一种PET/高炉矿渣复合型水泥基吸波材料及其制备方法与流程

技术领域：
本发明涉及电磁学和材料科学的交叉
技术领域：
，涉及一种PET/高炉矿渣复合型水泥基吸波材料及其制备方法。
背景技术：
：PET（聚对苯甲二酸乙二醇酯）是最早实现工业化的线型热塑性聚合物，广泛用于生产塑料饮料瓶、食品包装袋等产品。到目前为止，全世界每年消耗的PET塑料饮料瓶大约为两千万吨，而且其每年的增长率约为15%，但是PET塑料回收再利用的数量却非常有限。因为PET塑料材料具有无法被生物降解的特点，所以将废旧PET塑料分类回收再利用，有利于节约资源和有效减少环境污染。其中将废旧PET塑料应用于生产制备高性能混凝土，能充分发挥PET塑性高、耐久性好、质量轻等良好的工程性能优势，为废弃PET处理提供了的一个新途径。目前，国外对废旧PET塑料用于生产混凝土的研究主要为：1)将废旧PET解聚为其他聚合物，作为粘结剂制备聚酯混凝土；2)生产PET纤维,制备纤维增强混凝土，这两种处理废旧PET的成本较高，工艺比较复杂，对生态环境的保护不利，容易形成化学物质的二次污染。高炉矿渣是炼铁过程中排出的工业废渣，经水淬急冷后的矿渣其玻璃体结构内含有较高的能量，潜在活性大，是混凝土的优质混合材料，近年来，我国一些大城市的建筑工程应用矿渣微粉作为混凝土掺合料已在逐步展开，而且在不断扩大，发展前景十分良好。国内外很少有文献研究复掺废旧PET和高炉矿渣微粉制备混凝土，且研究重点都是复掺后对强度、耐久性等力学性能的影响，对其吸波性能和吸波机理的研究，还未有文献涉及。水泥基吸波材料因其能吸收、衰减入射电磁波，并将其电磁能转化成热能而耗散掉，或使电磁波因干涉而消失。因此研究如何使建筑物本身具有电磁波吸收功能，具有实际的意义。随着水泥基吸波材料应用领域的不断扩大，人们对其性能要求也越来越高。但是，现有技术中，已公开的水泥基吸波材料由于存在密度大、成本高，吸收频段窄、强度不高、力学性能差等缺点，工程应用实施困难，不能完全满足工程应用的实际需要。技术实现要素：针对现有技术不足，本发明提供一种PET/高炉矿渣复合型水泥基吸波材料及其制备方法，解决了现有技术中水泥基吸波材料密度和厚度太大、吸收频段窄、成本高的技术问题。为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种PET/高炉矿渣复合型水泥基吸波材料，所述PET/高炉矿渣复合型水泥基吸波材料由以下重量百分比的原料制成：PET碎片5-30%、高炉矿渣10-30%、吸波剂1-6%、聚丙烯纤维0.3-1%、水泥55-85%、余量为水。优选的，所述PET碎片由废旧塑料瓶经过清洗烘干后破碎而得，尺寸为3-10mm。优选的，所述高炉矿渣为微米级矿渣微粉。优选的，所述微米级矿渣微粉的比表面积为350-420m2/Kg。优选的，所述聚丙烯纤维为聚丙烯单丝纤维，聚丙烯单丝纤维的长度为3-5mm。优选的，所述吸波剂为炭黑、石墨、二氧化锰、镍锌铁氧体中的至少一种。优选的，所述PET/高炉矿渣复合型水泥基吸波材料的厚度为10-30mm。