CN116789424A - 一种碳纤维水泥复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种碳纤维水泥复合材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：(1)按照如下质量配比称取原料：水泥500～900份、水300～650份、碳纤维30～85份、硅粉150～220份、分散剂1～4份、减水剂1～5份、消泡剂8～10份和碳酸钠0.5～1.3份；(2)将水泥、碳纤维、硅粉、分散剂和一半的水进行第一搅拌混合，得到混合料；(3)将所述混合料与减水剂、消泡剂、碳酸钠和剩余的水进行第二搅拌混合，得到碳纤维水泥复合材料。本发明所述制备方法工艺简单，成本低廉，采用两次搅拌混合的方式，解决了碳纤维在水泥基材料中分散问题；得到的碳纤维水泥复合材料具有优异的热电性能和机械性能，应用前景广阔。
Description
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，尤其涉及一种碳纤维水泥复合材料的制备方法。
背景技术
随着碳纤维的应用领域日益扩大，碳纤维产品生产时所产生的的碳纤维废弃料也日益增加。碳纤维丝束编织碳纤维预浸料时，会在收料时将两侧边料切除，以保证生产用料尺寸统一；使用刀模冲裁异形碳布时也会出现大量浪费；生产过程中会出现的报废产品等。由于碳纤维材料在自然条件下难以降解，大量的废弃料和废品只能通过填埋或焚烧处理，不仅浪费了碳纤维材料，还会对环境造成污染。目前国内外诸多大型碳纤维企业都在着手于研发碳纤回收再利用技术，以降低企业的材料成本，提高企业效益，同时减少碳纤维废弃料对环境的污染。
水泥复合材料是指以水泥为基体，通过添加各种填料、外加剂和水构成的一种复合材料，它比一般的混凝土性能有所提高，包括其密度、抗冲击能力、压缩强度、热膨胀系数等，因随着添加物的改变可以优化其特定性能，所以被广泛应用于建筑行业，如建筑内墙、外墙、天花板等。
CN102351501A公开了一种水泥基灌浆材料及其制备方法，将河砂洗净晒干后，利用标准砂石筛进行筛分，收集14目～48目间连续级配的干净河砂；按消泡剂、硼酸和碳酸锂＝30～40:10～20:5～15的质量比例混合，得到复合添加剂；按各原料的质量配比为:硫铝酸盐水泥:河砂:膨胀剂:聚羧酸减水剂:复合添加剂＝1:0.5～2:0.01～0.2:0.001～0.008:0.001～0.1，选取硫铝酸盐水泥、河砂、膨胀剂、聚羧酸减水剂和复合添加剂，备用；将硫铝酸盐水泥和河砂混合，再分别掺入膨胀剂、聚羧酸减水剂和复合添加剂，搅拌混合30～40分钟，得到水泥基灌浆材料。
CN114853407A公开了一种具有热电性能的水泥基复合材料及其制备方法，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。
但上述的水泥基复合材料中的掺杂物容易团聚，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机械性能。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种碳纤维水泥复合材料的制备方法，采用特定质量份数的原料按照特定的方式分步搅拌混合，大大提高了碳纤维的分散性，提高了碳纤维水泥复合材料的热电性能和机械性能，同时降低了碳纤维水泥复合材料的成型时间。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种碳纤维水泥复合材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)按照如下质量配比称取原料：水泥500～900份、水300～650份、碳纤维30～85份、硅粉150～220份、分散剂1～4份、减水剂1～5份、消泡剂8～10份和碳酸钠0.5～1.3份；
(2)将水泥、碳纤维、硅粉、分散剂和一半的水进行第一搅拌混合，得到混合料；
(3)将所述混合料与减水剂、消泡剂、碳酸钠和剩余的水进行第二搅拌混合，得到碳纤维水泥复合材料。
本发明所述的碳纤维水泥复合材料的制备方法通过在水泥中增加具有高强、高模、耐腐蚀、导电、导热等特性的碳纤维材料，提高碳纤维水泥复合材料的热电性能和机械性能；碳酸钠具有促凝的作用，可大幅度降低碳纤维水泥复合材料的成型时间。所述制备方法先加一半的水与水泥、碳纤维、硅粉、分散剂进行第一第一搅拌混合，之后的材料进行第二搅拌混合，有效改善了碳纤维在水泥基材料中分散问题，有利于混合均匀。所述制备方法具有工艺简单，成本低廉，性价比高的特点。
