一种掺入碳基材料的水泥基复合砂浆及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种掺入碳基材料的水泥基复合砂浆及其制备方法。本发明专利技术通过引入高强度、高导热的石墨，在超高速搅拌之后与碳纤维复合制备了碳基材料掺杂水泥基的复合砂浆。石墨的掺入充分发挥了其纳米填充作用和桥接作用，显著提高了水泥基复合砂浆的力学性能。石墨与碳纤维复合之后，导热系数随着石墨掺量的增加而增加，石墨在水泥砂浆中充分混合，提高了基准砂浆的导热性能，同时少量的石墨吸附在碳纤维表面，提高了碳纤维的导热性能，又因为碳纤维穿插在水泥砂浆内部，起到热量的传导作用。用。

【技术实现步骤摘要】
一种掺入碳基材料的水泥基复合砂浆及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种掺入碳基材料的水泥基复合砂浆及其制备方法，属于建筑材料领域。

技术介绍

[0002]随着世界经济的高速发展，人类社会明文和生活水平的快速提高，人们对环保的意识得以日益增强。社会的发展必然带来很多的负面影响和诸多危机，能源危机就是人类目前必须面对和迫需解决的严重危机之一。全世界的能源绝大部分是被我们以热能的形式所浪费掉，为了实现对产生的热量的有效控制，必须采取有效的方式充分利用热能。所以对材料导热、传热性能的要求也就越来越高。石墨烯(GR)、石墨(GP)、炭黑(CB)、碳纤维(CF)、碳纳米管(CNT)等碳系填料不仅具有高热导率，而且密度也很小，还能在聚合物基体中分散性良好，所以此类碳系材料是一种非常有价值的导热填料。
[0003]水泥基复合材料是以硅酸盐水泥作为基体，耐碱性的玻璃纤维、通用的合成纤维以及各类陶瓷类纤维、碳和芳纶等高性能纤维、金属丝以及自然界的植物、矿物纤维作为增强体，掺入一定量的掺合料、化学外加剂以及水经过复合工艺制作而成的复合材料。水泥基复合材料主要是用于建筑承重材料,人们所关注的也主要是其力学性能。因而，在过去100多年时间里，水泥基复合材料的力学性能得到了广泛深入的研究和长足的发展。然而，随着人类社会的高度发展，现代建筑对水泥基复合材料提出了新的要求，不仅要有好的力学行为，还要具有尽可能多的附加功能，实现在同一制品或结构上的多功能化、小型集成化和智能化，最大限度的满足和促进人类物质文明的需要和发展。水泥基相变储能材料，导电发热水泥基材料等新型水泥基功能材料正是在这一背景下产生的，且已成为近年来的研究热点，并已取得了一些可喜的成果，部分已用于工程实践，展现了极好的发展前景，为水泥基材料开辟了更广阔的应用领域。
[0004]碳系导热掺料由炭黑(CB)、石墨(GP)、碳纤维(CF)、碳纳米管(CNTs)、石墨烯(GR)等组成。其中CF是一种常用的水泥基导热填掺料，是一种含碳量在95％以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它凭借强度比高、模量比高、密度低、X光吸收率低，抗腐蚀性、耐烧蚀性、抗疲劳性、耐热冲击性和导电导热性能好，传热系数小、膨胀系数小和自润滑等优异性能在航天航空、航海、建筑、轻工等领域中均得到了广泛的应用。根据CF的性能进行分类，可分为两种：一种是高性能CF，其中又分为(1)高模量(HM)纤维，模量大于500GPa；(2)中等模量(IM)纤维，模量在200到500GPa之间；(3)低模量(LM)纤维，模量小于200GPa；(4)高强度(HT)纤维，抗拉强度大于3GPa。第二种是低性能CF，这类碳纤维包括耐火CF、碳质碳CF、石墨CF等。GR的出现为新型碳基复合水泥基复合材料的制备提供了新的思路与方向。GR是由单层碳原子通过sp2杂化六方堆积而形成具有重复周期性蜂窝状点阵结构的二维碳材料，该特殊结构赋予了GR独特的物理和化学特性。且其强度高达130GPa，是同等重量钢材的200倍，是目前为止世界上发现的强度最高的材料。单层GR的热导率高达5300W
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m-1
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K-1，在增强及传热领域中具有显著优势。
[0005]崔素萍等人制备了GP-水泥基复合材料，测试了材料的电阻率、电磁屏蔽效能和力学性能。结果表明：对于GP-水泥基复合材料，在一定范围内，随GP掺量的增加，材料电阻率呈下降趋势。GP掺量为5％～10％时复合材料电阻率下降非常明显，超过15％以后，电阻率变化已不太明显；随着GP掺量的增加，复合材料的电磁屏蔽效能也逐渐增大，GP掺入量为15％时达到最大值，而抗折强度及抗压强度则随着GP掺入量的增加有所下降。
[0006]海然等人研究了CF含量对水泥基复合材料导热系数的影响。试验结果表明：由于CF加入水泥基材料中的同时也引入了气泡，导热系数随着CF含量的增加而降低，CF含量小于1.0％时，下降的幅度较大；含量大于1.0％时，下降的幅度变缓。通过对试验数据拟合得到了导热系数随CF含量变化的函数关系。杨久俊研究了CF梯度分布条件下对水泥基材料导电发热性能及其内部热应力的影响。结果表明,在一定CF含量下，电阻率迅速下降，通电后可快速发热并随着体系温度的升高而发热率下降，最终可达到发热与散热的平衡而使体系温度趋于恒定。CF梯度分布,尤其不发热区CF的存在，改变了体系的导热机制，即由单纯的声子导热变为电子、声子复合导热，提高了水泥基材料的导热性能，有利于内部的热扩散，使材料更快地趋于热平衡，大大节约了CF的用量，并可在完成其导电发热功能的前提下，大大降低发热层与不发热层之间的温度差和温度应力，从而提高材料的使用寿命。
[0007]根据国内外大量研究表明，目前对碳基材料的研究主要是集中在聚合物导热导电和水泥基复合材料导电屏蔽性这两大方面，以水泥为基体研究其热力学性能的比较少