一种PET/高炉矿渣复合型水泥基吸波材料的制备方法，包括以下步骤：S1、称取重量百分比的原料，将PET碎片、水泥、高炉矿渣置入砂浆搅拌机中，再加入水，配置成水灰比为0.3-0.4的水泥浆体，其中，水分两次加入，先倒入占水总体积2/3的水，待搅拌3-8min倒入剩余量的水，再搅拌3-5min，得到水泥浆体；S2、向步骤S1制备的水泥浆体中加入吸波剂、聚丙烯纤维，搅拌3-8min后注入模具，振动0.5-2min，刮平表面，得到试样；S3、将步骤S2制得的试样在室温下浇水养护20-30h脱模，然后置于17-23℃水中养护25-30d，即可。优选的，步骤S2所述试样的厚度为10-25mm。优选的，步骤S3所述试样在室温下浇水养护24h，脱模，再置于水中养护28d，即可。本发明提供一种PET/高炉矿渣复合型水泥基吸波材料及其制备方法，与现有技术相比优点在于：本发明PET/高炉矿渣复合型水泥基吸波材料以水泥为基体，以PET碎片、高炉矿渣等为填料并复合适当的吸收剂组分炭黑、透波组分聚丙烯纤维，制备的PET/高炉矿渣复合型水泥基吸波材料，在满足工程应用力学性能要求的同时，在2-18GHz范围内具有良好的电磁波吸收性能，吸收频段宽，最小反射率达到-30dB以下，-8dB一下带宽12GHz以上；本发明PET/高炉矿渣复合型水泥基吸波材料原料中选用PET碎片，PET是一种透波材料，对GHz频段的电磁波具有通透性，加入水泥基体中后可以建立电磁波的传输通道，改善水泥与自由空间的匹配特性，高炉矿渣中的金属氧化物，具有的电偶极子极化效应，对电磁波有耗散性能，可作为吸波组分；同时高炉矿渣的玻璃体结构对入射电磁波产生一系列的反射、散射和干涉能进一步损耗电磁波，使得本发明制备的PET/高炉矿渣复合型水泥基吸波材料具有良好的吸波效果；本发明原料选用PET碎片、高炉矿渣替代传统水泥基吸波材料中常用的吸波和透波组分珍珠岩、碳纤维，能充分利用废弃资源，保护环境，能够提高自然资源的利用率，实现工业废弃物的减量化，缓解日益加重的环境污染，制备的水泥基吸波材料具有成本低，抗折强度高，密度和厚度小，吸波性能和力学性能优异，使用简单，维护方便等优点。附图说明图1为不同PET碎片添加量对本发明PET/高炉矿渣复合型水泥基吸波材料吸波性能的影响；图2为不同高炉矿渣（GBFS）添加量对本发明PET/高炉矿渣复合型水泥基吸波材料吸波性能的影响；图3为不同厚度对本发明PET/高炉矿渣复合型水泥基吸波材料吸波性能的影响；图4为本发明PET/高炉矿渣复合型水泥基吸波材料制备流程图。具体实施方式为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中PET碎片为聚对苯二甲酸乙二醇酯塑料瓶碎片；GBFS为高炉矿渣。实施例和对比例中各原料用量见表1。表1样品原料成分（体积百分比）和试样厚度（表中聚丙烯纤维、吸波剂成分为相对于水泥、PET和矿渣微粉总量为1时的体积百分比）样品水泥PET碎片高炉矿渣吸波剂聚丙烯纤维试样厚度（mm）1#1000000202#6553041203#60103041204#55153041205#75152041206#85151041207#70103041108#7010304130对比例（1#）：本对比例水泥基吸波材料的各原料用量见表1，本对比例水泥基吸波材料制备方法，包括以下步骤：S1、称取重量百分比的原料，将水泥置入砂浆搅拌机中，再加入水，配置成水灰比为0.35的水泥浆体，其中，水分两次加入，先倒入占水总体积2/3的水，待搅拌5min倒入剩余量的水，再搅拌5min，得到水泥浆体；S2、向步骤S1制备的水泥浆体搅拌8min后注入模具，振动1min，刮平表面，得到试样；S3、将步骤S2制得的试样在室温下浇水养护24h脱模，然后置于20℃水中养护28d，即可。