本发明所述水泥500～900份，例如可以是500份、600份、700份、800份、850份、890份或900份等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；
水300～650份，例如可以是300份、350份、400份、450份、500份、600份或650份等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；
碳纤维30～85份，例如可以是30份、40份、50份、60份、70份、80份或85份等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；
硅粉150～220份，例如可以是150份、160份、170份、180份、190份、200份或220份等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；
分散剂1～4份，例如可以是1份、2份、2.5份、3份、3.5份或4份等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；
减水剂1～5份，例如可以是1份、2份、3份、4份、4.5份、4.8份或5份等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；
消泡剂8～10份，例如可以是8份、8.2份、8.5份、8.9份、9份、9.5份或10份等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；
碳酸钠0.5～1.3份，例如可以是0.5份、0.7份、0.9份、1份、1.1份、1.2份或1.3份等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(1)所述水泥包括质量比为(2～3):(15～18)的硫铝酸盐水泥和铁铝酸盐水泥，例如可以是2:15、2.1:15.4、2.3:15.7、2.5:16、2.7:17或3:18等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(1)所述碳纤维的直径为15～50mm，例如可以是15mm、20mm、30mm、40mm、45mm、48mm或50mm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(1)所述所述分散剂包括聚乙烯吡咯烷酮、羟乙基纤维素、六偏磷酸钠或甲基纤维素中的任意一种或至少两种的组合，其中典型但非限制性的组合为：聚乙烯吡咯烷酮和羟乙基纤维素的组合，六偏磷酸钠和甲基纤维素的组合，聚乙烯吡咯烷酮和六偏磷酸钠的组合或甲基纤维素、聚乙烯吡咯烷酮和六偏磷酸钠三者的组合。
优选地，步骤(1)所述减水剂包括聚羧酸减水剂、FDN减水剂或Sika减水剂中的任意一种或至少两种的组合，其中典型但非限制性的组合为：聚羧酸减水剂和FDN减水剂的组合，Sika减水剂和聚羧酸减水剂的组合或FDN减水剂、Sika减水剂和聚羧酸减水剂三者的组合。
优选地，步骤(1)所述消泡剂包括磷酸三丁酯和/或二甲基聚硅氧烷。
优选地，步骤(2)所述第一搅拌混合的转速为100～500r/min，例如可以是100r/min、150r/min、200r/min、250r/min、300r/min、400r/min或500r/min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(2)所述第一搅拌混合的时间为3～4min，例如可以是3min、3.2min、3.4min、3.6min、3.7min、3.8min或4min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(3)所述第二搅拌混合的转速为800～900r/min，例如可以是800r/min、810r/min、830r/min、850r/min、860r/min、880r/min或900r/min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述第二搅拌混合的时间为20～30min，例如可以是20min、21min、22min、25min、27min、28min或30min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述制备方法包括如下步骤：
(1)按照如下质量配比称取原料：水泥500～900份、水300～650份、碳纤维30～85份、硅粉150～220份、分散剂1～4份、减水剂1～5份、消泡剂8～10份和碳酸钠0.5～1.3份；
所述水泥包括质量比为(2～3):(15～18)的硫铝酸盐水泥和铁铝酸盐水泥；
所述碳纤维的直径为15～50mm；
