碳纖維在水泥基體中的分散性研究

李炳良，王闖，馬婷，彭磊，王小艷

(陜西鐵路工程職業技術學院，陜西 渭南 714099)

碳纖維在水泥基體中的分散性研究

李炳良，王闖，馬婷，彭磊，王小艷

(陜西鐵路工程職業技術學院，陜西 渭南 714099)

研究了分散劑甲基纖維素(MC)和羥丙基甲基纖維素(HPMC)的摻量、濃度及黏度對碳纖維在水中分散性的影響，利用硅粉的填充效應和分散效應，實現了碳纖維在水泥基體中的均勻分散.借助SEM掃描電鏡，分析了不同配比的碳纖維增強水泥基復合材料(CFRC)試樣的斷口形貌.試驗表明，HPMC對碳纖維的分散性優于MC，當HPMC和硅粉雙摻、且HPMC水溶液質量分數為0.4%、硅粉摻量為10%時，碳纖維在水泥中的分散效果最佳.

碳纖維；分散性；HPMC；SEM

0 引言

碳纖維在水泥中的分散效果是碳纖維水泥基復合材料制備和應用中的關鍵問題，分散性的好壞將直接影響其力學性能、導電性能和電磁屏蔽性能[1-2].

目前國內外對碳纖維的分散常采用的方法有摻加分散劑[3]、表面處理法和化學氣相沉積法[4-6].美國D.D.L. Chung教授[7]最早使用甲基纖維素(MC)作為分散劑對碳纖維分散進行改善，并提出兩種方法對碳纖維進行表面改性，一種方法是將碳纖維浸泡在強氧化劑溶液中或臭氧層中處理；另一種方法是將碳纖維浸泡在硅烷偶聯劑溶液中，在纖維表面形成硅烷涂層而提高親水性.王闖[8]采用甲基纖維素(MC)、羧甲基纖維素鈉(CMC)、羥乙基纖維素(HEC)三種分散劑對短切碳纖維進行分散，發現分散效果HEC>CMC>MC.

HPMC常作為水泥砂漿的保水劑、緩凝劑使砂漿具有良好的泵送性，可防止裂紋和提高水泥強度，HPMC也是一種增稠劑，是一種優異的分散劑，加入HPMC的CFRC，可以明顯提高碳纖維在CFRC中的分散性，本文選用不同摻量HPMC和硅粉作為分散劑，設計雙因素重復交互試驗，借助SEM掃面電鏡進行微觀觀察，找到了HPMC和硅粉的最佳摻量，實現了碳纖維在水泥基體中的均勻分散.

1 碳纖維在水泥中的分散試驗

1.1 原材料及主要儀器

原材料：普通硅酸鹽水泥P·O42.5、短切碳纖維、甲基纖維素(MC)、羥丙基甲基纖維素(HPMC)、硅粉、消泡劑、減水劑.

主要儀器設備：NDJ-5S型數字旋轉粘度計、KQ2200DE型數控超聲波清洗器、SJ-160型水泥凈漿攪拌機、JY10002型電子天平、SHBY-40B標準恒溫恒濕養護箱、TYE-300全自動水泥壓力試驗機、JSM-6700F掃描式電子顯微鏡.

1.2 HPMC與MC分散效果比較試驗

配制質量分數為0.2%、0.4%、0.6%的MC和HPMC水溶液，用粘度計測定10、20、30、40、50、60℃的粘度，比較分析MC和HPMC的粘度與溫度之間的關系，見圖1，分散效果見圖2、圖3.