实施例1（2#）：本实施例PET/高炉矿渣复合型水泥基吸波材料的各原料用量见表1，PET/高炉矿渣复合型水泥基吸波材料的制备方法，包括以下步骤：S1、称取重量百分比的原料，将PET碎片、水泥、高炉矿渣置入砂浆搅拌机中，再加入水，配置成水灰比为0.35的水泥浆体，其中，水分两次加入，先倒入占水总体积2/3的水，待搅拌5min倒入剩余量的水，再搅拌5min，得到水泥浆体；S2、向步骤S1制备的水泥浆体中加入吸波剂、聚丙烯纤维，搅拌5min后注入模具，振动1min，刮平表面，得到试样；S3、将步骤S2制得的试样在室温下浇水养护24h脱模，然后置于20℃水中养护28d，即可。实施例2（3#）：本实施例PET/高炉矿渣复合型水泥基吸波材料的各原料用量见表1，PET/高炉矿渣复合型水泥基吸波材料的制备方法，包括以下步骤：S1、称取重量百分比的原料，将PET碎片、水泥、高炉矿渣置入砂浆搅拌机中，再加入水，配置成水灰比为0.35的水泥浆体，其中，水分两次加入，先倒入占水总体积2/3的水，待搅拌5min倒入剩余量的水，再搅拌5min，得到水泥浆体；S2、向步骤S1制备的水泥浆体中加入吸波剂、聚丙烯纤维，搅拌5min后注入模具，振动1min，刮平表面，得到试样；S3、将步骤S2制得的试样在室温下浇水养护24h脱模，然后置于20℃水中养护28d，即可。实施例3（4#）：本实施例PET/高炉矿渣复合型水泥基吸波材料的各原料用量见表1，PET/高炉矿渣复合型水泥基吸波材料的制备方法，包括以下步骤：S1、称取重量百分比的原料，将PET碎片、水泥、高炉矿渣置入砂浆搅拌机中，再加入水，配置成水灰比为0.35的水泥浆体，其中，水分两次加入，先倒入占水总体积2/3的水，待搅拌5min倒入剩余量的水，再搅拌5min，得到水泥浆体；S2、向步骤S1制备的水泥浆体中加入吸波剂、聚丙烯纤维，搅拌5min后注入模具，振动1min，刮平表面，得到试样；S3、将步骤S2制得的试样在室温下浇水养护24h脱模，然后置于20℃水中养护28d，即可。实施例4（5#）：本实施例PET/高炉矿渣复合型水泥基吸波材料的各原料用量见表1，PET/高炉矿渣复合型水泥基吸波材料的制备方法，包括以下步骤：S1、称取重量百分比的原料，将PET碎片、水泥、高炉矿渣置入砂浆搅拌机中，再加入水，配置成水灰比为0.35的水泥浆体，其中，水分两次加入，先倒入占水总体积2/3的水，待搅拌5min倒入剩余量的水，再搅拌5min，得到水泥浆体；S2、向步骤S1制备的水泥浆体中加入吸波剂、聚丙烯纤维，搅拌5min后注入模具，振动1min，刮平表面，得到试样；S3、将步骤S2制得的试样在室温下浇水养护24h脱模，然后置于20℃水中养护28d，即可。实施例5（6#）：本实施例PET/高炉矿渣复合型水泥基吸波材料的各原料用量见表1，PET/高炉矿渣复合型水泥基吸波材料的制备方法，包括以下步骤：S1、称取重量百分比的原料，将PET碎片、水泥、高炉矿渣置入砂浆搅拌机中，再加入水，配置成水灰比为0.35的水泥浆体，其中，水分两次加入，先倒入占水总体积2/3的水，待搅拌5min倒入剩余量的水，再搅拌5min，得到水泥浆体；S2、向步骤S1制备的水泥浆体中加入吸波剂、聚丙烯纤维，搅拌5min后注入模具，振动1min，刮平表面，得到试样；S3、将步骤S2制得的试样在室温下浇水养护24h脱模，然后置于20℃水中养护28d，即可。