一種內摻低熔點合金的導電水泥及其製備方法與流程
2023-08-02 09:42:36
本發明涉及建築材料技術領域，特別涉及一種內摻低熔點合金的導電水泥及其製備方法。
背景技術：
水泥及包含水泥成分的混凝土，是建築領域十分常見的結構材料。隨著社會的發展和技術的進步，工程上對水泥材料的功能和性質提出了多樣性要求。由於傳統的水泥和混凝土本身電阻高，是不良導體。近些年來，在保證水泥的基礎性質的前提下，為其增加一些附加的功能如導電性，成為了新型功能和智能建築材料的研究熱點。在目前已公開的技術中，導電水泥通常是通過在水泥基體中摻加一定含量的導電材料來實現的。製得的導電水泥既要有一定的力學強度還要具有導電特性。此類水泥作為一種組成成分還可以進一步和其他混凝土成分一起製成導電混凝土。導電水泥和導電混凝土不僅能保留結構材料的基本功能，而且在電力工業、建築採暖、電加熱器等與建築密切關聯等方面具有重要作用。導電水泥常用的導電填料主要包括石墨、碳纖維及鋼纖維。石墨具有良好的導電性，在水泥或混凝土中加入一定比例的石墨雖可以提高這些材料的導電性，但要實現這一目標，需要的石墨含量較多，然而石墨的力學強度不高，因此會明顯降低水泥或混凝土的強度。而且當石墨的佔比達到一定程度後，即使再增加其含量，基體的導電性也不會增加；纖維材料在混合攪拌時，易發生團聚和斷裂，且碳纖維的造價過高，大量使用會帶來成本問題。因此開發一種有效的導電水泥以及對應簡化的製造工藝具有重要意義。
技術實現要素：
本發明的目的是克服傳統水泥本身不導電的特點，以及現有導電水泥存在的問題，提供一種內摻低熔點合金的導電水泥。本發明提供的導電水泥以水泥基材料作為主要成分，輔以由低熔點合金組成的導電填料；其中，所述導電填料由低熔點合金組成，具有良好的導電和力學性質(即強度)，在將所述導電填料摻入水泥基材料中後，在未明顯降低強度的情況下，使得導電水泥具有較好的導電性，同時能夠避免由於大量使用纖維材料所導致的成本問題。具體而言，本發明導電水泥包括如下體積份的成分：水泥基材料10～80份；由低熔點合金組成的導電填料20～90份。優選地，所述導電水泥包括體積份的成分：水泥基材料40～70份；導電填料30～60份。作為本發明的優選方案，所述導電水泥包括如下體積份的成分：水泥基材料60份；導電填料40份。為提高導電水泥的導電性，從而減少導電填料的使用量，所述導電水泥還包括體積份的成分：導電纖維0.1～15份，在所述導電水泥中添加導電纖維後，能夠在導電水泥中形成導電網絡，提高導電水泥的導電性，從而減少導電填料的使用量。其中，所述導電纖維的單絲直徑為50μm～300μm，長徑比為100～300.作為本發明的優選方案，所述導電水泥包括如下體積份的成分：水泥基材料74.5份；導電填料25份；導電纖維0.5份。所述低熔點合金選自鉍、銦、錫、鎘、鋅、鎵、鐵、鎳和鈣中的至少兩種；和/或，所述低熔點合金以微粒形式存在，所述微粒的直徑為100μm～3mm。所述低熔點合金的熔點為45～232℃。所述低熔點合金優選為由鉍、銦、錫和鋅組成，且包括如下質量份的成分：鉍30～67份、銦15～60份、錫7～60份及鋅0～9份。所述水泥基材料為水泥熟料和石膏，所述水泥熟料選自矽酸鹽和鋁酸鹽水泥的一種；優選為矽酸鹽水泥。所述導電纖維選自碳纖維和不鏽鋼纖維的一種；優選為碳纖維。本發明進一步提供了所述導電水泥的製備方法，包括以下具體步驟：取各原料，在加熱溫度為50～300℃和常壓條件下，將各原料依次進行混合、粉磨和攪拌，再進行冷卻，待混合物固化即得。以下是本發明製備方法的一個優選技術方案，包括以下具體步驟：1)取低熔點合金，在加熱溫度60～250℃和常壓條件下製成導電填料，然後與水泥基材料(即水泥熟料和石膏)混合；2)在將導電填料和水泥基材料混合後，在加熱溫度為65～232℃和常壓條件下粉磨，攪拌20分鐘～4小時，攪拌速度為30～1500轉/分，之後冷卻，待混合物固化即得。本發明製備方法的另一個優選技術方案為，包括以下具體步驟：1)取低熔點合金，在加熱溫度60～250℃和常壓條件下製成導電填料，然後與水泥基材料(即水泥熟料和石膏)混合；2)在將導電填料和水泥基材料混合後，在加熱溫度為65～232℃和常壓條件下粉磨，攪拌20分鐘～2小時，攪拌速度為30～1500轉/分；3)在加熱溫度為25～232℃和常壓條件下加入導電纖維進行攪拌混合，在混合均勻之後冷卻，待混合物固化即得。本發明提供的導電水泥中，水泥基材料和由低熔點合金組成的導電填料以合理的配比協同作用，在未明顯降低強度的情況下，使得導電水泥具有較好的導電性，同時能夠避免由於大量使用纖維材料所導致的成本問題。附圖說明圖1是本發明一種實施例的內摻低熔點合金的導電水泥的結構示意圖；圖2是本發明一種實施例的內摻低熔點合金的導電水泥的結構示意圖。