一種碳纖維在水泥粉體中的乾燥分散方法

2023-05-16 15:18:56 4

專利名稱：一種碳纖維在水泥粉體中的乾燥分散方法
一種碳纖維在水泥粉體中的乾燥分散方法
技術領域：
本發明涉及一種碳纖維的分散方法，特別是一種在乾燥狀態下，碳纖維在水泥粉 體中的乾燥分散方法。
背景技術：
目前碳纖維表面的疏水特性及其單絲直徑僅為7 μ m左右的纖維狀幾何結構仍是 導致碳纖維在水泥基體中分布不均與碳纖維水泥基複合材料製備失敗的主要原因，其嚴重 影響著碳纖維水泥基複合材料綜合力學性能的發揮及其電學性能的穩定性。因此，對碳纖維進行預分散處理，以避免在機械攪拌力作用下碳纖維在水泥拌合 物中的團聚成塊，以及提高碳纖維水泥基複合材料的綜合力學性能和電學性能穩定性，已 經成為當今碳纖維水泥基複合材料製備技術領域研究的關鍵內容之一。文獻1( "D. D. L. Chung, Carbon, 2000, 31 511-526」)禾口文獻 2 ( "B. G Han, X. C. Guan, J. P. 0u, Sensors andActuators A, 2007,135 360-369」)公開了一種利用甲基 纖維素和矽灰共同作用分散碳纖維的方法，具體為首先將碳纖維、甲基纖維素、減水劑、消 泡劑，以及水在攪拌機中拌合均勻，然後再加入矽灰和水泥並進一步攪拌，從而，形成碳纖 維分布均勻的水泥拌合物，最後澆注、養護形成碳纖維水泥基複合材料。文獻3( "C. Wang,K. Ζ. Li,H. J. Li,GS. Jiao, J. H. Lu,D. S. Hou,Materials Science and Engineering A, 2008,487 52-57」)公開了一種利用超聲波、羥乙基纖維素和矽灰共 同作用分散碳纖維的方法，具體為首先將碳纖維浸入水中，並添加羥乙基纖維素和少量磷 酸三丁酯，超聲振蕩至碳纖維分散均勻，然後再與水泥、標準砂、矽灰和減水劑攪拌均勻後， 形成碳纖維水泥基複合材料。上述方法雖然都可以獲得較好的碳纖維分散效果，但是卻存在其他弊端一方面， 由於分散過程使用的甲基纖維素或羥乙基纖維素會導致碳纖維水泥拌合物粘度增加，致使 為獲得必要的澆注流動性而增加拌合用水量，降低最終複合材料強度；另一方面，甲基纖維 素和羥乙基纖維素還會存留在碳纖維水泥基複合材料中，在碳纖維與水泥石的界面處形成 一層絕緣高分子層，增大最終複合材料電阻率的波動範圍，影響複合材料電學性能穩定性。文獻4( 「楊元霞，毛起炻，沈大榮，李卓球，建築材料學報，2001，4(1) :84_88」)公 開了一種同摻法製備碳纖維水泥基複合材料的方法，具體為直接將碳纖維和水泥粉體幹 燥攪拌後再加水，避免了纖維素使用帶來的複合材料強度降低和電學性能變差的問題。但 是攪拌機的攪拌作用無法將細小的碳纖維分散均勻，且攪拌時間長，加劇碳纖維的成團與 折斷；另一方面，由於碳纖維分散不均勻，因此，所製備出來的碳纖維水泥基複合材料電阻 率波動較大。文獻5( 「海然，潘洪科，中原工學院學報，2008，19(3) :1_3+12」)公開了一種採用 手工揉搓工藝分散碳纖維的方法，具體為首先將碳纖維和矽粉混合後並進行手工揉搓，然 後將碳纖維和矽粉的混合物與水泥、剩餘矽粉及減水劑在攪拌機中攪拌均勻，再依次加入 標準砂和水製備碳纖維水泥基複合材料。該方法可在不使用纖維素的乾燥攪拌狀態下，獲得較好的碳纖維分散效果，避免了纖維素使用帶來的複合材料強度降低和電學性能變差的 問題。但是該方法採用的手工揉搓工藝的碳纖維分散效率較低，操作人員工作環境較差，而 且手工操作過程容易導致碳纖維水泥基複合材料性能波動較大。

