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2010年第6期(41)卷
羟丙基甲基纤维素对碳纤维分散性的影响
何永佳',金舜,吕林女2,胡曙光
(1.武汉理工大学材料科学与工程学院,湖北武汉400070;2.武汉理工大学理学院,湖北武汉400070)
摘要:通过碳纤维在新拌水泥浆体中的变动系数
硬化水泥浆体电阻率和SEM分析测试等综合评价了
2实验
羟丙基甲基纤维素(HPMC)对碳纤维在水泥浆体中的
原材料
分散性的影响。试验发现:HPMC能显著改善纤维的
5 mm PAN基碳纤维,(上海新卡碳素科技有限公
分散,掺量在0.2%~0.4%时,分散效果较好。分析司),其指标见表1;羟丙基甲基纤维素(天津沃尔德三
认为机理在于其分子结构中的极性羟基基团与碳纤维维化工公司);42.5P.O水泥(华新水泥厂);磷酸三丁
表面的极性羟基基团或羰基基团以及水分子之间形成酯(天津市恒昊科工贸有限公司)和聚羧酸减水剂(武
氩键,増强了短碳纤维表面的亲水性和浸润性,提高了汉浩源化学建材有限公司)
短碳纤维的分散性;但掺量较大反而由于体系粘聚性
表1纤维物理性能单丝数
增加而影响分散性,且由于引入较多气泡而使电阻率
Table 1 Physical prperties of carbon fiber
提高
单丝数「拉仲强度拉仲模置线电阻目密度线密度
关键词:碳纤维;分散;羟丙基甲基纤维素;机理
(根/東)(MPa)「(GPa)l(a/m)(g/cm3)(mg/m)
中图分类号:TU528
文献标识码:A
3KP2000~030075~-21210
文章编号:1001-9731(2010)06-1034-04
k±15%274~1,7、1265
土15%
1引言
2试验方法
2.2.1短碳纤维的预分散
碳纤维在混凝土中的分散状态是碳纤维混凝土制
将拌合水加热到90℃,将称量好的分散剂加人水
备和应用过程中的关键问题,对其导电性能、电-力和中搅拌至完全溶解,冷却到40℃再依次加入消泡剂、
力-电等效应具有重要的影响。国内外学者对碳纤维碳纤维,用玻璃棒搅拌2min后冷却待用。
的分散开展了大量研究工作,美国纽约州立大学布法
2纤维分散性测量方法
罗分校的D.D.I. Chung最早采用甲基纤维素(MC
在预分散处理后的纤维水混合物中依次投入称量
作为分散剂对纤维分散进行改善。此外,她还提出好的水泥和减水剂并拌合均匀。从新拌好浆料的不同
对碳纤维进行表面改性的两种方法:一种是将碳纤维位置取出6份每份质量为60g的试料,用水和60目的
浸泡在强氧化剂溶液阳中或在臭氧中处理,在其表细筛小心地筛去水泥后烘干,称量残余碳纤维质量,用
面形成具有亲水性的含氧官能团;另一种方法是将碳变动系数的大小和差异率衡量纤维分散性,两者分别
纤维浸泡在硅烷偶联剂溶液中,在纤维表面形成硅烷经公式(1)、(2)求得
涂层而提高亲水性们。孙辉、孙明清等发现在水泥浆
体中掺加羧甲基纤维素钠(CMC)和硅灰能显著改善
∑(ymーym)2/(n-1)
碳纤维的分散性5。王闯等-?使用甲基纤维素(MC)、
100%(1)
羧甲基纤维素钠(CMC)、羟乙基纤维素(HEC)3种常
式中:ym为第m号试验分离出来的第立份碳纤维
用分散剂后发现分散剂对短碳纤维的分散效果为质量;ym为第m号试验分离出来的6份碳纤维质量
HEC>CMC>MC。
的平均值;n为取样份数,n=6;m为试验号
羟丙基甲基纤维素(HPMC)是甲基纤维素的一种
衍生物,可用作混凝土中的增黏剂和分散剂,但以往在
碳纤维分散中的研究中很少涉及。本文通过新拌料浆
m×100%
2
法,硬化水泥浆电阻测试法以及断面SEM测试等方法
式中,y"n第m号试验60g浆体中碳纤维的理论
研究了HPMC对碳纤维分散性的影响,并对其作用机质量。
理进行了分析。
2.2.3电阻率测试方法
利用上述制备的碳纤维水泥浆成型4cmX4cmX
*基金项目:国家自然科学基金资助项目(50902106)
收到初稿日期:2009-11-03
收到修改稿日期:2010-02-23
通讯作者:何永佳
作者简介:何永佳(1975-),男,西恭城人,副研究员,工学博士,研究方向为先进水泥基材料。
何永佳等:矬丙基甲基纤维素对碳纤维分散性的影响
棱柱体试件,并预埋不锈钢片电极,标准养护现象
28d后采用四电极法进行电阻率测试,根据电阻率
的大小和变异系数从侧面反映纤维的分散情况。按占
水泥质量百分比计算,其余各组分含量为:减水剂
0.5%;消泡剂0.03%;HPMC的掺量分别为0、
0.2%、0.4%和0.6%;水灰比0.30。饑纤维捲量为水
泥浆体积的0.5%。电阻率与平均电阻率之间的差异
情况(电阻差异率)可反映纤维分布均匀性,由公式(3
求得
图1未掺加HPMC后的纤维溶液
pm-(>.
100%
(3)
Fig 1 Fiber solu
hout HPM
式中,Pm为第m号试件电阻率;p为三联模中电阻
率的平均值;m为试验号1,2,3
试验结果和分析
水溶液中纤维的分散状态
在相同分散工艺的前提下,碳纤维在摻入HPMC
和未掺加HPMC水溶液中分散状态如图1和2所
未掺加HPMC时碳纤维在水中分布不均,有的区域纤
图2掺加HPMC后的纤维溶液
维黏结成東、且相互缠绕,分散状态较差,在水溶液中Fig2 Admixture of HPMC carbon [iber solution
出现明显的分层离析现象;而掺加HPMC后纤维在水3.2HPMC掺景对水泥浆体碳纤维质量变动系数
中的分散较为均匀,碳纤维在水中呈悬浮状态,呈现出
电阻率的影响
很好的相容性,倾倒水溶液时碳纤维和水溶液的流动
表2和图3、4列出了不同HPMC掺量下碳纤维
是均匀的,没有出现未掺加HPMC时水和纤维分离的质量的变动系数、差异率,成型试件电阻率以及电阻差
异率。
表2水泥浆体中碳纤维变动系数、电阻率试验结果
Table 2 Coefficient of variation, resistivity incarbon fiber cemcnt paste
理论位。「标在偽差变动系数「羞异率「平均电皿率电阻差异率
编号
%
(%
43.70
266
2
8.43
动系数
散性;(2)图3中变动系数随着掺量的提高出现了先变
差异率
电阻芝异率
小后变大的趋势,这主要是由于随着HPMC掺量的提
高,溶液黏度也随之提高,当黏度超过…定值时,纤维
悬浮液的撇拌变得更加困难,不易搅拌均匀。而从差
异率的变化趋势中也可以看到,随着HPMC掺量的提
?
高,差异率先变小再变大,在掺量为0.6%时达到最大,
0.0,20.30
60.7
从側面验证了变动系数。因此,HPMC的掺量存在
IPMC护量f%
个适当的范围,试验中认为在0.2%-~0.4%之间较好;
图3HPMC掺量对变异系数和差异率的影响
(3)图4中,