专利名称：一种碳纤维在水泥粉体中的干燥分散方法
一种碳纤维在水泥粉体中的干燥分散方法
技术领域：
本发明涉及一种碳纤维的分散方法，特别是一种在干燥状态下，碳纤维在水泥粉 体中的干燥分散方法。
背景技术：
目前碳纤维表面的疏水特性及其单丝直径仅为7 μ m左右的纤维状几何结构仍是 导致碳纤维在水泥基体中分布不均与碳纤维水泥基复合材料制备失败的主要原因，其严重 影响着碳纤维水泥基复合材料综合力学性能的发挥及其电学性能的稳定性。因此，对碳纤维进行预分散处理，以避免在机械搅拌力作用下碳纤维在水泥拌合 物中的团聚成块，以及提高碳纤维水泥基复合材料的综合力学性能和电学性能稳定性，已 经成为当今碳纤维水泥基复合材料制备技术领域研究的关键内容之一。文献1( "D. D. L. Chung, Carbon, 2000, 31 511-526”)禾口文献 2 ( "B. G Han, X. C. Guan, J. P. 0u, Sensors andActuators A, 2007,135 360-369”)公开了一种利用甲基 纤维素和硅灰共同作用分散碳纤维的方法，具体为首先将碳纤维、甲基纤维素、减水剂、消 泡剂，以及水在搅拌机中拌合均勻，然后再加入硅灰和水泥并进一步搅拌，从而，形成碳纤 维分布均勻的水泥拌合物，最后浇注、养护形成碳纤维水泥基复合材料。文献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”)公开了一种利用超声波、羟乙基纤维素和硅灰共 同作用分散碳纤维的方法，具体为首先将碳纤维浸入水中，并添加羟乙基纤维素和少量磷 酸三丁酯，超声振荡至碳纤维分散均勻，然后再与水泥、标准砂、硅灰和减水剂搅拌均勻后， 形成碳纤维水泥基复合材料。上述方法虽然都可以获得较好的碳纤维分散效果，但是却存在其他弊端一方面， 由于分散过程使用的甲基纤维素或羟乙基纤维素会导致碳纤维水泥拌合物粘度增加，致使 为获得必要的浇注流动性而增加拌合用水量，降低最终复合材料强度；另一方面，甲基纤维 素和羟乙基纤维素还会存留在碳纤维水泥基复合材料中，在碳纤维与水泥石的界面处形成 一层绝缘高分子层，增大最终复合材料电阻率的波动范围，影响复合材料电学性能稳定性。文献4( “杨元霞，毛起炻，沈大荣，李卓球，建筑材料学报，2001，4(1) :84_88”)公 开了一种同掺法制备碳纤维水泥基复合材料的方法，具体为直接将碳纤维和水泥粉体干 燥搅拌后再加水，避免了纤维素使用带来的复合材料强度降低和电学性能变差的问题。但 是搅拌机的搅拌作用无法将细小的碳纤维分散均勻，且搅拌时间长，加剧碳纤维的成团与 折断；另一方面，由于碳纤维分散不均勻，因此，所制备出来的碳纤维水泥基复合材料电阻 率波动较大。文献5( “海然，潘洪科，中原工学院学报，2008，19(3) :1_3+12”)公开了一种采用 手工揉搓工艺分散碳纤维的方法，具体为首先将碳纤维和硅粉混合后并进行手工揉搓，然 后将碳纤维和硅粉的混合物与水泥、剩余硅粉及减水剂在搅拌机中搅拌均勻，再依次加入 标准砂和水制备碳纤维水泥基复合材料。该方法可在不使用纤维素的干燥搅拌状态下，获得较好的碳纤维分散效果，避免了纤维素使用带来的复合材料强度降低和电学性能变差的 问题。但是该方法采用的手工揉搓工艺的碳纤维分散效率较低，操作人员工作环境较差，而 且手工操作过程容易导致碳纤维水泥基复合材料性能波动较大。