發明內容本發明所要解決的技術問題是提供一種碳纖維在水泥粉體中的乾燥分散方法，其 中，碳纖維在水泥粉體中分布均勻，且沒有纖維團聚現象發生。為實現上述目的，本發明提供了一種碳纖維在水泥粉體中的乾燥分散方法，首先， 將短切碳纖維在無水乙醇中浸泡，除去表面膠體並乾燥；接著，將短切碳纖維在高速攪拌機 內分散為單絲狀態後，將其按照質量分為若干等分，同時，將矽酸鹽水泥按照質量分為若干 等分；再接著，將分散為單絲狀態的短切碳纖維和矽酸鹽水泥以交替的方式平鋪於攪拌機 的攪拌鍋內；最後，啟動攪拌機，使其以140r/min的轉速攪拌1 3min後，再以285r/min 的轉速攪拌10 20min，之後，向其中加入水攪拌成型即可。本發明碳纖維在水泥粉體中的乾燥分散方法至少具有以下優點由於採用了乾燥 混合工藝，直接將單絲狀態的短切碳纖維和水泥粉體乾燥混合均勻後，再加水製備成碳纖 維水泥基複合材料，從而，避免了纖維素使用帶來的複合材料強度降低和電學性能變差的 問題；另外，本發明工藝利用具有交叉橡膠刀片的高速攪拌機將束狀短切碳纖維分散為單 絲狀態，有利於後續碳纖維在水泥粉體中的均勻分散，同時單絲狀態的碳纖維直徑較細、表 面能較高，有利於水泥粉體在碳纖維表面的吸附，可有效避免單絲狀態碳纖維的二次團聚； 再者，本發明工藝過程不需要採用手工揉搓操作分散碳纖維，因而可以明顯改善操作人員 的工作環境，提高效率，並且有利於碳纖維水泥基複合材料性能穩定。

圖1為本發明碳纖維在水泥粉體中的乾燥分散方法的流程圖；圖2是由本發明方法得到的碳纖維水泥基複合材料截面的掃描電鏡照片。
具體實施方式實施例一步驟1 請參閱圖1所示，按照質量比為0. 001 1 0. 3的比例，取短切碳纖維、 普通矽酸鹽水泥和水；步驟2:將短切碳纖維在無水乙醇中浸泡6h，去除表面膠體，然後乾燥，再置於具 有交叉橡膠刀片的高速攪拌機內攪拌lmin，其中，攪拌機的轉速為8000r/min，以將束狀短 切碳纖維分散為單絲狀態；步驟3 將步驟2得到的單絲狀態的短切碳纖維按質量等分為3份，待用；同時，將 普通矽酸鹽水泥，按質量等分為4份，待用；步驟4 取1份普通矽酸鹽水泥裝入膠砂攪拌機的攪拌鍋內，並保持水泥粉體表面 平整，然後取1份單絲狀態的短切碳纖維均勻覆蓋於水泥粉體表面之上，重複上述步驟，使 普通矽酸鹽水泥和短切碳纖維交替放置，即在一層普通矽酸鹽水泥表面平鋪一層短切碳纖 維，接著，再在一層短切碳纖維表面平鋪一層普通矽酸鹽水泥，如此重複，直至普通矽酸鹽水泥和短切碳纖維全部用完為止，最後，膠砂攪拌機的攪拌鍋最上一層為水泥粉體；步驟5 接通電源，膠砂攪拌機以140r/min的轉速攪拌lmin，然後，再以285r/min 的轉速攪拌lOmin，此時，碳纖維單絲均勻分散於水泥粉體之中，並且水泥粉體均勻吸附於
碳纖維單絲表面；步驟6 將水緩慢加入步驟5得到的碳纖維和水泥粉體的混合物料中，然後，使膠 砂攪拌機以285r/min的轉速繼續攪拌Imin後，直接澆注到鋼質模具中並振動成型，最後養 護形成碳纖維水泥基複合材料。實施例二步驟1 請參閱圖1所示，按照質量比為0. 