同等條件下水溶液中，加入HPMC和MC分散劑，在10～60℃范圍內，MC的粘度幾乎不發生變化，HPMC隨溫度的升高，粘度明顯減小，當溶液質量分數從0.2%增大到0.6%時， MC的粘度

圖1 MC和HPMC水溶液溫-粘曲線關系

增長不太明顯，HPMC的粘度迅速增大.比較圖2和圖3，質量分數為0.2%、0.4%、0.6%的MC水溶液對碳纖維的分散效果都不太理想，而羥丙基甲基纖維素HPMC溶液中的碳纖維都達到了均勻分散的效果，質量分數為0.4%和0.6%的試樣分散效果最理想，因此HPMC對碳纖維的分散效果好于MC，質量分數0.6%的HPMC水溶液對碳纖維的分散效果好于0.2%和0.4%的水溶液.

圖2 碳纖維在MC水溶液中的分散效果圖

選取羥丙基甲基纖維素(HPMC)作為分散劑，摻入不同比例的HPMC和硅粉制作水泥凈漿，在量好的水中加入0.5wt%碳纖維，放在水溫為40℃的超聲清洗器中清洗10 min，然后加入質量分數為0.2%、0.4%、0.6%的HPMC，攪拌直至碳纖維均勻分散為止，加入消泡劑并攪拌1 min.將預分散好的碳纖維、水泥、減水劑倒入水泥凈漿攪拌機攪拌鍋中，先慢速攪拌120 s，再快速攪拌120s.從每份水泥漿中取出大致等量的6份試樣，用100目標準篩篩除水泥漿和硅粉，將碳纖維烘干并稱質量.稱取共計16組96份水泥漿試樣中碳纖維質量，通過計算16組碳纖維的平均篩余質量、標準偏差、變異系數，利用雙因素(HPMC摻量、硅粉摻量)重復交互試驗設計進行方差分析，見表1、表2，得出HPMC摻量、硅粉摻量對碳纖維分散性影響大小關系，繪制變異系數與HPMC和硅粉摻量的關系曲線圖，見圖4、圖5.

表1 碳纖維質量的變異系數

表2 碳纖維質量方差分析

注：A為HPMC摻量，B為硅粉摻量，顯著水平為0.05.

圖4 質量變異系數與硅粉摻量的關系曲線

圖5 變異系數與HPMC摻量的關系曲線

采用雙因素重復試驗，分析比較HPMC、硅粉對碳纖維的分散效果：

(1)HPMC的F值為45.64，遠大于F分布中臨界值2.72，硅粉的F值為6.12，大于F分布中臨界值2.72，HPMC與硅粉的F值為2.18，大于F分布中臨界值2.00，從而可以得出HPMC、硅粉、HPMC和硅粉共同作用這三者對碳纖維的分散效果影響都很顯著，且HMPC影響程度大于硅粉.

(2)只摻硅粉時，摻量為10%時變異系數為5.3且最小，不摻硅粉時變異系數為11.0，由此可知，摻入硅粉可以改善碳纖維的分散性.

(3)只加HPMC時，水溶液質量分數為0.4%時變異系數為5.0且最小，不加HPMC時變異系數為11.0，由此可知，摻入HPMC可改善碳纖維的分散性.

(4)HPMC和硅粉同時摻入時，隨著HPMC摻量的增加，變異系數最小的是摻0.4%，而且在硅粉摻量為10%時出現最小值0.9，見圖4.隨著硅粉摻量的增加變異系數最小的是摻10%，在HPMC水溶液質量分數為0.4%時出現最小值0.9，見圖5.由圖表看出在HPMC摻量為0.4%，硅粉摻量為10%時，在16組試驗中變異系數出現了最小值0.9，反映了HPMC和硅粉的共同作用，此時碳纖維分散效果最理想.

2 CFRC試件SEM形貌觀察

為了從微觀觀察碳纖維的分散情況，設計四組試驗，并制備CFRC試件，第1組CFRC試件不加分散劑.第2組CFRC試件只加入HPMC分散劑，第3組CFRC試件只加入硅粉分散劑，第4組CFRC試件加入HPMC和硅粉分散劑四組試驗中CFRC試件斷口SEM形貌如圖6所示.

