CN116813279B - 一种包含改性废毛毡碳纤维的导电混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及废毛毡碳纤维资源利用领域，尤其涉及一种包含改性废毛毡碳纤维的导电混凝土，按重量份计包括，改性废毛毡碳纤维20‑116份、铁粉2‑26份、水泥189‑523份、粉煤灰13‑246份、砂420‑656份、石子420‑656份、外加剂0‑26份和水50‑380份。本发明提供的导电混凝土具有优异的性能，抗压强度可达55.2MPa，电阻率低至17.3Ω.m，这种强度与导电性能的增加主要是废毛毡碳纤维的导电作用、桥接作用以及间苯二酚磺、丙烯酸的多重复合作用，特别是间苯二酚磺、丙烯酸与水泥水化Ca离子及铁粉溶出的Fe离子的螯合作用，不仅改性了废毛毡碳纤维树脂表面的亲水性，而通过螯合离子使废毛毡碳纤维表面粗糙化，形成较多的水泥水化成核位点，强化电子在铁粉与废毛毡碳纤维间的流动能力。

Description

一种包含改性废毛毡碳纤维的导电混凝土及其制备方法

技术领域

本发明涉及废毛毡碳纤维资源利用领域，尤其涉及一种包含改性废毛毡碳纤维的导电混凝土及其制备方法。

背景技术

碳纤维毛毡是一种通过针刺、编织制备而成的保温隔热材料，广泛地应用于高温窑体、炉体的保温隔热中，成为保障高热环境正常运行的关键材料。通常情况下，碳纤维主要树脂进行粘结，通过树脂包裹表面，形成碳纤维丝束，进一步增强碳纤维的性能。然而，利用树脂粘结的碳纤维毛毡，在经历多次热循环后，树脂将会老化，性能劣化，最终导致碳纤维毛毡性能无法满足现有工况适用要求，不得不进行废弃处理，进而产生了大量的废毛毡。现阶段，碳纤维废毛毡的主要处置方法是焚烧，造成宝贵资源的极大浪费。

从废毛毡材料的性能看，这种材料的劣化主要是树脂性能劣化导致的，碳纤维因被包裹在树脂中，其性能并未发生根本上的变化，仍具有碳纤维所特有的性质，包括良好的导电性、较高的抗拉强度和弹性模量、较强的表面特性等。为此，现有技术提出利用废纤维作为混凝土功能材料，制备导电混凝土。然而，由于碳纤维表面覆盖了一层劣化树脂，导致其表面憎水，与水泥基材料的粘结较差，易形成薄弱界面，导致界面处孔隙、裂缝显著增大等问题，进而影响碳纤维混凝土的各项性能，包括力学强度、耐久性等。可见，碳纤维的树脂憎水表面成为废弃碳纤维在混凝土领域中资源化利用的一个关键难题。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中存在的问题，提供一种包含改性废毛毡碳纤维的导电混凝土，其利用间苯二酚磺、丙烯酸改性废毛毡碳纤维，同时外掺铁粉制备高导电混凝土，提高废毛毡碳纤维的经济价值。为实现上述目的，本发明公开如下的技术方案：

一种包含改性废毛毡碳纤维的导电混凝土，按重量份计包括，改性废毛毡碳纤维20-116份、铁粉2-26份、水泥189-523份、粉煤灰13-246份、砂420-656份、石子420-656份、外加剂0-26份和水50-380份。