004 1 0.4的比例，取短切碳纖維、 普通矽酸鹽水泥和水；步驟2 將短切碳纖維在無水乙醇中浸泡8h，去除表面膠體，然後乾燥，再置於具 有交叉橡膠刀片的高速攪拌機內攪拌lmin，其中，攪拌機的轉速為9000r/min，以將束狀的 短切碳纖維分散為單絲狀態；步驟3 將步驟2分散成單絲狀態的短切碳纖維按質量等分為4份，待用；同時，將 普通矽酸鹽水泥，按質量等分為5份，待用；步驟4 取1份普通矽酸鹽水泥裝入膠砂攪拌機的攪拌鍋內，並保持水泥粉體表面 平整，然後取1份單絲狀態的短切碳纖維均勻覆蓋於水泥粉體表面之上，重複上述步驟，使 普通矽酸鹽水泥和短切碳纖維交替放置，即在一層普通矽酸鹽水泥表面平鋪一層短切碳纖 維，接著，再在一層短切碳纖維表面平鋪一層普通矽酸鹽水泥，如此重複，直至普通矽酸鹽 水泥和短切碳纖維全部用完為止，最後，膠砂攪拌機的攪拌鍋最上一層為水泥粉體；步驟5 接通電源，膠砂攪拌機以140r/min的轉速攪拌2min，然後，再以285r/min 的轉速攪拌15min，此時，碳纖維單絲均勻分散於水泥粉體之中，並且水泥粉體均勻吸附於 碳纖維單絲表面；步驟6 將水緩慢加入步驟5得到的碳纖維和水泥粉體的混合物料中，然後，膠砂 攪拌機以285r/min的轉速繼續攪拌Imin後，直接澆注到鋼質模具中並振動成型，最後養護 形成碳纖維水泥基複合材料。實施例三步驟1 請參閱圖1所示，按照質量比為0. 006 1 0.5的比例，取短切碳纖維、 普通矽酸鹽水泥和水；步驟2 將短切碳纖維在無水乙醇中浸泡10h，去除表面膠體，然後乾燥，再置於具 有交叉橡膠刀片的高速攪拌機內攪拌lmin，其中，攪拌機的轉速為9500r/min，以將束狀的 短切碳纖維分散為單絲狀態；步驟3 將步驟2分散成單絲狀態的短切碳纖維按質量等分為4份，待用；同時，將 普通矽酸鹽水泥，按質量等分為5份，待用；步驟4 取1份普通矽酸鹽水泥裝入膠砂攪拌機的攪拌鍋內，並保持水泥粉體表面 平整，然後取1份單絲狀態的短切碳纖維均勻覆蓋於水泥粉體表面之上，重複上述步驟，使 普通矽酸鹽水泥和短切碳纖維交替放置，即在一層普通矽酸鹽水泥表面平鋪一層短切碳纖 維，接著，再在一層短切碳纖維表面平鋪一層普通矽酸鹽水泥，如此重複，直至普通矽酸鹽 水泥和短切碳纖維全部用完為止，最後，膠砂攪拌機的攪拌鍋最上一層為水泥粉體；
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步驟5 接通電源，膠砂攪拌機以140r/min的轉速攪拌2min，然後，再以285r/min 的轉速攪拌15min，此時，碳纖維單絲均勻分散於水泥粉體之中，並且水泥粉體均勻吸附於 碳纖維單絲表面；步驟6 將水緩慢加入步驟5得到的碳纖維和水泥粉體的混合物料中，然後，膠砂 攪拌機以285r/min的轉速繼續攪拌2min後，直接澆注到鋼質模具中並振動成型，最後養護 形成碳纖維水泥基複合材料。實施例四步驟1 請參閱圖1所示，按照質量比為0. 008 1 0.6的比例，取短切碳纖維、 普通矽酸鹽水泥和水；步驟2 將短切碳纖維在無水乙醇中浸泡12h，去除表面膠體，然後乾燥，再置於具 有交叉橡膠刀片的高速攪拌機內攪拌lmin，其中，攪拌機的轉速為lOOOOr/min，以將束狀 的短切碳纖維分散為單絲狀態；步驟3 將步驟2分散成單絲狀態的短切碳纖維按質量等分為5份，待用；同時，將 普通矽酸鹽水泥，按質量等分為6份，待用；步驟4 取1份普通矽酸鹽水泥裝入膠砂攪拌機的攪拌鍋內，並保持水泥粉體表面 平整，然後取1份單絲狀態的短切碳纖維均勻覆蓋於水泥粉體表面之上，重複上述步驟，使 普通矽酸鹽水泥和短切碳纖維交替放置，即在一層普通矽酸鹽水泥表面平鋪一層短切碳纖 維，接著，再在一層短切碳纖維表面平鋪一層普通矽酸鹽水泥，如此重複，直至普通矽酸鹽 水泥和短切碳纖維全部用完為止，最後，膠砂攪拌機的攪拌鍋最上一層為水泥粉體；步驟5 接通電源，膠砂攪拌機以140r/min的轉速攪拌3min，然後，再以285r/min 的轉速攪拌20min，此時，碳纖維單絲均勻分散於水泥粉體之中，並且水泥粉體均勻吸附於 碳纖維單絲表面；步驟6 將水緩慢加入步驟5得到的碳纖維和水泥粉體的混合物料中，然後，膠砂 攪拌機以285r/min的轉速繼續攪拌2min後，直接澆注到鋼質模具中並振動成型，最後養護 形成碳纖維水泥基複合材料。