所述分散剂包括聚乙烯吡咯烷酮、羟乙基纤维素、六偏磷酸钠或甲基纤维素中的任意一种或至少两种的组合；
所述减水剂包括聚羧酸减水剂、FDN减水剂或Sika减水剂中的任意一种或至少两种的组合；
所述消泡剂包括磷酸三丁酯和/或二甲基聚硅氧烷；
(2)将水泥、碳纤维、硅粉、分散剂和一半的水进行转速为100～500r/min的第一搅拌混合3～4min，得到混合料；
(3)将所述混合料与减水剂、消泡剂、碳酸钠和剩余的水进行转速为800～900r/min的第二搅拌混合20～30min，得到碳纤维水泥复合材料。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
(1)本发明提供的碳纤维水泥复合材料的制备方法工艺简单，成本低廉，采用两次搅拌混合的方式，解决了碳纤维在水泥基材料中分散问题；
(2)本发明提供的碳纤维水泥复合材料的制备方法通过在水泥中增加碳纤维材料，提高碳纤维水泥复合材料的热电性能和机械性能；通过增加碳酸钠促进碳纤维水泥复合材料凝固成型，适合大规模推广应用。
具体实施方式
为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
实施例1
本实施例提供一种碳纤维水泥复合材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)按照如下质量配比称取原料：水泥700份、水400份、碳纤维55份、硅粉180份、分散剂2份、减水剂3份、消泡剂9份和碳酸钠1份；
所述水泥包括质量比为2:17的硫铝酸盐水泥和铁铝酸盐水泥；
所述碳纤维的直径为20mm；
所述分散剂为聚乙烯吡咯烷酮；所述减水剂为聚羧酸减水剂；所述消泡剂为磷酸三丁酯；
(2)将水泥、碳纤维、硅粉、分散剂和一半的水进行转速为300r/min的第一搅拌混合4min，得到混合料；
(3)将所述混合料与减水剂、消泡剂、碳酸钠和剩余的水进行转速为880r/min的第二搅拌混合23min，得到碳纤维水泥复合材料。
实施例2
本实施例提供一种碳纤维水泥复合材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)按照如下质量配比称取原料：水泥500份、水650份、碳纤维85份、硅粉220份、分散剂4份、减水剂1份、消泡剂8份和碳酸钠0.5份；
所述水泥包括质量比为3:18的硫铝酸盐水泥和铁铝酸盐水泥；
所述碳纤维的直径为50mm；
所述分散剂为羟乙基纤维素；所述减水剂为FDN减水剂；所述消泡剂为二甲基聚硅氧烷；
(2)将水泥、碳纤维、硅粉、分散剂和一半的水进行转速为100r/min的第一搅拌混合4min，得到混合料；
(3)将所述混合料与减水剂、消泡剂、碳酸钠和剩余的水进行转速为900r/min的第二搅拌混合20min，得到碳纤维水泥复合材料。
实施例3
本实施例提供一种碳纤维水泥复合材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)按照如下质量配比称取原料：水泥800份、水500份、碳纤维75份、硅粉190份、分散剂3份、减水剂1份、消泡剂9.3份和碳酸钠0.7份；
所述水泥包括质量比为2.2:17的硫铝酸盐水泥和铁铝酸盐水泥；
所述碳纤维的直径为43mm；
所述分散剂为六偏磷酸钠；所述减水剂为Sika减水剂；所述消泡剂为磷酸三丁酯；
(2)将水泥、碳纤维、硅粉、分散剂和一半的水进行转速为210r/min的第一搅拌混合3.3min，得到混合料；
(3)将所述混合料与减水剂、消泡剂、碳酸钠和剩余的水进行转速为850r/min的第二搅拌混合28min，得到碳纤维水泥复合材料。
实施例4
本实施例提供一种碳纤维水泥复合材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)按照如下质量配比称取原料：水泥900份、水300份、碳纤维30份、硅粉150份、分散剂1份、减水剂5份、消泡剂10份和碳酸钠1.3份；
所述水泥包括质量比为2:15的硫铝酸盐水泥和铁铝酸盐水泥；
所述碳纤维的直径为15mm；
所述分散剂为甲基纤维素；所述减水剂为FDN减水剂；所述消泡剂为二甲基聚硅氧烷；
(2)将水泥、碳纤维、硅粉、分散剂和一半的水进行转速为500r/min的第一搅拌混合3min，得到混合料；
(3)将所述混合料与减水剂、消泡剂、碳酸钠和剩余的水进行转速为800r/min的第二搅拌混合30min，得到碳纤维水泥复合材料。
实施例1～4制备得到的碳纤维水泥复合材料中碳纤维分散均匀，具有优异的热电性能和机械性能；碳纤维水泥复合材料中由于原料碳酸钠的存在，凝固成型时间较短，应用范围广。
对比例1