优选的，所述改性废毛毡碳纤维的制备方法如下：

步骤一、将水与间苯二酚磺混合均匀，制成间苯二酚磺溶液；

步骤二、将水与丙烯酸混合均匀，制成丙烯酸溶液；

步骤三、将废毛毡碳纤维与间苯二酚磺溶液混合，搅拌均匀，抽滤、清洗，得到中间产物；

步骤四、将中间产物与丙烯酸溶液混合，搅拌均匀，抽滤、清洗、低温干燥，得到改性废毛毡碳纤维。

优选的，所述步骤一中，间苯二酚磺和水的质量份比为(1-16):100；

所述步骤二中，丙烯酸和水的质量份比为(1-16):100。

优选的，所述步骤三中，废毛毡碳纤维与间苯二酚磺溶液质量份比为(1-30):100，废毛毡碳纤维长度为3-21mm；

所述步骤四中，中间产物与丙烯酸溶液质量份比为(1-30):100。

优选的，所述步骤四中，低温干燥温度范围为20-40℃。

优选的，所述铁粉为还原铁粉，主要成分为Fe₃O₄，优选的，铁粉粒径小于13μm。

优选的，所述水泥为普通硅酸盐水泥，优选地，水泥为P.O.42.5水泥。

优选的，所述粉煤灰为一级粉煤灰，优选地，粉煤灰最大粒径小于75μm。

优选的，所述外加剂为市售减水剂、速凝剂、缓凝剂的一种或几种混合物。

本发明还提供一种导电混凝土的制备方法，包括如下步骤：

S1、将改性废毛毡碳纤维与水混合均匀；

S2、加入铁粉，混合均匀；

S3、将水泥、粉煤灰、砂、石子、外加剂混合均匀后加入，将全部原料混合均匀，得导电混凝土。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明采用间苯二酚磺、丙烯酸对废毛毡碳纤维进行改性，间苯二酚磺、丙烯酸化学性质活泼，不仅能与树脂通过共价键形成较强的粘附能力，还具有较强的离子螯合能力，特别是可与Fe、Ca等离子形成螯合物，且间苯二酚磺含有的磺酸基团。因此，当使用间苯二酚磺改性树脂包裹的碳纤维时，其可一端粘附于树脂表面，另一端可与水泥水化溶出的Ca等离子螯合，改善废毛毡碳纤维树脂表面的亲水性，促进水化产物在界面处沉积，获得密实界面。同时，所形成的间苯二酚磺-Ca等螯合物，还可通过晶核作用，促进水泥的水化，进一步强化水泥浆体的性能，最终获得较高的混凝土抗压强度。

2、在铁粉的掺入下，间苯二酚磺、丙烯酸与Fe的螯合物不仅可起到类似间苯二酚磺-Ca等螯合物的对水泥水化的晶核作用，还能进一步提升Fe与废毛毡碳纤维间的电子流动性，进而可增强混凝土的导电性。此外，由于在废毛毡碳纤维树脂表面形成了间苯二酚磺、丙烯酸与Fe、Ca等离子的螯合物，废毛毡碳纤维表面也可粗糙化，进而提高与水泥浆的粘结性能。

3、本发明提出利用间苯二酚磺、丙烯酸改性废毛毡碳纤维，外掺还原性铁粉(Fe3O₄)增强混凝土导电性来制备导电混凝土，不仅提升了强度，也大幅提升混凝土这一传统导电性不良材料的导电性，而且可大幅提高废毛毡的资源化利用价值，还可实现变废为宝，综合利用碳纤维，彻底利用废毛毡分散料，经济与环境效益显著，应用前景广阔。

4、本发明提供的导电混凝土具有优异的性能，抗压强度可达55.2MPa，电阻率低至17.3Ω.m，这种强度与导电性能的增加主要是废毛毡碳纤维的导电作用、桥接作用以及间苯二酚磺、丙烯酸的多重复合作用，特别是间苯二酚磺、丙烯酸与水泥水化Ca离子及铁粉溶出的Fe离子的螯合作用，不仅改性了废毛毡碳纤维树脂表面的亲水性，而通过螯合离子使废毛毡碳纤维表面粗糙化，形成较多的水泥水化成核位点，强化电子在铁粉与废毛毡碳纤维间的流动能力。

