一种碳纤雨水收集模块芯材及其制备方法与流程

1.本技术涉及无机纤维材料技术领域，更具体地说，它涉及一种碳纤雨水收集模块芯材及其制备方法。


背景技术：

2.由于我国的水资源匮乏，因而雨水收集变得越来越重要。雨水收集模块的使用能够有效收集雨水，利用收集的雨水可解决水资源短缺，且雨水收集模块埋藏在地下不破坏生态环境，可循环利用。
3.目前使用的雨水收集模块大多包括吸水性好的芯材和包裹芯材的滤透表层布，其中芯材由于埋藏在地下，承受能力差，会缩短雨水收集模块的使用寿命。
4.针对上述中的相关技术，发明人认为传统的雨水收集模块的芯材存在抗压强度差的问题，因此限制了其使用与发展。


技术实现要素：

5.为了提高雨水收集模块芯材的抗压强度，本技术提供一种碳纤雨水收集模块芯材及其制备方法。
6.第一方面，本技术提供的一种碳纤雨水收集模块芯材，采用如下的技术方案：一种碳纤雨水收集模块芯材，由包括以下重量份的原料制成：矿物原料60-80份、碳纤5-10份和粘结剂3-5份；所述矿物原料为火山岩、石灰石和焦炭的混合物，且三者的质量比为(3-7)：(1-5)：(1-3)。
7.通过采用上述技术方案，火山岩表面均匀布满气孔，无尖粒状，对水流阻力小，不仅具有较强的吸水性和透水率，同时可以耐得住不同强度的水力的剪切作用，具有优异的机械强度；火山岩具有多孔，表面积大的特点，可以吸附水中的有害细菌和对生物体产生影响的重金属离子如铬、砷等，甚至包括一些水中残留的氯，对水中污染物具有良好的吸附过滤作用；石灰石经地下水或地表水溶解，形成过于饱和的碳酸钙溶液，再经过自然界物理、化学的作用，过于饱和的碳酸钙溶液慢慢沉淀，便逐渐凝聚形成了吸水石；焦炭是一种高温干馏的固体产物，具有裂纹和不规则孔孢多孔结构，焦炭遇水膨胀，具有很好的吸水性；碳纤具有良好的机械强度，其作为补强材料，最大的特征是抗拉强度高，为无机纤维，耐化学性佳，添加在碳纤雨水收集模块芯材上有效提高了芯材的抗压强度。
8.粘结剂将碳纤与无机矿物两者很好的粘结在一起，提高碳纤雨水收集模块芯材各组分之间的相容性。
9.综上所述，本技术配方合理，在各组分共同作用下，制得的碳纤雨水收集材料不仅具有优异的吸水、透水率，同时具有较高的抗压强度。
10.在一个具体的可实施方案中，所述碳纤为1-3mm的短切碳纤。
11.通过采用上述技术方案，短切纤是由碳纤维通过纤维割机制成，其强度高于钢，密度低于铝，比不锈钢更耐腐蚀，比普通碳纤具有更优异的机械性能，可进一步提高碳纤雨水收集模块芯材的抗压强度。
12.在一个具体的可实施方案中，所述粘结剂为硅酸钠、坡缕石粉和海泡石绒的混合物，且三者的质量比为(8-10)：(1-5)：(1-3)。
13.通过采用上述技术方案，硅酸钠是一种矿物粘合剂，粘接非金属材料时，被粘基材表面的活性点在氧气的作用下形成一种氧化物薄膜，此氧化薄膜可与水作用活化出端羟基，而硅酸根离子会与端羟基作用形成-si-o-，从而将不同的无机物粘接。
14.坡缕石粉在矿物学分类上隶属于海泡石族，是一种晶质水合镁铝硅酸盐矿物；坡缕石粉具有独特的层链状结构特征，在其结构中存在晶格置换，晶体呈症状、纤维状或纤维集合状；同时具有介于链状结构和层状结构之间的中间结构，和矿物原料及纤维具有良好的粘结能力。
15.海泡石绒由海泡石加工而成，是一种白色、质轻，能浮于水面的高镁纤维状桂酸盐粘土矿物，不仅与硅酸钠和坡缕石粉的混合性好，同时可以提高矿物原料与碳纤的相容性。
16.综上所述，由硅酸钠、坡缕石粉和海泡石绒组成的粘结剂对矿物原料和碳纤具有良好的粘结性，且通过控制三者的质量比，进一步提高矿物原料与碳纤的相容性。
17.在一个具体的可实施方案中，所述粘结剂的制备方法为：将硅酸钠、坡缕石粉和海泡石绒进行混合搅拌，其中搅拌速度为1500-2000r/min，混合时间为30-60min。
18.通过采用上述技术方案，制备方法简单，且通过控制时的搅拌速度和混合时间，可以提高制备效率。
19.第二方面，本技术提供一种碳纤雨水收集模块芯材的制备方法，采用如下的技术方案：一种碳纤雨水收集模块芯材的制备方法，包括以下步骤：将重量份的原料进行混合并加热熔融；熔融形成的熔体，经离心甩丝、冷却形成无机纤维；将无机纤维放置在模具中挤压成型为长方体芯材。