請參閱圖2所示，由本方法製備出來的碳纖維水泥基複合材料，碳纖維分布均勻， 且沒有纖維團聚現象發生。以上所述僅為本發明的一種實施方式，不是全部或唯一的實施方式，本領域普通 技術人員通過閱讀本發明說明書而對本發明技術方案採取的任何等效的變換，均為本發明 的權利要求所涵蓋。
權利要求
一種碳纖維在水泥粉體中的乾燥分散方法，其特徵在於首先，將短切碳纖維在無水乙醇中浸泡，除去表面膠體並乾燥；接著，將短切碳纖維在攪拌機內分散為單絲狀態後，將其按照質量分為若干等分，同時，將矽酸鹽水泥按照質量分為若干等分；接著，將分散為單絲狀態的短切碳纖維和矽酸鹽水泥以交替的方式平鋪於攪拌機的攪拌鍋內；最後，啟動攪拌機，使其以140r/min的轉速攪拌1～3min後，再以285r/min的轉速攪拌10～20min，之後，向其中加入水攪拌成型即可。
2.如權利要求1所述的乾燥分散方法，其特徵在於包括以下步驟步驟1 按照質量比為(0.001 0.008) 1 (0.3 0.6)的比例，取短切碳纖維、 矽酸鹽水泥和水；步驟2 將短切碳纖維在無水乙醇中浸泡(6 12)h，去除表面膠體、乾燥後，將該短切 碳纖維放置於攪拌機內分散為單絲狀態，其中攪拌機的轉速為8000 lOOOOr/min，攪拌時 間為Imin ；步驟3 將步驟2得到的單絲狀態的短切碳纖維按質量等分為若干份，待用；同時，將矽 酸鹽水泥，按質量等分為若干份，待用；步驟4 取1份矽酸鹽水泥裝入攪拌機的攪拌鍋內，並保持水泥粉體表面平整，然後，在 其表面上覆蓋一層單絲狀態的短切碳纖維，重複上述步驟，直至矽酸鹽水泥和短切碳纖維 全部用完為止，最後，攪拌機的攪拌鍋最上一層為水泥粉體；步驟5 接通電源，攪拌機以140r/min的轉速攪拌1 3min，然後，再以285r/min的轉 速攪拌10 20min ；步驟6 將水緩慢加入到步驟5得到的碳纖維和水泥粉體的混合物料中，然後，再使攪 拌機以285r/min的轉速攪拌1 2min。
3.如權利要求1或2所述的乾燥分散方法，其特徵在於所述短切碳纖維分散為單絲 狀態時，採用在具有交叉橡膠刀片的攪拌機內攪拌。
4.如權利要求3所述的乾燥分散方法，其特徵在於所述短切碳纖維和矽酸鹽水泥以 交替的方式平鋪於膠砂攪拌機的攪拌鍋內。
全文摘要
本發明提供了一種碳纖維在水泥粉體中的乾燥分散方法，首先，將短切碳纖維在無水乙醇中浸泡，除去表面膠體並乾燥；接著，將短切碳纖維在高速攪拌機內分散為單絲狀態後，將其按照質量分為若干等分，同時，將矽酸鹽水泥按照質量分為若干等分；再接著，將分散為單絲狀態的短切碳纖維和矽酸鹽水泥以交替的方式平鋪於攪拌機的攪拌鍋內；最後，啟動攪拌機，使其以140r/mmin的轉速攪拌1～3min後，再以285r/min的轉速攪拌10～20min；最後，向上述攪拌鍋內加入水攪拌成型，製備成碳纖維水泥基複合材料。在由本發明分散方法得到的碳纖維水泥基複合材料中，碳纖維分布均勻，且沒有纖維團聚現象發生。
文檔編號C04B14/38GK101890758SQ20101022401
公開日2010年11月24日 申請日期2010年7月12日 優先權日2010年7月12日
發明者魏劍 申請人:西安建築科技大學