实施例6（7#）：本实施例PET/高炉矿渣复合型水泥基吸波材料的各原料用量见表1，PET/高炉矿渣复合型水泥基吸波材料的制备方法，包括以下步骤：S1、称取重量百分比的原料，将PET碎片、水泥、高炉矿渣置入砂浆搅拌机中，再加入水，配置成水灰比为0.35的水泥浆体，其中，水分两次加入，先倒入占水总体积2/3的水，待搅拌5min倒入剩余量的水，再搅拌5min，得到水泥浆体；S2、向步骤S1制备的水泥浆体中加入吸波剂、聚丙烯纤维，搅拌5min后注入模具，振动1min，刮平表面，得到试样；S3、将步骤S2制得的试样在室温下浇水养护24h脱模，然后置于20℃水中养护28d，即可。实施例7（8#）：本实施例PET/高炉矿渣复合型水泥基吸波材料的各原料用量见表1，PET/高炉矿渣复合型水泥基吸波材料的制备方法同实施例。为消除样品中残余水分对吸收性能的影响，样品在测试前置于烘箱中低温干燥至恒重。将上述实施例1-实施例7以及对比例得到的样品进行吸波性能测试和抗压、抗弯强度性能测试，为消除样品中残余水分对吸收性能的影响，所有样品在测试前置于烘箱中低温干燥至恒重。测试结果见图1-图3，抗压、抗弯强度性能测试结果见表2。表2不同样品抗压和抗弯强度性能测试由表2中可以看出，本发明实施例样品的力学性能，即抗压和抗折强度不会下降太厉害，能满足工程需求。实施例8（9#）：本实施例PET/高炉矿渣复合型水泥基吸波材料由以下重量百分比的原料制成：PET碎片30%、高炉矿渣15%、吸波剂6%、聚丙烯纤维0.3%、水泥60%、余量为水；其中PET碎片由废旧塑料瓶经过清洗烘干后破碎而得，尺寸为3mm；高炉矿渣为微米级矿渣微粉，且微米级矿渣微粉的比表面积为350m2/Kg；聚丙烯纤维为聚丙烯单丝纤维，聚丙烯单丝纤维的长度为3mm；吸波剂为炭黑；PET/高炉矿渣复合型水泥基吸波材料的厚度为10mm；本实施例PET/高炉矿渣复合型水泥基吸波材料的制备方法，包括以下步骤：S1、称取重量百分比的原料，将PET碎片、水泥、高炉矿渣置入砂浆搅拌机中，再加入水，配置成水灰比为0.3的水泥浆体，其中，水分两次加入，先倒入占水总体积2/3的水，待搅拌3min倒入剩余量的水，再搅拌3min，得到水泥浆体；S2、向步骤S1制备的水泥浆体中加入吸波剂、聚丙烯纤维，搅拌3min后注入模具，振动0.5min，刮平表面，得到试样，样的厚度为10mm；S3、将步骤S2制得的试样在室温下浇水养护20h脱模，然后置于17℃水中养护25d，即可。实施例9（10#）：本实施例PET/高炉矿渣复合型水泥基吸波材料由以下重量百分比的原料制成：PET碎片20%、高炉矿渣12%、吸波剂1%、聚丙烯纤维0.5%、水泥65%、余量为水；其中PET碎片由废旧塑料瓶经过清洗烘干后破碎而得，尺寸为10mm；高炉矿渣为微米级矿渣微粉，且微米级矿渣微粉的比表面积为420m2/Kg；聚丙烯纤维为聚丙烯单丝纤维，聚丙烯单丝纤维的长度为5mm；吸波剂为炭黑、石墨、二氧化锰、镍锌铁氧体中的至少一种；PET/高炉矿渣复合型水泥基吸波材料的厚度为30mm；本实施例PET/高炉矿渣复合型水泥基吸波材料的制备方法，包括以下步骤：S1、称取重量百分比的原料，将PET碎片、水泥、高炉矿渣置入砂浆搅拌机中，再加入水，配置成水灰比为0.4的水泥浆体，其中，水分两次加入，先倒入占水总体积2/3的水，待搅拌8min倒入剩余量的水，再搅拌5min，得到水泥浆体；S2、向步骤S1制备的水泥浆体中加入吸波剂、聚丙烯纤维，搅拌3-8min后注入模具，振动2min，刮平表面，得到试样，样的厚度为25mm；S3、将步骤S2制得的试样在室温下浇水养护30h脱模，然后置于23℃水中养护30d，即可。