附图说明

图1是制备例1的改性后的废毛毡碳纤维扫描电镜图。

图2是未改性废毛毡碳纤维扫描电镜图。

具体实施方式

制备例1

改性废毛毡碳纤维的制备方法如下：

步骤一、将水与间苯二酚磺混合均匀，制成间苯二酚磺溶液；

步骤二、将水与丙烯酸混合均匀，制成丙烯酸溶液；

步骤三、将废毛毡碳纤维与间苯二酚磺溶液混合，搅拌均匀，抽滤、清洗，得到中间产物；

步骤四、将中间产物与丙烯酸溶液混合，搅拌均匀，抽滤、清洗、低温干燥，得到改性废毛毡碳纤维。

本制备例中，间苯二酚磺和水的质量份比为10:100；

丙烯酸和水的质量份比为10:100；

废毛毡碳纤维与间苯二酚磺溶液质量份比为5:100，废毛毡碳纤维长度为3-21mm；

中间产物与丙烯酸溶液质量份比为5:100；

低温干燥温度为30℃。

制备例2

本制备例与制备例1的不同之处在于:间苯二酚磺和水的质量份比为2:100,其余部分与制备例1完全相同。

制备例3

本制备例与制备例1的不同之处在于:间苯二酚磺和水的质量份比为6:100,其余部分与制备例1完全相同。

制备例4

本制备例与制备例1的不同之处在于:间苯二酚磺和水的质量份比为16:100,其余部分与制备例1完全相同。

制备例5

本制备例与制备例1的不同之处在于:丙烯酸和水的质量份比为2:100,其余部分与制备例1完全相同。

制备例6

本制备例与制备例1的不同之处在于:丙烯酸和水的质量份比为6:100,其余部分与制备例1完全相同。

制备例7

本制备例与制备例1的不同之处在于:丙烯酸和水的质量份比为16:100,其余部分与制备例1完全相同。

制备例8

本制备例与制备例1的不同之处在于:苯二酚磺和水的质量份比为0:100,其余部分与制备例1完全相同。

制备例9

本制备例与制备例1的不同之处在于:丙烯酸和水的质量份比为0:100,其余部分与制备例1完全相同。

实施例1

包含改性废毛毡碳纤维导电混凝土的制备方法：

准备原料：制备例1获取的改性废毛毡碳纤维42份、铁粉16份、水泥410份、粉煤灰115份、砂560份、石子560份，聚羧酸减水剂10份、城市普通自来水380份。

S1、将改性废毛毡碳纤维与城市普通自来水混合均匀；

S2、加入铁粉并搅拌10分钟；

S3、将水泥、粉煤灰、砂、石子混合均匀后加入，将全部原料混合均匀，得导电混凝土。

实施例2

本实施例与实施例1的不同指出在于：制备例2获取的改性废毛毡碳纤维42份，其余部分与实施例1完全相同。

实施例3

本实施例与实施例1的不同指出在于：制备例3获取的改性废毛毡碳纤维42份，其余部分与实施例1完全相同。

实施例4

本实施例与实施例1的不同指出在于：制备例4获取的改性废毛毡碳纤维42份，其余部分与实施例1完全相同。

实施例5

本实施例与实施例1的不同指出在于：制备例5获取的改性废毛毡碳纤维42份，其余部分与实施例1完全相同。

实施例6

本实施例与实施例1的不同指出在于：制备例6获取的改性废毛毡碳纤维42份，其余部分与实施例1完全相同。

实施例7

本实施例与实施例1的不同指出在于：制备例7获取的改性废毛毡碳纤维42份，其余部分与实施例1完全相同。

实施例8

本实施例与实施例1的不同指出在于：制备例8获取的改性废毛毡碳纤维42份，其余部分与实施例1完全相同。

实施例9

本实施例与实施例1的不同指出在于：制备例9获取的改性废毛毡碳纤维42份，其余部分与实施例1完全相同。

实施例10

包含改性废毛毡碳纤维导电混凝土的制备方法：

准备原料：制备例1获取的改性废毛毡碳纤维20份、铁粉2份、水泥189份、粉煤灰13份、砂420份、石子420份、城市普通自来水50份。

S1、将改性废毛毡碳纤维与城市普通自来水混合均匀；

S2、加入铁粉并搅拌10分钟；

S3、将水泥、粉煤灰、砂、石子混合均匀后加入，将全部原料混合均匀，得导电混凝土。

实施例11

包含改性废毛毡碳纤维导电混凝土的制备方法：

准备原料：制备例1获取的改性废毛毡碳纤维116份、铁粉26份、水泥523份、粉煤灰246份、砂656份、石子656份、聚羧酸减水剂26份、城市普通自来水380份。

