CN114853407A - 一种具有热电性能的水泥基复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种具有热电性能的水泥基复合材料及其制备方法。本发明的技术方案如下：一种具有热电性能的水泥基复合材料，包括碳纤维、纳米三氧化二铁、辛基酚聚氧乙烯醚、奈系减水剂、消泡剂、水泥和去离子水，碳纤维、纳米三氧化二铁、辛基酚聚氧乙烯醚、奈系减水剂、消泡剂、水泥和去离子水的质量比为1～2份：1～2份：0～6份：1～5份：0～2份：300～400份：100～150份。本发明提供的具有热电性能的水泥基复合材料及其制备方法，能够改善碳纤维在水泥基材料中分散问题，提高热电性能和机械性能；其制备方法具有工艺简单，成本低廉，性价比高的特点。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种具有热电性能的水泥基复合材料及其制备方法。
背景技术
随着绿色建筑发展的要求，水泥基材料向高性能、智能化和环保的方向发展，这是中长期工业和社会进步的战略目标。城市建设过程中产生大量廉价水泥，不仅造成资源的浪费，而且影响环境市容。
在此背景下，将水泥改性为高性能的水泥基复合材料，成为一个重要的发展方向。而具有热电性能的水泥基复合材料也随之应用而生。由于水泥基材料本身不具有导热导电性，所以很难有效利用自然界中的能量。如果进行掺杂使水泥基材料转化为热电材料，将混凝土在太阳辐射和环境温度变化下产生的温差收集利用起来，将浪费的热能转化为电能，用于能量收集和温度自感应、自监测系统等相关领域，不仅节能而且具有环保效应。
一直以来人们都在研究如何提升水泥基材料的热电性能，例如加入纳米金属氧化物等。但由于这些掺杂物容易团聚，难以分散，不仅造成原材料浪费，还会降低水泥基复合材料的热电性能和机械性能。
发明内容
本发明提供一种具有热电性能的水泥基复合材料及其制备方法，能够改善碳纤维在水泥基材料中分散问题，提高热电性能和机械性能；其制备方法具有工艺简单，成本低廉，性价比高的特点。
本发明的技术方案如下：
一种具有热电性能的水泥基复合材料，包括碳纤维、纳米三氧化二铁、辛基酚聚氧乙烯醚、奈系减水剂、消泡剂、水泥和去离子水，碳纤维、纳米三氧化二铁、辛基酚聚氧乙烯醚、奈系减水剂、消泡剂、水泥和去离子水的质量比为1～2份：1～2份：0～6份：1～5份：0～2份：300～400份：100～150份。
进一步地，所述的具有热电性能的水泥基复合材料，所述水泥为PII42.5R水泥；所述纳米三氧化二铁粉体的粒径为100nm；所述碳纤维的长度为3mm，碳纤维品级为T300；所述消泡剂为磷酸三丁酯。
进一步地，所述的具有热电性能的水泥基复合材料，碳纤维、纳米三氧化二铁、辛基酚聚氧乙烯醚、奈系减水剂、磷酸三丁酯、水泥和去离子水的质量比为1.7份：1.7份：3份：3.5份：1份：350份：143.5份。
辛基酚聚氧乙烯醚作为分散剂使用，用来分散水泥基复合料中的碳纤维和纳米Fe2O3颗粒，使碳纤维尽可能分散为絮状，单根分明且无明显团聚现象；分散剂最适宜的掺量为水泥基复合混料总质量的0.6％，掺量过少不利于碳纤维和纳米Fe2O3在水泥基中的分散，掺量过多会使得水泥基材料产生大量气泡和孔隙，对水泥材料的性能产生影响。
上述具有热电性能的水泥基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按比例将碳纤维、纳米三氧化二铁、辛基酚聚氧乙烯醚和理论量的60～80％的去离子水，放入烧杯中预搅拌，得到混合物一；
(2)将混合物一放入超声波清洗器中，用玻璃棒不断搅拌并加入奈系减水剂、消泡剂，在40℃温度下超声分散5～10分钟，得到混合物二；
(3)将混合物二倒入水泥胶砂搅拌机中，加入水泥和剩余的去离子水，慢搅1分钟，停止搅拌30秒后，再高速搅拌2～5分钟，得到混合物三；
(4)将混合物三倒入模具中固化并养护28天后，得到具有热电性能的水泥基复合材料。