发明内容本发明所要解决的技术问题是提供一种碳纤维在水泥粉体中的干燥分散方法，其 中，碳纤维在水泥粉体中分布均勻，且没有纤维团聚现象发生。为实现上述目的，本发明提供了一种碳纤维在水泥粉体中的干燥分散方法，首先， 将短切碳纤维在无水乙醇中浸泡，除去表面胶体并干燥；接着，将短切碳纤维在高速搅拌机 内分散为单丝状态后，将其按照质量分为若干等分，同时，将硅酸盐水泥按照质量分为若干 等分；再接着，将分散为单丝状态的短切碳纤维和硅酸盐水泥以交替的方式平铺于搅拌机 的搅拌锅内；最后，启动搅拌机，使其以140r/min的转速搅拌1 3min后，再以285r/min 的转速搅拌10 20min，之后，向其中加入水搅拌成型即可。本发明碳纤维在水泥粉体中的干燥分散方法至少具有以下优点由于采用了干燥 混合工艺，直接将单丝状态的短切碳纤维和水泥粉体干燥混合均勻后，再加水制备成碳纤 维水泥基复合材料，从而，避免了纤维素使用带来的复合材料强度降低和电学性能变差的 问题；另外，本发明工艺利用具有交叉橡胶刀片的高速搅拌机将束状短切碳纤维分散为单 丝状态，有利于后续碳纤维在水泥粉体中的均勻分散，同时单丝状态的碳纤维直径较细、表 面能较高，有利于水泥粉体在碳纤维表面的吸附，可有效避免单丝状态碳纤维的二次团聚； 再者，本发明工艺过程不需要采用手工揉搓操作分散碳纤维，因而可以明显改善操作人员 的工作环境，提高效率，并且有利于碳纤维水泥基复合材料性能稳定。
图1为本发明碳纤维在水泥粉体中的干燥分散方法的流程图；图2是由本发明方法得到的碳纤维水泥基复合材料截面的扫描电镜照片。
具体实施方式实施例一步骤1 请参阅图1所示，按照质量比为0. 001 1 0. 3的比例，取短切碳纤维、 普通硅酸盐水泥和水；步骤2:将短切碳纤维在无水乙醇中浸泡6h，去除表面胶体，然后干燥，再置于具 有交叉橡胶刀片的高速搅拌机内搅拌lmin，其中，搅拌机的转速为8000r/min，以将束状短 切碳纤维分散为单丝状态；步骤3 将步骤2得到的单丝状态的短切碳纤维按质量等分为3份，待用；同时，将 普通硅酸盐水泥，按质量等分为4份，待用；步骤4 取1份普通硅酸盐水泥装入胶砂搅拌机的搅拌锅内，并保持水泥粉体表面 平整，然后取1份单丝状态的短切碳纤维均勻覆盖于水泥粉体表面之上，重复上述步骤，使 普通硅酸盐水泥和短切碳纤维交替放置，即在一层普通硅酸盐水泥表面平铺一层短切碳纤 维，接着，再在一层短切碳纤维表面平铺一层普通硅酸盐水泥，如此重复，直至普通硅酸盐水泥和短切碳纤维全部用完为止，最后，胶砂搅拌机的搅拌锅最上一层为水泥粉体；步骤5 接通电源，胶砂搅拌机以140r/min的转速搅拌lmin，然后，再以285r/min 的转速搅拌lOmin，此时，碳纤维单丝均勻分散于水泥粉体之中，并且水泥粉体均勻吸附于
碳纤维单丝表面；步骤6 将水缓慢加入步骤5得到的碳纤维和水泥粉体的混合物料中，然后，使胶 砂搅拌机以285r/min的转速继续搅拌Imin后，直接浇注到钢质模具中并振动成型，最后养 护形成碳纤维水泥基复合材料。实施例二步骤1 请参阅图1所示，按照质量比为0. 004 1 0.4的比例，取短切碳纤维、 普通硅酸盐水泥和水；步骤2 将短切碳纤维在无水乙醇中浸泡8h，去除表面胶体，然后干燥，再置于具 有交叉橡胶刀片的高速搅拌机内搅拌lmin，其中，搅拌机的转速为9000r/min，以将束状的 短切碳纤维分散为单丝状态；步骤3 将步骤2分散成单丝状态的短切碳纤维按质量等分为4份，待用；同时，将 普通硅酸盐水泥，按质量等分为5份，待用；步骤4 取1份普通硅酸盐水泥装入胶砂搅拌机的搅拌锅内，并保持水泥粉体表面 