技术实现思路

[0008]针对目前存在的水泥基相变储能材料体系中存在传热体系单一、能源利用效率低、热响应滞后等问题，本专利技术提供了一种掺入碳基材料的水泥基复合砂浆及其制备方法。
[0009]本专利技术提供了一种掺入碳基材料的水泥基复合砂浆，包括水泥、砂、水、羧甲基纤维素、石墨及碳纤维，所述水泥：砂：羧甲基纤维素按质量比为1：2：0.001组成，水灰比为0.42，石墨及碳纤维的总掺量为砂浆质量的3-7wt％，石墨与碳纤维的质量比为1:0.02～0.1。
[0010]所述水泥为P
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O42.5普通硅酸盐水泥，细度过120目筛，筛余量<2％；
[0011]所述石墨为325目鳞片石墨粉；
[0012]所述碳纤维为碳纤维短切丝，其长度选自3mm、5mm、7mm、9mm中的任意一种；
[0013]所述羧甲基纤维主要用于对碳纤维的预处理，由于商家提供的碳纤维呈棉絮团状，并且碳纤维表面具有憎水性，为了更好的使碳纤维在水泥砂浆中分散，故加入羧甲基纤维素作为表面活性剂，使其吸附在碳纤维表面降低碳纤维的憎水性。
[0014]本专利技术所述一种掺入碳基材料的水泥基复合砂浆的制备方法，具体包括如下步骤：
[0015](1)碳纤维的预处理：取羧甲基纤维素溶于温水中，同时用试棒搅拌均匀，约2分钟后加入称量好的碳纤维，同时不停搅拌，由于碳纤维成团状，即使在水中也难以分开，所以必须先手工将其撕开，再加入到温水中搅拌，全部纤维加完后再均匀搅拌2～3分钟即可；
[0016](2)水泥基复合砂浆的制备：先将称量好的石墨和水泥于盛放器皿中人工拌和，先顺时针搅拌一分钟，再逆时针搅拌一分钟；将人工拌和好的水泥与石墨装入苏泊尔超高速搅拌机中，先采用18000r/min模式为时30s后，经停15s，接着采用22000r/min模式30s；将高
速搅拌机中混合后的水泥石墨混合物倒入搅拌锅中；再将经过预处理的碳纤维加入其中，在行星式搅拌机中先低速搅拌两分钟，期间将砂和剩余水缓慢倒入，最后高速搅拌两分钟，装模振捣成型。
[0017]本专利技术通过引入高强度、高导本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种掺入碳基材料的水泥基复合砂浆，其特征在于，包括水泥、砂、水、羧甲基纤维素、石墨及碳纤维，所述水泥：砂：羧甲基纤维素按质量比为1：2：0.001 组成，水灰比为0.42，石墨及碳纤维的总掺量为砂浆质量的3-7wt%，石墨与碳纤维的质量比为1:0.02~0.1。2.根据权利要求1所述的一种掺入碳基材料的水泥基复合砂浆，其特征在于，所述水泥为P
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O 42.5普通硅酸盐水泥，细度过120目筛，筛余量<2%。3.根据权利要求1所述的一种掺入碳基材料的水泥基复合砂浆，其特征在于，所述石墨为325目鳞片石墨粉。4.根据权利要求1所述的一种掺入碳基材料的水泥基复合砂浆，其特征在于，所述碳纤维为碳纤维短切丝，其长度选自3mm、5mm、7mm、9mm中的任意一种。5.权利要求1至5任一项所述的一种掺入碳基材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：周栋梁，秦玉娇，赵君，
申请(专利权)人：南京博科新材料产业研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：