳纤维形成的导电网络，加强碳纤维之间导通效果，从而降低电阻率，增强导电性能，通过掺杂合理比例的碳纤维粉、碳纳米管和炭黑，以及对水泥、碳纤维、导电集料的配比进行合理分配，能够有效的发挥碳纤维粉、碳纳米管和炭黑以及碳纤维的导电作用，最终使得该基于导电集料的水泥基导电复合材料具有良好的导电性能，能够更好的应用于电力系统接地建设中。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于导电集料的水泥基导电复合材料，其特征在于，按重量份计包括以下组分：水泥650～750份、碳纤维10～20份、导电集料300～400份、减水剂5～8份、分散剂2～4份、消泡剂0.5～1.5份；
所述导电集料包括粘土和混合导电相，所述混合导电相包括碳纤维粉、碳纳米管和炭黑。
2.根据权利要求1所述的一种基于导电集料的水泥基导电复合材料，其特征在于，按重量份计包括以下组分：水泥680～720份、碳纤维12～18份、导电集料320～380份、减水剂6～7份、分散剂3～3.5份、消泡剂0.8～1.2份。
3.根据权利要求1所述的一种基于导电集料的水泥基导电复合材料，其特征在于，按重量份计包括以下组分：水泥680份、碳纤维15份、导电集料380份、减水剂6份、分散剂2份、消泡剂1份。
4.根据权利要求1～3任一所述的一种基于导电集料的水泥基导电复合材料，其特征在于，按重量百分比计，所述导电集料的成分配比为：70～75％粘土、10～18％碳纤维粉、7～10％碳纳米管、5～10％炭黑。
5.根据权利要求1～3任一所述的一种基于导电集料的水泥基导电复合材料，其特征在于，按重量百分比计，所述粘土的成分配比为：65～75％SiO2、4～9％Fe2O3、14.5～19.6％Al2O3、2～5.2％K2O，2～5.2％MgO，2～5.2％Na2O。
6.根据权利要求1～3任一所述的一种基于导电集料的水泥基导电复合材料，其特征在于，还包括以下附加技术特征至少其中之一：
所述炭黑的电阻率为0.25～0.35Ω·cm；
所述碳纤维的直径8～9.5μm，长度为12～17mm；
所述减水剂为聚羧酸减水剂；
所述分散剂为羟丙基甲基纤维素；
所述消泡剂为磷酸三丁酯。
7.一种基于导电集料的水泥基导电复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将粘土和混合导电相进行混料，制成导电集料生料；将导电集料生料压制成坯体；然后对坯体进行煅烧，制成导电集料；其中，混合导电相包括碳纤维粉、碳纳米管和炭黑；
向80～90℃的水中加入分散剂，搅拌分散；
然后向水中加入消泡剂和碳纤维，再次搅拌，以形成碳纤维预分散溶液；
向碳纤维预分散溶液中加入水泥和减水剂，搅拌后，制成碳纤维水泥浆体；
向碳纤维水泥浆体中加入制备好的导电集料，继续搅拌，得到混合料；
然后混合料倒入的钢模中，填满模具后置于振动台上振动1～3min；
对模具中的混合物加压以排除气泡，然后刮平表面，于养护室内养护24～36h；
脱模，养护28～30d，完成基于导电集料的水泥基导电复合材料的制备。
8.根据权利要求7所述的一种基于导电集料的水泥基导电复合材料的制备方法，其特征在于，对坯体进行煅烧的步骤具体包括：
将坯体放入管式炉中，通入氮气作为保护气氛；
加热，使炉内温度从室温升至880～920℃，升温速度为5℃/min；
继续加热，以升温速度为3℃/min使炉内温度从880～920℃升至1050～1150℃，保温10min；
然后降温至570～580℃时，保温10min，最后再降至室温。
9.根据权利要求7所述的一种基于导电集料的水泥基导电复合材料的制备方法，其特征在于，对坯体进行煅烧的步骤具体包括：
将坯体放入管式炉中，通入氮气作为保护气氛；
加热，使炉内温度从室温升至900℃，升温速度为5℃/min；
继续加热，以升温速度为3℃/min使炉内温度从900℃升至1100℃，保温10min；
然后降温至570～580℃时，保温10min，最后再降至室温。
10.根据权利要求7所述的一种基于导电集料的水泥基导电复合材料的制备方法，其特征在于，向碳纤维预分散溶液中加入水泥和减水剂，搅拌10～20min后，制成碳纤维水泥浆体。
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