平整，然后取1份单丝状态的短切碳纤维均勻覆盖于水泥粉体表面之上，重复上述步骤，使 普通硅酸盐水泥和短切碳纤维交替放置，即在一层普通硅酸盐水泥表面平铺一层短切碳纤 维，接着，再在一层短切碳纤维表面平铺一层普通硅酸盐水泥，如此重复，直至普通硅酸盐 水泥和短切碳纤维全部用完为止，最后，胶砂搅拌机的搅拌锅最上一层为水泥粉体；步骤5 接通电源，胶砂搅拌机以140r/min的转速搅拌2min，然后，再以285r/min 的转速搅拌15min，此时，碳纤维单丝均勻分散于水泥粉体之中，并且水泥粉体均勻吸附于 碳纤维单丝表面；步骤6 将水缓慢加入步骤5得到的碳纤维和水泥粉体的混合物料中，然后，胶砂 搅拌机以285r/min的转速继续搅拌Imin后，直接浇注到钢质模具中并振动成型，最后养护 形成碳纤维水泥基复合材料。实施例三步骤1 请参阅图1所示，按照质量比为0. 006 1 0.5的比例，取短切碳纤维、 普通硅酸盐水泥和水；步骤2 将短切碳纤维在无水乙醇中浸泡10h，去除表面胶体，然后干燥，再置于具 有交叉橡胶刀片的高速搅拌机内搅拌lmin，其中，搅拌机的转速为9500r/min，以将束状的 短切碳纤维分散为单丝状态；步骤3 将步骤2分散成单丝状态的短切碳纤维按质量等分为4份，待用；同时，将 普通硅酸盐水泥，按质量等分为5份，待用；步骤4 取1份普通硅酸盐水泥装入胶砂搅拌机的搅拌锅内，并保持水泥粉体表面 平整，然后取1份单丝状态的短切碳纤维均勻覆盖于水泥粉体表面之上，重复上述步骤，使 普通硅酸盐水泥和短切碳纤维交替放置，即在一层普通硅酸盐水泥表面平铺一层短切碳纤 维，接着，再在一层短切碳纤维表面平铺一层普通硅酸盐水泥，如此重复，直至普通硅酸盐 水泥和短切碳纤维全部用完为止，最后，胶砂搅拌机的搅拌锅最上一层为水泥粉体；
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步骤5 接通电源，胶砂搅拌机以140r/min的转速搅拌2min，然后，再以285r/min 的转速搅拌15min，此时，碳纤维单丝均勻分散于水泥粉体之中，并且水泥粉体均勻吸附于 碳纤维单丝表面；步骤6 将水缓慢加入步骤5得到的碳纤维和水泥粉体的混合物料中，然后，胶砂 搅拌机以285r/min的转速继续搅拌2min后，直接浇注到钢质模具中并振动成型，最后养护 形成碳纤维水泥基复合材料。实施例四步骤1 请参阅图1所示，按照质量比为0. 008 1 0.6的比例，取短切碳纤维、 普通硅酸盐水泥和水；步骤2 将短切碳纤维在无水乙醇中浸泡12h，去除表面胶体，然后干燥，再置于具 有交叉橡胶刀片的高速搅拌机内搅拌lmin，其中，搅拌机的转速为lOOOOr/min，以将束状 的短切碳纤维分散为单丝状态；步骤3 将步骤2分散成单丝状态的短切碳纤维按质量等分为5份，待用；同时，将 普通硅酸盐水泥，按质量等分为6份，待用；步骤4 取1份普通硅酸盐水泥装入胶砂搅拌机的搅拌锅内，并保持水泥粉体表面 平整，然后取1份单丝状态的短切碳纤维均勻覆盖于水泥粉体表面之上，重复上述步骤，使 普通硅酸盐水泥和短切碳纤维交替放置，即在一层普通硅酸盐水泥表面平铺一层短切碳纤 维，接着，再在一层短切碳纤维表面平铺一层普通硅酸盐水泥，如此重复，直至普通硅酸盐 水泥和短切碳纤维全部用完为止，最后，胶砂搅拌机的搅拌锅最上一层为水泥粉体；步骤5 接通电源，胶砂搅拌机以140r/min的转速搅拌3min，然后，再以285r/min 的转速搅拌20min，此时，碳纤维单丝均勻分散于水泥粉体之中，并且水泥粉体均勻吸附于 碳纤维单丝表面；步骤6 将水缓慢加入步骤5得到的碳纤维和水泥粉体的混合物料中，然后，胶砂 搅拌机以285r/min的转速继续搅拌2min后，直接浇注到钢质模具中并振动成型，最后养护 形成碳纤维水泥基复合材料。