其中：步骤(2)中，混合物一超声分散的具体时间取决于肉眼观察下碳纤维在溶液中的分散情况，分散好后立刻停止搅拌。步骤(3)中，混合物二停止搅拌30秒后，用刮刀迅速将叶片和锅壁上的混合物二刮入锅中；高速搅拌具体时间取决于碳纤维在水泥中的分散情况，水泥基浆料流动性良好说明分散好，分散好后立刻停止搅拌；高速搅拌时间超过5分钟，水泥基复合材料会出现凝结，流动性变差，不利于入模。
进一步地，所述的制备方法，所述具有热电性能的水泥基复合材料的微观结构包括Ca(OH)2、3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O、2CaO·SiO2、3CaO·SiO2、碳纤维和纳米Fe2O3。
进一步地，所述的制备方法，所述具有热电性能的水泥基复合材料的塞贝克系数为1.12341mV/℃。
进一步地，所述的制备方法，所述具有热电性能的水泥基复合材料的抗压强度和抗弯强度分别为49.65MPa和7.13MPa。
进一步地，所述的制备方法，所述具有热电性能的水泥基复合材料中气孔的最可几孔径为28nm。
本发明的有益效果为：
1、本发明掺杂辛基酚聚氧乙烯醚后增强了碳纤维和纳米Fe2O3在水泥基中的分散，大幅提高了水泥基材料的Seebeck系数和抗压抗折强度。
2、本发明采用碳纤维和纳米Fe2O3混掺的方式提高水泥材料的导电性，在大幅提高热电性能的同时降低了成本，用极小的掺量获得了极大的提升。
3、为了解决碳纤维和纳米Fe2O3难以分散的问题，本发明采用后掺法(先将碳纤维和纳米Fe2O3在水溶液中分散，后加入水泥的方法)；物理分散和化学分散相结合的方法，有利于混合均匀。
4、预搅拌使用的水为总用水量的60％-80％，水量过少不利于碳纤维和纳米Fe2O3的预分散。
附图说明
图1为实施例1中具有热电性能的水泥基复合材料的X射线衍射图；
图2为实施例1中具有热电性能的水泥基复合材料的用于计算塞贝克系数的电位-温差图；
图3为实施例1中具有热电性能的水泥基复合材料的孔径分布图。
具体实施方式
为了使本发明目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。但本发明的保护范围不受具体实施例子所限制。
以下实施例中的原料均为市购。
实施例1
(1)取1.7g碳纤维、1.7g纳米三氧化二铁、3g辛基酚聚氧乙烯醚和100.5g去离子水，放入烧杯中预搅拌，得到混合物一；
(2)将混合物一放入超声波清洗器中，用玻璃棒不断搅拌并加入3.5g奈系减水剂、1g消泡剂(磷酸三丁酯)，在40℃温度下超声分散10分钟，得到混合物二；
(3)将混合物二倒入水泥胶砂搅拌机中，加入350g水泥和43g去离子水，慢搅1分钟，停止搅拌30秒后再高速搅拌4分钟，得到混合物三；
(4)将混合物三倒入模具中固化并养护28天后，得到具有热电性能的水泥基复合材料。
测试水泥基复合材料的Seebeck系数、抗压强度、抗弯强度；利用x射线衍射仪测试测试水泥基复合材料的晶体结构和孔径分布，如图1-3所示。
实施例2
(1)取1.7g碳纤维、1.7g纳米三氧化二铁、6g辛基酚聚氧乙烯醚和70g去离子水，放入烧杯中预搅拌，得到混合物一；
(2)将混合物一放入超声波清洗器中，用玻璃棒不断搅拌并加入3.5g奈系减水剂、1g消泡剂(磷酸三丁酯)，在40℃温度下超声分散10分钟，得到混合物二；
(3)将混合物二倒入水泥胶砂搅拌机中，加入350g水泥和43g去离子水，慢搅1分钟，停止搅拌30秒后再高速搅拌4分钟，得到混合物三；
(4)将混合物三倒入模具中固化并养护28天后，得到具有热电性能的水泥基复合材料。
实施例3
(1)取1.7g碳纤维、1.7g纳米三氧化二铁、1.5g辛基酚聚氧乙烯醚和100.5g去离子水，放入烧杯中预搅拌，得到混合物一；
(2)将混合物一放入超声波清洗器中，用玻璃棒不断搅拌并加入3.5g奈系减水剂、2g消泡剂(磷酸三丁酯)，在40℃温度下超声分散8分钟，得到混合物二；
(3)将混合物二倒入水泥胶砂搅拌机中，加入350g水泥和43g去离子水，慢搅1分钟，停止搅拌30秒后再高速搅拌5分钟，得到混合物三；