按电磁吸收原理，良好的吸波收材料应满足以下两个条件：一是入射波能最大限度地进入材料内部而不在其前表面大量反射，即材料的匹配特性；二是进入材料内部的电磁波能被材料迅速地吸收损耗，即材料的衰减特性。PET是一种透波材料，对GHz频段的电磁波具有通透性，加入水泥基体中后可以建立电磁波的传输通道，改善水泥与自由空间的匹配特性。高炉矿渣的主要化学成分是CaO、SiO2、Al2O3、MgO、MnO、Fe2O3等氧化物，SiO2和Al2O3等成分的介电常数很低，也是良好的透波材料；而高炉矿渣中的MgO、MnO、Fe2O3等金属氧化物，由于它们具有的电偶极子极化效应，对电磁波有耗散性能，可作为吸波组分；同时高炉矿渣的玻璃体结构对入射电磁波产生一系列的反射、散射和干涉能进一步损耗电磁波。因此，我们预测复掺PET和高炉矿渣的砂浆或混凝土，在保证力学性能的基础上，有一定的吸波性能，再掺入适量的炭黑、铁氧体等吸波剂，并进行结构设计，预期能达到很好的吸波效果。本发明利用PET颗粒和高炉矿渣替代EPS、珍珠岩、碳纤维、铁氧体等水泥基吸波材料设计中常用的吸波和透波组分，能充分利用废弃资源，保护环境。生产的水泥基材料具有成本低，吸波性能和力学性能优异，使用简单，维护方便等优点。现有技术中，多以降低材料的力学性能为代价，使其只能作为建筑装饰用材料而不能作为承重材料；另外碳纤维、纳米微粉等吸波材料的加入大大提高成本，限制了实际应用。而本发明复掺PET和高炉矿渣水泥基材料在实现吸波性能的同时，满足降低结构重量和保证强度的要求，并大大降低了成本。综上所述，本发明PET/高炉矿渣复合型水泥基吸波材料原料中选用PET碎片，PET是一种透波材料，对GHz频段的电磁波具有通透性，加入水泥基体中后可以建立电磁波的传输通道，改善水泥与自由空间的匹配特性，高炉矿渣中的金属氧化物，具有的电偶极子极化效应，对电磁波有耗散性能，可作为吸波组分；同时高炉矿渣的玻璃体结构对入射电磁波产生一系列的反射、散射和干涉能进一步损耗电磁波，使得本发明制备的PET/高炉矿渣复合型水泥基吸波材料具有良好的吸波效果；由于水泥相对较大的相对介电常数实部（5左右）和致密的结构，我们在水泥材料中加入低介电常数的PET碎片、聚丙烯纤维和高炉矿渣集料的办法来调节复合材料的电磁参数以达到入射电磁波的最小反射，同时，这些低介电常数碎片和纤维在水泥中孤立分布，对电磁波产生散射、折射、绕射等“孤岛效应”，为电磁波的损耗提供了新的途径；本发明原料选用利用PET碎片、高炉矿渣替代珍珠岩、碳纤维等水泥基吸波材料设计中常用的吸波和透波组分，能充分利用废弃资源，保护环境，能够提高自然资源的利用率,实现工业废弃物的减量化，缓解日益加重的环境污染，制备的水泥基吸波材料具有成本低，抗折强度高，吸波性能和力学性能优异，使用简单，维护方便等优点。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。当前第1页1 2 3