具體實施方式下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用於說明本發明，但不用來限制本發明的範圍。實施例1本實施例提供了一種內摻低熔點合金的導電水泥，其包括如下體積的成分：水泥基材料60立方分米，導電填料40立方分米。實施例2本實施例提供了一種內摻低熔點合金的導電水泥，其包括如下體積的成分：水泥基材料40立方分米，導電填料60立方分米。實施例3本實施例提供了一種內摻低熔點合金的導電水泥，其包括如下體積的成分：水泥基材料70立方分米，導電填料30立方分米。實施例4本實施例提供了一種內摻低熔點合金的導電水泥，其包括如下體積的成分：水泥基材料10立方分米，導電填料90立方分米。實施例5本實施例提供了一種內摻低熔點合金的導電水泥，其包括如下體積的成分：水泥基材料80立方分米，導電填料20立方分米。實施例6本實施例提供了一種內摻低熔點合金的導電水泥，其包括如下體積的成分：水泥基材料74.5立方分米，導電填料25立方分米，導電纖維0.5立方分米。實施例7本實施例提供了一種內摻低熔點合金的導電水泥，其包括如下體積的成分：水泥基材料74.9立方分米，導電填料25立方分米，導電纖維0.1立方分米。實施例8本實施例提供了一種內摻低熔點合金的導電水泥，其包括如下體積的成分：水泥基材料60立方分米，導電填料25立方分米，導電纖維15立方分米。實施例9本實施例提供了一種內摻低熔點合金的導電水泥的製備方法，具體為：1)取低熔點合金，在加熱溫度150℃和常壓條件下，加熱1小時，製成導電填料，然後與水泥基材料(即矽酸鹽水泥和石膏)混合，其中，低熔點合金為鉍(Bi)、銦(In)、錫(Sn)和鋅(Zn)組成的BiInSnZn合金，該BiInSnZn合金中各金屬質量的成分：鉍(Bi)35克、銦(In)48.6克、錫(Sn)15.9克和鋅(Zn)0.4克；該BiInSnZn合金的熔點為57.5℃，在室溫下的抗壓強度為38MPa，接近混凝土的抗壓強度(44.2MPa)，所述導電填料的體積為40立方分米，所述水泥基材料的體積為60立方分米；2)在將導電填料和水泥基材料混合後，在加熱溫度為150℃和常壓條件下粉磨，攪拌1小時，攪拌速度為300轉/分，之後冷卻至室溫，得到直徑為100μm～3mm的低熔點合金填料微粒均勻分散的導電水泥。參照圖1，得到的導電水泥1(具有低熔點合金填料微粒2)使用時與普通水泥的操作方法相同，即將其與細砂和石子按比例用水調和攪拌，塗抹在磚牆面4上，接入電源和電子元器件，使導電水泥1起到導線導電作用。在硬化後的水泥表面塗抹覆蓋一層塗料5，能夠起到將導電部分與外界隔開、絕緣保護作用。另外，根據建築對導電功能的實際需要，在建築牆面上將導電和普通水泥聯合使用，有導電功能需求的區域使用導電水泥，其他不需要導電或需要絕緣部分用普通水泥3填補。實施例10本實施例的製備方法及原材料均與實施例9相同，而應用場景與實施例9不同，製成的導電水泥取代傳統發熱電纜，以迂迴形布於普通水泥之間，塗抹在地面和牆壁上，為建築物保溫供暖。一旦發生通路斷開問題，易於解決，添加導電水泥於裂縫即可修復。實施例11本實施例的製備方法與實施例9相同，但原材料與實施例9原材料不同，低熔點合金導電水泥的導電填料為鉍(Bi)、銦(In)和錫(Sn)組成的BiInSn合金，該BiInSn合金中各金屬質量的成分：鉍(Bi)31.6克、銦(In)48.8克和錫(Sn)19.6克，該BiInSn合金的熔點為59℃。本實施例的導電水泥的應用與實施例9和實施例10相同。實施例12本實施例與實施例9的原材料不同，除採用實施例9中的水泥基材料和BiInSnZn合金外，另添加碳纖維。其中，所述導電填料的體積為25立方分米，所述水泥基材料的體積為74.5立方分米，所述碳纖維的體積為0.5立方分米，所述碳纖維的單絲直徑為100μm，長徑比為100，所述水泥基材料為矽酸鹽水泥和石膏。本實施例提供了一種內摻低熔點合金的導電水泥的製備方法，具體為：1)取低熔點合金，在加熱溫度200℃和常壓條件下加熱30分鐘，製成導電填料，然後與水泥基材料混合；2)在將導電填料和水泥基材料混合後，在加熱溫度為200℃和常壓條件下粉磨，攪拌2小時，攪拌速度為300轉/分；3)在加熱溫度為80℃和常壓條件下加入導電纖維進行攪拌混合，在混合均勻之後冷卻，待混合物固化即得。參照圖2，得到的導電水泥1由於均勻分散的低熔點合金微粒2和導電纖維6之間形成接觸良好的導電網，有利於導電水泥導電性的提升。本實施例的導電水泥的應用與實施例9和實施例10相同。以上實施方式僅用於說明本發明，而並非對本發明的限制，有關技術領域的普通技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術方案也屬於本發明的範疇，本發明的專利保護範圍應由權利要求限定。