(4)将混合物三倒入模具中固化并养护28天后，得到具有热电性能的水泥基复合材料。
实施例4
(1)取1.7g碳纤维、1.7g纳米三氧化二铁、3g辛基酚聚氧乙烯醚和70g去离子水，放入烧杯中预搅拌，得到混合物一；
(2)将混合物一放入超声波清洗器中，用玻璃棒不断搅拌并加入3.5g奈系减水剂、1g消泡剂(磷酸三丁酯)，在40℃温度下超声分散10分钟，得到混合物二；
(3)将混合物二倒入水泥胶砂搅拌机中，加入350g水泥和43g去离子水，慢搅1分钟，停止搅拌30秒后再高速搅拌5分钟，得到混合物三；
(4)将混合物三倒入模具中固化并养护28天后，得到具有热电性能的水泥基复合材料。
表1实施例1-4中具有热电性能的水泥基复合材料的性能指标
| Seebeck系数/mV/℃ | 抗压强度/MPa | 抗折强度/MPa | |
| 实施例1 | 1.123 | 49.65 | 7.13 |
| 实施例2 | 0.075 | 41.57 | 6.74 |
| 实施例3 | 0.691 | 43.38 | 6.52 |
| 实施例4 | 0.180 | 43.3 | 6.5 |
Claims (8)
1.一种具有热电性能的水泥基复合材料，其特征在于，包括碳纤维、纳米三氧化二铁、辛基酚聚氧乙烯醚、奈系减水剂、消泡剂、水泥和去离子水，碳纤维、纳米三氧化二铁、辛基酚聚氧乙烯醚、奈系减水剂、消泡剂、水泥和去离子水的质量比为1～2份：1～2份：0～6份：1～5份：0～2份：300～400份：100～150份。
2.根据权利要求1所述的具有热电性能的水泥基复合材料，其特征在于，所述水泥为PII42.5R水泥；所述纳米三氧化二铁粉体的粒径为100nm；所述碳纤维的长度为3mm，碳纤维品级为T300；所述消泡剂为磷酸三丁酯。
3.根据权利要求1所述的具有热电性能的水泥基复合材料，其特征在于，碳纤维、纳米三氧化二铁、辛基酚聚氧乙烯醚、奈系减水剂、磷酸三丁酯、水泥和去离子水的质量比为1.7份：1.7份：3份：3.5份：1份：350份：143.5份。
4.如权利要求1～3之一所述的具有热电性能的水泥基复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)按比例将碳纤维、纳米三氧化二铁、辛基酚聚氧乙烯醚和理论量的60～80％的去离子水，放入烧杯中预搅拌，得到混合物一；
(2)将混合物一放入超声波清洗器中，用玻璃棒不断搅拌并加入奈系减水剂、消泡剂，在40℃温度下超声分散5～10分钟，得到混合物二；
(3)将混合物二倒入水泥胶砂搅拌机中，加入水泥和剩余的去离子水，慢搅1分钟，停止搅拌30秒后，再高速搅拌2～5分钟，得到混合物三；
(4)将混合物三倒入模具中固化并养护28天后，得到具有热电性能的水泥基复合材料。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述具有热电性能的水泥基复合材料的微观结构包括Ca(OH)2、3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O、2CaO·SiO2、3CaO·SiO2、碳纤维和纳米Fe2O3。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述具有热电性能的水泥基复合材料的塞贝克系数为1.12341mV/℃。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述具有热电性能的水泥基复合材料的抗压强度和抗弯强度分别为49.65MPa和7.13MPa。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述具有热电性能的水泥基复合材料中气孔的最可几孔径为28nm。
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