本对比例提供一种碳纤维水泥复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法除了步骤(1)不加入原料碳酸钠外，其余均与实施例1相同。
本对比例由于不加入原料碳酸钠，制备得到的碳纤维水泥复合材料的凝固成型时间较长。
对比例2
本对比例提供一种碳纤维水泥复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法除了将步骤(1)的全部原料一次性搅拌混合，转速为880r/min，搅拌混合23min外，其余均与实施例1相同。
本对比例由于将全部原料一次性搅拌混合，碳纤维在水泥基材料中出现团聚，难以分散，制备得到的碳纤维水泥复合材料的热电性能和机械性能大幅度降低。
综上所述，本发明所述的碳纤维水泥复合材料的制备方法通过在水泥中增加具有高强、高模、耐腐蚀、导电、导热等特性的碳纤维材料，提高碳纤维水泥复合材料的热电性能和机械性能；碳酸钠具有促凝的作用，可大幅度降低碳纤维水泥复合材料的成型时间。所述制备方法分两次搅拌混合，有效改善了碳纤维在水泥基材料中分散问题，有利于混合均匀。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种碳纤维水泥复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
(1)按照如下质量配比称取原料：水泥500～900份、水300～650份、碳纤维30～85份、硅粉150～220份、分散剂1～4份、减水剂1～5份、消泡剂8～10份和碳酸钠0.5～1.3份；
(2)将水泥、碳纤维、硅粉、分散剂和一半的水进行第一搅拌混合，得到混合料；
(3)将所述混合料与减水剂、消泡剂、碳酸钠和剩余的水进行第二搅拌混合，得到碳纤维水泥复合材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述水泥包括质量比为(2～3):(15～18)的硫铝酸盐水泥和铁铝酸盐水泥。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述碳纤维的直径为15～50mm。
4.根据权利要求1～3任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述所述分散剂包括聚乙烯吡咯烷酮、羟乙基纤维素、六偏磷酸钠或甲基纤维素中的任意一种或至少两种的组合。
5.根据权利要求1～4任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述减水剂包括聚羧酸减水剂、FDN减水剂或Sika减水剂中的任意一种或至少两种的组合。
6.根据权利要求1～5任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述消泡剂包括磷酸三丁酯和/或二甲基聚硅氧烷。
7.根据权利要求1～6任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述第一搅拌混合的转速为100～500r/min。
8.根据权利要求1～7任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述第一搅拌混合的时间为3～4min。
9.根据权利要求1～8任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述第二搅拌混合的转速为800～900r/min；
优选地，所述第二搅拌混合的时间为20～30min。
10.根据权利要求1～9任一项所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
(1)按照如下质量配比称取原料：水泥500～900份、水300～650份、碳纤维30～85份、硅粉150～220份、分散剂1～4份、减水剂1～5份、消泡剂8～10份和碳酸钠0.5～1.3份；
所述水泥包括质量比为(2～3):(15～18)的硫铝酸盐水泥和铁铝酸盐水泥；
所述碳纤维的直径为15～50mm；
所述分散剂包括聚乙烯吡咯烷酮、羟乙基纤维素、六偏磷酸钠或甲基纤维素中的任意一种或至少两种的组合；
所述减水剂包括聚羧酸减水剂、FDN减水剂或Sika减水剂中的任意一种或至少两种的组合；
所述消泡剂包括磷酸三丁酯和/或二甲基聚硅氧烷；
(2)将水泥、碳纤维、硅粉、分散剂和一半的水进行转速为100～500r/min的第一搅拌混合3～4min，得到混合料；
(3)将所述混合料与减水剂、消泡剂、碳酸钠和剩余的水进行转速为800～900r/min的第二搅拌混合20～30min，得到碳纤维水泥复合材料。
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