请参阅图2所示，由本方法制备出来的碳纤维水泥基复合材料，碳纤维分布均勻， 且没有纤维团聚现象发生。以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通 技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明 的权利要求所涵盖。
权利要求
一种碳纤维在水泥粉体中的干燥分散方法，其特征在于首先，将短切碳纤维在无水乙醇中浸泡，除去表面胶体并干燥；接着，将短切碳纤维在搅拌机内分散为单丝状态后，将其按照质量分为若干等分，同时，将硅酸盐水泥按照质量分为若干等分；接着，将分散为单丝状态的短切碳纤维和硅酸盐水泥以交替的方式平铺于搅拌机的搅拌锅内；最后，启动搅拌机，使其以140r/min的转速搅拌1～3min后，再以285r/min的转速搅拌10～20min，之后，向其中加入水搅拌成型即可。
2.如权利要求1所述的干燥分散方法，其特征在于包括以下步骤步骤1 按照质量比为(0.001 0.008) 1 (0.3 0.6)的比例，取短切碳纤维、 硅酸盐水泥和水；步骤2 将短切碳纤维在无水乙醇中浸泡(6 12)h，去除表面胶体、干燥后，将该短切 碳纤维放置于搅拌机内分散为单丝状态，其中搅拌机的转速为8000 lOOOOr/min，搅拌时 间为Imin ；步骤3 将步骤2得到的单丝状态的短切碳纤维按质量等分为若干份，待用；同时，将硅 酸盐水泥，按质量等分为若干份，待用；步骤4 取1份硅酸盐水泥装入搅拌机的搅拌锅内，并保持水泥粉体表面平整，然后，在 其表面上覆盖一层单丝状态的短切碳纤维，重复上述步骤，直至硅酸盐水泥和短切碳纤维 全部用完为止，最后，搅拌机的搅拌锅最上一层为水泥粉体；步骤5 接通电源，搅拌机以140r/min的转速搅拌1 3min，然后，再以285r/min的转 速搅拌10 20min ；步骤6 将水缓慢加入到步骤5得到的碳纤维和水泥粉体的混合物料中，然后，再使搅 拌机以285r/min的转速搅拌1 2min。
3.如权利要求1或2所述的干燥分散方法，其特征在于所述短切碳纤维分散为单丝 状态时，采用在具有交叉橡胶刀片的搅拌机内搅拌。
4.如权利要求3所述的干燥分散方法，其特征在于所述短切碳纤维和硅酸盐水泥以 交替的方式平铺于胶砂搅拌机的搅拌锅内。
全文摘要
本发明提供了一种碳纤维在水泥粉体中的干燥分散方法，首先，将短切碳纤维在无水乙醇中浸泡，除去表面胶体并干燥；接着，将短切碳纤维在高速搅拌机内分散为单丝状态后，将其按照质量分为若干等分，同时，将硅酸盐水泥按照质量分为若干等分；再接着，将分散为单丝状态的短切碳纤维和硅酸盐水泥以交替的方式平铺于搅拌机的搅拌锅内；最后，启动搅拌机，使其以140r/mmin的转速搅拌1～3min后，再以285r/min的转速搅拌10～20min；最后，向上述搅拌锅内加入水搅拌成型，制备成碳纤维水泥基复合材料。在由本发明分散方法得到的碳纤维水泥基复合材料中，碳纤维分布均匀，且没有纤维团聚现象发生。
文档编号C04B14/38GK101890758SQ20101022401
公开日2010年11月24日 申请日期2010年7月12日 优先权日2010年7月12日
发明者魏剑 申请人:西安建筑科技大学