摻鎳?yán)w維的水泥基復(fù)合材料導(dǎo)電性能研究

姚偉林，熊國(guó)宣，黃海清，周瑜芬，楊婥

（東華理工大學(xué) 化學(xué)生物與材料科學(xué)學(xué)院，江西 南昌 330013）

摻鎳?yán)w維的水泥基復(fù)合材料導(dǎo)電性能研究

姚偉林，熊國(guó)宣，黃海清，周瑜芬，楊婥

（東華理工大學(xué) 化學(xué)生物與材料科學(xué)學(xué)院，江西 南昌 330013）

以鎳?yán)w維作為導(dǎo)電介質(zhì)摻合到水泥砂漿中制成水泥基復(fù)合材料，研究了纖維長(zhǎng)徑比、砂漿攪拌工藝、外加分散劑種類及用量和纖維摻量等因素對(duì)水泥基復(fù)合材料導(dǎo)電性能的影響，采用四探針測(cè)試儀和掃描電鏡表征了復(fù)合材料的電導(dǎo)率和纖維的分散狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用干混攪拌工藝、鎳?yán)w維的長(zhǎng)徑比為750、甲基纖維素（MC）分散劑摻量為0.4%時(shí)，鎳?yán)w維在水泥基復(fù)合材料中的分散效果最佳；在此工藝條件下，當(dāng)鎳?yán)w維摻量為5.0%時(shí)，水泥基復(fù)合材料電導(dǎo)率最大，達(dá)2.65×10-3s/cm。

鎳?yán)w維；水泥基復(fù)合材料；攪拌工藝；分散性；電導(dǎo)率

纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料是指以水泥、砂漿或混凝土為基體與無(wú)機(jī)、有機(jī)、金屬等纖維材料復(fù)合而成的具有特殊功能的新型材料。纖維不僅能增強(qiáng)水泥基材料的機(jī)械性能，同時(shí)具有特殊性能的纖維對(duì)改善水泥基復(fù)合材料的壓敏性能、熱敏性能、導(dǎo)電性能以及電磁屏蔽性能發(fā)揮良好的效果。作為未來重要的智能材料在建筑健康、安全監(jiān)測(cè)以及重要電子儀器防干擾和信息泄露方面有良好的應(yīng)用潛能[1-7]。

鎳?yán)w維作為水泥基復(fù)合材料的導(dǎo)電介質(zhì)，不僅擁有良好的機(jī)械性能，而且對(duì)提高水泥基復(fù)合材料的導(dǎo)電性能有很好的效果[8-10]。鎳?yán)w維在水泥基材料中的分散效果是決定水泥基復(fù)合材料導(dǎo)電性能的關(guān)鍵因素，良好的分散性不僅能提高復(fù)合材料整體的導(dǎo)電性能、韌性和耐久性，同時(shí)還能節(jié)約復(fù)合材料的制作成本?；阪?yán)w維本身的幾何特性和表面疏水性，摻入水泥基材料中通過機(jī)械攪拌的剪切力作用使鎳?yán)w維容易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，導(dǎo)致鎳?yán)w維分散不均勻，影響水泥基復(fù)合材料的電性能。本文通過研究鎳?yán)w維長(zhǎng)徑比、攪拌工藝以及分散劑的種類和摻量探究鎳?yán)w維對(duì)水泥基復(fù)合材料電性能的影響，利用掃描電鏡觀察鎳?yán)w維在水泥基材料中的分布狀態(tài)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

鎳?yán)w維：直徑8 μm，長(zhǎng)徑比分別為250、500、750、1000、1250，西部金屬材料股份有限公司。

水泥：42.5級(jí)萬(wàn)年青硅酸鹽水泥。

砂：ISO標(biāo)準(zhǔn)砂，廈門艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司。

消泡劑：磷酸三丁酯，分析純，西隴化工股份有限公司。

分散劑：羧甲基纖維素鈉（CMC），黏度300～800 mPa·s；甲基纖維素（MC），黏度350～550mPa·s；羥乙基纖維素（HEC），黏度250～450mPa·s，均為化學(xué)純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 試樣制備

1.2.1 不同攪拌工藝試樣制備

試樣配比為：灰砂比1∶1，水灰比0.45，消泡劑用量為水泥質(zhì)量的0.15%，鎳?yán)w維體積摻量1.0%。（1）干混工藝：鎳?yán)w維、水泥、砂和消泡劑手工干混10 min，置于攪拌器中加水?dāng)嚢? min；（2）濕混工藝：鎳?yán)w維和水置于攪拌器中攪拌5 min，加水泥、砂和消泡劑攪拌5 min；（3）預(yù)混砂漿：水泥、砂和消泡劑于攪拌器中加水?dāng)嚢? min，加鎳?yán)w維攪拌5 min；（4）分次加鎳?yán)w維：鎳?yán)w維平均分成5份與水泥、砂和消泡劑手工干混，每份間隔2 min，置于攪拌器中加水?dāng)嚢? min；（5）分次加水：鎳?yán)w維、水泥、砂和泡劑手工干混10 min，于攪拌器中攪拌，分3次加水，每次間隔1.5 min，加水完攪拌5 min。