S1、将改性废毛毡碳纤维与城市普通自来水混合均匀；

S2、加入铁粉并搅拌10分钟；

S3、将水泥、粉煤灰、砂、石子混合均匀后加入，将全部原料混合均匀，得导电混凝土。

结果与检测

将实施例1-11制备的导电混凝土浇筑在100mm×100mm×100mm模具中，放入温度为20±2℃、相对湿度大于95％的标准养护室养护1天。然后将得到的导电混凝土试块拆模，并继续养护28天龄期。抗压强度按照国标GB/T 17671-1999测试，电阻率按照伏安法测试，结果如表1所示。

图1是制备例1的改性后的废毛毡碳纤维微观形貌图，可以看出，经过间苯二酚磺、丙烯酸改性后废毛毡碳纤维表面出现较多颗粒状物质，且表面粘附较多水化产物，呈现出增强界面。图2是的未改性废毛毡碳纤维微观形貌图，可以看出，未经改性处理，废毛毡碳纤维表面较为均匀，与周边浆体的粘附能力明显变差。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种包含改性废毛毡碳纤维的导电混凝土，其特征在于，按重量份计包括，改性废毛毡碳纤维20-116份、铁粉2-26份、水泥189-523份、粉煤灰13-246份、砂420-656份、石子420-656份、外加剂0-26份和水50-380份；

所述改性废毛毡碳纤维的制备方法如下：

步骤一、将水与间苯二酚磺混合均匀，制成间苯二酚磺溶液；

步骤二、将水与丙烯酸混合均匀，制成丙烯酸溶液；

步骤三、将废毛毡碳纤维与间苯二酚磺溶液混合，搅拌均匀，抽滤、清洗，得到中间产物；

步骤四、将中间产物与丙烯酸溶液混合，搅拌均匀，抽滤、清洗、低温干燥，得到改性废毛毡碳纤维。

2.根据权利要求1所述的一种包含改性废毛毡碳纤维的导电混凝土，其特征在于，所述步骤一中，间苯二酚磺和水的质量份比为（1-16）:100；

所述步骤二中，丙烯酸和水的质量份比为（1-16）:100。

3.根据权利要求1所述的一种包含改性废毛毡碳纤维的导电混凝土，其特征在于，所述步骤三中，废毛毡碳纤维与间苯二酚磺溶液质量份比为（1-30）:100，废毛毡碳纤维长度为3-21mm；

所述步骤四中，中间产物与丙烯酸溶液质量份比为（1-30）:100。

4.根据权利要求1所述的一种包含改性废毛毡碳纤维的导电混凝土，其特征在于，所述步骤四中，低温干燥温度范围为20-40℃。

5.根据权利要求1所述的一种包含改性废毛毡碳纤维的导电混凝土，其特征在于，所述水泥为P.O.42.5水泥。

6.根据权利要求1所述的一种包含改性废毛毡碳纤维的导电混凝土，其特征在于，所述粉煤灰最大粒径小于75μm。

7.根据权利要求1所述的一种包含改性废毛毡碳纤维的导电混凝土，其特征在于，所述外加剂为市售减水剂、速凝剂、缓凝剂的一种或几种混合物。

8.一种如权利要求1-7任一项所述的导电混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将改性废毛毡碳纤维与水混合均匀；

S2、加入铁粉，混合均匀；

S3、将水泥、粉煤灰、砂、石子、外加剂混合均匀后加入，将全部原料混合均匀，得导电混凝土。