20.通过采用上述技术方案，碳纤雨水收集模块芯材的制备方法工艺简单、成本较低，同时制备出的碳纤雨水收集模块芯材具有抗压强度高、吸水率高和透水率高的特性。
21.在一个具体的可实施方案中，原料加热熔融时采用熔炉加热，加热的温度为900-1300℃，压力为15-20mpa，转速为350-450r/min。
22.通过采用上述技术方案，对原料加热熔融时的各个参数进行优化，更有利于制备出碳纤雨水收集模块芯材，提高了制备效率。
23.在一个具体的可实施方案中，所述熔融时在熔炉中通入空气、氧气或富氧空气中的一种助燃。
24.通过采用上述技术方案，空气、氧气或富氧空气中预熔炉内的含碳原料发生燃烧反应，反应放出的热量使其他原料达到熔化温度，提高了原料整体的熔融速度，从而进一步加快碳纤雨水收集模块芯材的制备速度。
25.在一个具体的可实施方案中，所述各组分原料在混合时通过球磨将混合料的平均粒径粉碎至50-100目。
26.通过采用上述技术方案，将混合料粉碎到足够的细度，以获得较高的粉料均匀度和接触面积，使得混合料在熔炉高温条件下熔融的速率加快，熔体成分均匀，熔体中未熔物少一些；而当混合料尺寸较大时其外表面积小时在熔炉中熔料速度慢，尺寸较小使则会造成熔炉内气流不畅，床层阻力大，熔体成分不够均匀，熔体中易含未熔物，会导致制备出的无机纤维质量降低，纤维不够长，强度不够高，最终制备的碳纤雨水收集芯材的抗压强度降低。
27.在一个具体的可实施方案中，所述熔体在甩丝时采用辊式甩丝机，甩丝机的转速为5500-7000r/mim；所述无机纤维的直径在1-10mm，长径比为10-100。
28.通过采用上述技术方案，控制甩丝辊的转速和制备的无机纤维的直径，使得制备出的碳纤雨水收集模块芯材的抗压强度和吸水性更好。
29.在一个具体的可实施方案中，所述无机纤维在模具中挤压时的压力为5-10mpa，时间为0.5-1h。
30.通过采用上述技术方案，控制挤压时的压力和时间，使得碳纤雨水收集模块的芯材成型快，不产生空隙影响产品的抗压强度。
31.综上所述，本技术具有以下有益效果：1、由于本技术通过在碳纤雨水收集模块芯材中添加矿物原料和碳纤，矿物原料中包含一定比例的火山岩、石灰石和焦炭，火山岩、石灰石和焦炭表面多孔，均具有优异的吸水性和透水率，保证了碳纤雨水收集模块芯材的吸水性和透水率，并通过碳纤提高了碳纤雨水收集模块芯材的抗压强度，因而使得碳纤维雨水收集模块芯材不仅具有优异的吸收性和透水率，而且具有良好的抗压强度；2、本技术中通过将一定配比的硅酸钠、坡缕石粉和海泡石绒作为粘合剂添加在碳纤雨水收集模块芯材中，使得矿物原料与碳纤的相容性好；3、本技术通过控制混合料的平均粒径，使得粉料在熔炉中不仅具有较快的熔融速度，且获得的熔体成分均匀，同时减少了熔体中的未熔物。
具体实施方式
32.以下结合制备例和实施例对本技术作进一步详细说明。
33.制备例和实施例中所用的相关原材料中：火山岩平均粒径为6-9mm；石灰石购自辽宁中矿机械设备有限公司；焦炭粒度为40-60目；短切碳纤购自上海力硕复合材料科技有限公司；硅酸钠购自济南德乔化工科技有限公司；坡缕石粉的比表面积为9.6-36m2/g；海泡石绒的绒长为3mm。
34.制备例制备例1-7如表1所示，制备例1-7的主要区别在于粘合剂的原料配比不同。
35.以下以制备例1为例进行说明。本技术制备例公开了一种粘合剂，以硅酸钠8kg、坡缕石粉1kg和海泡石绒1kg为原料制备而成。
36.本技术制备例还公开了一种粘合剂的制备方法，具体方法如下：按配方称取硅酸钠、坡缕石粉和海泡石绒依次加入搅拌机中，进行混合均匀得到粘合剂，其中搅拌速度为1500r/min，混合时间为60min。
37.表1制备例1-7中粘合剂各原料配比7中粘合剂各原料配比制备例8本制备例与制备例1基本相同，不同之处在于：制备方法中，搅拌速度为2000r/min，混合时间为30min。实施例
38.实施例1-9如表2所示，实施例1-9的主要区别在于碳纤雨水收集模块芯材的原料配比不同。
39.以下以实施例1为例进行说明。本技术实施例公开了一种碳纤雨水收集模块芯材，以火山岩36kg、石灰石12kg、焦炭12kg、短切碳纤5kg和粘结剂3kg为原料制备而成，其中粘结剂采用制备例1所得。