1.2.2 不同長(zhǎng)徑比、分散劑及鎳?yán)w維摻量試樣制備

試樣采用灰砂比1∶1，水灰比0.45，將水泥、砂、0.15%的消泡劑與鎳?yán)w維手工干混10 min制成干混料再置于攪拌器中加水?dāng)嚢? min。其中不同長(zhǎng)徑比試樣鎳?yán)w維體積摻量為1.0%，分別選用一定長(zhǎng)徑比的鎳?yán)w維摻入，然后加水?dāng)嚢柚瞥?；鎳?yán)w維摻量試樣制備分別采用一定體積分?jǐn)?shù)的鎳?yán)w維摻合，再加入0.4%的MC分散劑（按水泥質(zhì)量計(jì)，下同）制成的溶液攪拌制得；不同分散劑試樣制備是將水分別與一定量的CMC、MC和HEC制成溶液在攪拌鍋中再與1.0%的鎳?yán)w維混合使得纖維分散在溶液中，再將干混料緩慢勻速加入攪拌鍋中攪拌5 min。將攪拌好的漿料倒入涂油模具中振蕩成型。

1.3 性能測(cè)試表征

將水泥砂漿倒入內(nèi)徑12 mm、外徑115 mm、厚度6 mm的涂油鋼模中，振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)90 s，刮平樣品表面，把樣品與鋼模一起放置養(yǎng)護(hù)室內(nèi)，在溫度約20℃、濕度為90%的條件下養(yǎng)護(hù)24 h，拆模后養(yǎng)護(hù)條件不變?cè)兖B(yǎng)護(hù)至28 d。使用RTS-4型四探針測(cè)試儀測(cè)試樣品的電導(dǎo)率，采用掃描電子顯微鏡表征鎳?yán)w維在水泥基材料中的分布狀態(tài)。

2 結(jié)果與討論

2.1 鎳?yán)w維長(zhǎng)徑比的影響（見圖1、圖2）

圖1 鎳?yán)w維長(zhǎng)徑比對(duì)水泥基復(fù)合材料電導(dǎo)率的影響

圖2 鎳?yán)w維不同長(zhǎng)徑比試樣的SEM照片

從圖1、圖2看出，隨著鎳?yán)w維長(zhǎng)度的增加，復(fù)合材料的電導(dǎo)率先增大后變小，長(zhǎng)徑比為750的試樣電導(dǎo)率最大。長(zhǎng)徑比為250和750的鎳?yán)w維在水泥基材料中基本分散開，但由于長(zhǎng)徑比為250的鎳?yán)w維相比于長(zhǎng)徑比為750的不易橋接形成導(dǎo)電通路，所以試樣電導(dǎo)率有一定差別；而長(zhǎng)徑比為1250的鎳?yán)w維由于長(zhǎng)度過長(zhǎng)，在機(jī)械攪拌作用下容易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，導(dǎo)致纖維未能良好的分散，不利于導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)形成，致使試樣電導(dǎo)率下降。綜上所述，長(zhǎng)徑比為750的鎳?yán)w維在水泥基材料中分散狀態(tài)良好，有利于纖維橋接形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，提高水泥基復(fù)合材料導(dǎo)電性能。

2.2 攪拌工藝的影響（見圖3、圖4）

圖3 攪拌工藝對(duì)水泥基復(fù)合材料電導(dǎo)率的影響

圖4 不同攪拌工藝制備試樣的SEM照片

從圖3可以看出，不同攪拌工藝條件下水泥基復(fù)合材料的電導(dǎo)率存在一定的差異，說明不同攪拌工藝使得鎳?yán)w維在水泥基材料中形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)有一定的區(qū)別。而鎳?yán)w維的分散性是決定水泥基復(fù)合材料中導(dǎo)電通路形成的關(guān)鍵。所以不同攪拌工藝對(duì)鎳?yán)w維在水泥基材料中的分散有一定影響，其中干混工藝制備的試樣電導(dǎo)率最大，說明干混工藝條件下鎳?yán)w維的分散效果最佳。

從圖4可以看出，相比于干混工藝，分次加鎳?yán)w維與預(yù)混砂漿條件下鎳?yán)w維在水泥基材料中都有不同程度的團(tuán)聚現(xiàn)象，其中預(yù)混砂漿制備的試樣中鎳?yán)w維團(tuán)聚更加明顯。