圖6 CFRC硬化試件斷口SEM形貌

從圖6可以看出，不摻HPMC和硅粉的CFRC試件碳纖維成集束團聚狀，分散效果很差，見圖6 (a)圖.只摻HPMC的CFRC試件碳纖維分散效果較理想，存在少量的纖維集束現象，見圖6(b).只摻硅粉的CFRC試件碳纖維分散不太理想，存在纖維集束現象，但是比試驗2中的分散效果要好，見圖6(c).分散效果最好的是第4組中CFRC試件，見圖6(d)圖，碳纖維呈單絲態分布，相互交錯，與基體材料粘結緊密.

3 結論

(1) 在10～60℃范圍內， HPMC比MC更易溶于水、粘度更高.在低摻量情況下HPMC對碳纖維的分散效果優于MC，且碳纖維的分散性隨著HPMC摻量的增加而提高；

(2)采用雙因素重復試驗，比較了HPMC、硅粉、HPMC和硅粉協同作用對碳纖維的分散效果，當HPMC和硅粉同時摻入，且HPMC水溶液質量分數0.4%、硅粉摻量10%時，兩者的協同分散作用使分散出來的碳纖維質量變異系數最小，此時碳纖維在水泥中的分散最最理想；

(3)制備了不摻硅粉和HPMC、摻0.4%HPMC、摻10%硅粉、摻0.4%HPMC和10%硅粉四組硬化CFRC試件，測試了斷口SEM形貌，當雙摻HPMC和硅粉時，碳纖維在水泥基體中呈單絲態分布，相互交錯，與基體材料粘結緊密，此時碳纖維分散最理想.

[1]孫建虎,石少卿,劉穎芳.導電碳纖維混凝土性能的試驗研究[J]. 混凝土, 2012(7):74-76.

[2]王振軍,李克智,王闖.碳纖維增強水泥基復合材料(CFRC)的電學特性[J].材料導報:綜述篇, 2009, 23(12):47-51.

[3]錢覺時,謝叢波,邢海娟.聚羧酸減水劑對水泥基材料中碳纖維分散性的影響[J].功能材料, 2013,44(16):2389-2392.

[4]王闖,李克智,李賀軍,等.短切碳纖維的CVI處理及其在CFRC中的分散性[J].復合材料學報, 2007, 24(1):135-140.

[5]郁軍,徐并社.氣相生長碳纖維在水泥基材料中的分散性研究[J].材料導報:研究篇, 2010, 24(3):57-59.

[6]魏蓉,嚴青松,蘆剛.超聲作用對短切碳纖維在水溶液中分散性的影響[J]. 高科技纖維與應用, 2014,39(3):40- 45.

[7]CHUNG D D L. Self-monitoring structural materials[J].Materials Science and Engineering Research,1998,22(2):57-78.

[8]王闖,李克智,李賀軍.短碳纖維在不同分散劑中的分散性[J].精細化工, 2007, 24(1):1- 4.

Study on the Dispersion of Carbon Fiber in Cement Matrix

LI Bingliang,WANG Chuang,MA Ting，PENG Lei，WANG Xiaoyan

(Shaanxi Railway Institute, Weinan 714000, China)

This work aims at investigating the influence of content and viscosity of methyl cellulose and hydroxypropyl methyl cellulose of the dispersion of carbon fibers in water, and the silicon powder filling and dispersion effect are analyzed, at the same time with the SEM scanning electron microscope analysis, and the fracture morphology of different ratio of CFRC specimens are analyzed. When the double doped HPMC and silica fume, the solution concentration of HPMC is 0.4%, the content of silicon is 10wt%, the dispersing effect of carbon fiber in cement is optimal.

Carbon fibre; Dispersion; HPMC; SEM

1673- 9590(2017)04- 0147- 04

2016- 12- 26

陜西省高性能混凝土工程實驗室資助項目(G2015-05)

李炳良(1983-)，男，講師，碩士，主要從事水泥基復合材料的研究E- mail:602488758@qq.com.

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