40.本实施例还公开了一种碳纤雨水收集模块芯材的制备方法，具体方法如下：s1，按配方分别称各组分加入球磨机中形成混合料，并将混合料的平均粒径粉碎至50-100目；s2，将粉碎后混合料加入熔炉中，在熔炉中通入氧气，氧气流速为1.2l/min，并以350r/min搅拌加热至900℃，保持熔炉压力为15mpa，熔融得到熔体；s3，将熔炉流出的熔体经离心辊时甩丝机进行甩丝，在温度为10℃的冷水中冷却后形成无机纤维，其中甩丝机的转速为5500r/min，得到的无机纤维的平均直径控制在1-10mm，长径比为10；s4，将上述无机纤维放置在120cm
×
25cm
×
40cm的模具中进行挤压，挤压时的压力为5mpa，时间为1h后得到长方体状的碳纤雨水收集模块芯材。
41.表2实施例1-9中碳纤雨水收集模块芯材中各原料配比
实施例10-16本实施例与实施例1的不同之处在于，实施例10-16中的粘合剂采用制备例2-8所得，具体如表3所示。
42.表3实施例10-16中粘合剂所采用的制备例实施例17本实施例与实施例1的不同之处在于，s2，将粉碎后混合料加入熔炉中，在熔炉中
通入空气，空气流速为1.5l/min，并以450r/min搅拌加热至1300℃，保持熔炉压力为20mpa，熔融得到熔体；s3，将熔炉流出的熔体经离心辊时甩丝机进行甩丝，在温度为10℃的冷水中冷却后形成无机纤维，其中甩丝机的转速为7000r/min，得到的无机纤维的平均直径控制在1-10mm，长径比为100；s4，将上述无机纤维放置在120cm
×
25cm
×
40cm的模具中进行挤压，挤压时的压力为10mpa，时间为0.5h后得到长方体状的碳纤雨水收集模块芯材。
43.实施例18本实施例与实施例1的不同之处在于，s2，将粉碎后混合料加入熔炉中，在熔炉中通入富氧空气，空气流速为1.4l/min。
44.对比例对比例1本对比例与实施例1不同之处在于，短切碳纤的添加量为0。
45.对比例2本对比例与实施例1不同之处在于，短切碳纤的添加量为20kg。
46.性能检测试验采用相同重量的由实施例1-18获得的碳纤雨水收集模块芯材作为试验样1-18，采用与试验样相同重量的由对比例1-2获得的碳纤雨水收集模块芯材作为对照样1-2。对试验样和对照样进行性能检测，结果如表4。
47.1.抗压强度参照gb/t 13480和gb/t330111-2016对试验样和对照样分别进行压缩强度和25次冻融后压缩强度进行测试，测试结果分析并记录。
48.2.吸水性参照参照gb/t33011-2016对试验样和对照样分别进行25次冻融后体积吸水率测试，测试结果分析并记录。
49.3.透水率参照t/cbmca006-2018对试验样和对照样分别进行有效孔隙率进行测试，测试结果分析并记录。
50.表4性能检测数据
参照表4，结合实施例1-5，可以看出，随着矿物原料中火山岩、石灰石和焦炭之间的质量比发生变化时(实施例1-3)，试样均具有良好的抗压强度、吸水性和透水率；特别是当火山岩、石灰石和焦炭之间的质量比为7：5:3时，试样的吸水性和透水性达到最优；此外，随着矿物原料含量的不断增加(实施例3-5)，试样的吸水性呈不断上升趋势，但由于试样中的短切碳纤占比降低，因为试样抗压强度下降。
51.参照表4，结合实施例4、6、7和对比例1、2，可以看出，随着试样中短切碳纤添加量的不断增多，试样的抗压强度得到提高，这是由于短切碳纤具有优异的机械强度，抗拉强度高，作为补强材料添加在试样中，提高了试样的抗压强度；但当短切碳纤添加过量时，试样中矿物原料的占比下降，因而试样的吸水性和透水率降低。
52.参照表4，结合实施例6、8和9，可以看出，在适当的范围内增加粘合剂的添加量，试样均具有优异的吸水性、透水率和抗压强度。
53.参照表4，结合实施例10-15，可以看出，在适当的范围内改变试样中粘合剂的各组分之间的配比，获得的试样仍然具有良好的抗压强度、吸水性和透水率。
54.参照表4，结合实施例16-18，可以看出，对制备方法和实施方法中的参数进行适当的调整，得到的试样均具有较好的抗压强度、吸水性和透水率。
55.本具体实施例仅仅是对本技术的解释，其并不是对本技术的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本技术的权利要求范围内都受到专利法的保护。