2.3 分散劑種類及摻量的影響（見圖5、圖6）

圖5 分散劑種類及摻量對(duì)水泥基復(fù)合材料電導(dǎo)率的影響

圖6 不同分散劑最佳摻量試樣的SEM照片

從圖5可以看出，分別以CMC、MC、HEC作為分散劑時(shí)，隨著分散劑摻量的增加，水泥基復(fù)合材料電導(dǎo)率都呈現(xiàn)先增大再減小的趨勢(shì)，CMC、MC、HEC最佳摻量分別為0.4%、0.4%、0.6%。說明適量的分散劑能有效提高復(fù)合材料的導(dǎo)電性能，其中不同分散劑對(duì)改善復(fù)合材料導(dǎo)電性能的效果有一定的差異。圖6顯示，對(duì)比分散劑CMC和HEC，摻入MC分散劑的鎳?yán)w維分散效果最好。分散劑摻量在0.2%～0.6%時(shí)，3種分散劑分散效果為MC＞CMC＞HEC。當(dāng)MC摻量為0.4%時(shí)，鎳?yán)w維分散效果最佳，試樣的電導(dǎo)率最大，為3.64×10-4s/cm。2.4 鎳?yán)w維摻量的影響（見圖7、圖8）

圖7 鎳?yán)w維摻量對(duì)水泥基復(fù)合材料電導(dǎo)率的影響

從圖7、圖8可以看出，隨著鎳?yán)w維摻量從1.0%增加到9.0%，試樣的電導(dǎo)率呈先增大后減小的趨勢(shì)，鎳?yán)w維在水泥基材料中的分散情況也有很大差別。其中當(dāng)鎳?yán)w維摻量為5.0%時(shí)，水泥基復(fù)合材料的電導(dǎo)率最大，為2.65×10-3s/cm，此摻量條件下鎳?yán)w維在水泥基材料中呈現(xiàn)均勻的理想分散狀態(tài)，鎳?yán)w維橋接所形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)最佳，且分散達(dá)到飽和，當(dāng)鎳?yán)w維摻量繼續(xù)提高，鎳?yán)w維出現(xiàn)大量團(tuán)聚，阻礙導(dǎo)電網(wǎng)的形成，導(dǎo)致試樣電導(dǎo)率出現(xiàn)一定的下降。

圖8 不同鎳?yán)w維摻量試樣的SEM照片

3 結(jié)論

（1）不同攪拌工藝對(duì)鎳?yán)w維在水泥基復(fù)合材料中的分散均勻性及其導(dǎo)電性能有一定程度的影響，采用干混工藝制備的水泥基復(fù)合材料分散均勻性最好、電導(dǎo)率最大。

（2）添加一定量的CMC、MC和HEC分散劑均能有效提高水泥基復(fù)合材料的導(dǎo)電性能，說明分散劑對(duì)改善鎳?yán)w維在水泥基材料中的分散有一定的效果，其中采用0.4%的MC對(duì)鎳?yán)w維分散效果最佳，制備的水泥基復(fù)合材料的導(dǎo)電性能最好。

（3）隨著鎳?yán)w維長(zhǎng)徑比的增加，水泥基復(fù)合材料的電導(dǎo)率先增大后減小，當(dāng)鎳?yán)w維長(zhǎng)徑比為750時(shí)，所制備的水泥基復(fù)合材料導(dǎo)電性能最佳；鎳?yán)w維摻量對(duì)其在水泥基復(fù)合材料中的分散均勻性及導(dǎo)電性能有較大的影響，當(dāng)摻量為5.0%時(shí)，鎳?yán)w維的分散均勻性最好，其電導(dǎo)率最大，為2.65×10-3s/cm。

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Study on conductivity of cement-based composites doping nickel fibers

YAO Weilin，XIONG Guoxuan，HUANG Haiqing，ZHOU Yufen，YANG Chuo
（School of Chemistry，Biology and Materials Science，East China University of Technology，Nanchang 330013，China）

Cement-based composite material was prepared by adding nickel fiber into the cement paste as conductive medium.The influences of aspect ratio，mixture method，the type and amount of extra dispersants and the dosage of nickel fibers on the electrical conductivity of nickel fiber cement-matrix composite were discussed.The conductivity of cement-based composite materials and the dispersed state of fiber were characterized by four-point probe meter and scanning electron microscopy.The results indicated that the technique of dry-mixing，fiber aspect ratio as 750 and the dosage of methyl cellulose（MC）reaches 0.4%，nickel fiber achieved the optimal dispersion effect in the cement-based composite materials，by this method when the content of nickel fiber powder was 5.0%，the conductive property of specimen was the best，the conductivity reached 2.65×10-3s/cm.

nickel fiber，cement-based composites，mixture method，dispersion，conductivity

TU528.58

A

1001-702X（2016）08-0066-04

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51462001）

2016-03-15；

206-05-16

姚偉林，男，1992年生，江西吉安人，碩士研究生。