碳纤维在水泥基体中的分散性研究进展

2012-02-06陕西省建筑科学研究院陕西西安710082

中国建材科技 2012年3期

李丹（陕西省建筑科学研究院，陕西西安 710082）

1 前言

碳纤维增强水泥基复合材料是在水泥基体中加入适量的碳纤维而制备成的一种新型复合材料，添加碳纤维提高了水泥材料的抗裂、抗渗、抗剪切强度并抑制了水泥中裂纹的扩展[1]。此外，碳纤维增强水泥基复合材料具有导电性，其电阻率会随着外界条件的变化而变化，从而使该复合材料产生了压敏性、温敏性和电磁屏蔽等一系列优异的性能[2]。其中压敏性使该材料可以对自身的应力状况和损伤程度进行诊断；温敏性可以对结构体的温度进行自我诊断和控制；电磁屏蔽性能可以使得建筑物免受外界磁场干扰。因此碳纤维增强水泥基复合材料在建筑领域有广阔的应用前景。但是由于碳纤维的密度不及水泥基体的一半，并且纤维直径（6~8 μm）远小于水泥颗粒的直径，导致碳纤维难以在水泥基体中均匀分散，从而影响了碳纤维在水泥基体中的增强效果，因此探索碳纤维在水泥基体中的分散性具有重要意义。

2 碳纤维的物理性能

碳纤维的表面光滑，呈现疏水性，其典型的形貌见图1。其微观结构呈现乱层石墨结构，化学性能很稳定，在一般的酸碱环境中保持稳定，在不接触空气条件下具有耐热性能。碳纤维是目前已大量生产的高性能纤维中具有高比强度和比模量的纤维，特别是在2000℃以上的高温惰性环境中，其强度仍能保持[3]。此外，碳纤维还兼有其它多种优良性能，如低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、热导性高、热膨胀系数低和电磁屏蔽性等。

图1 碳纤维的表面形貌

3 碳纤维的生产工艺

碳纤维生产线大多包括原丝制备，碳纤维制备及后续产品开发，最终生产的碳纤维主要有纤维、布料、预浸料坯和短切纤维四种形式。目前国外碳纤维公司的生产工艺如下：

表1 国外公司的碳纤维生产工艺

4 碳纤维的分散方法

目前常用的碳纤维的分散方法有添加分散剂、表面氧化、制备工艺及化学气相沉积法等，现分别总结如下：

4.1 添加分散剂

在碳纤维增强水泥基复合材料的制备过程中，添加分散剂是改善碳纤维分散性的最有效手段。研究人员开发了甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟甲基纤维素和硅灰等分散剂。D.D.L. Chung 等[4]研究发现甲基纤维素能较好的改善碳纤维与水的润湿性，促进其在水泥基体中的均匀分散，同时可以在碳纤维的表面形成隔离膜从而阻止碳纤维的再团聚。王闯等[5]借助超声波和羟乙基纤维素实现了碳纤维在水泥基体中的均匀分散。侯作富等[5]人研究发现在碳纤维和水泥之中填充入硅灰，可以使硅灰占据碳纤维之间的孔隙，从而实现碳纤维的有效分散。

4.2 表面氧化

表面氧化可以在碳纤维的表面增加含氧官能团，从而改善碳纤维与水的润湿性，因而增进其在水泥基体中的分散性。目前主要的表面氧化法为气相氧化法、液相氧化法和阳极氧化法。气相氧化法主要用空气、氧气、臭氧、二氧化碳和水蒸气等。D.D.L. Chung 等[4]研究了将碳纤维置于臭氧和氧气的环境中，发现气相氧化处理改善了碳纤维的亲水性和分散性。液相氧化法的时间较长，常用的氧化剂有硝酸、硫酸、双氧水、高锰酸钾、次氯酸盐和过硫酸盐等。水中和等[6]采用双氧化水对碳纤维进行了表面处理，使得碳纤维的表面出现了纵向的沟槽，并赋予了碳纤维表面活性，从而提高了碳纤维的分散性。也有研究人员将碳纤维置于次氯酸钠溶液中浸泡后发现其对水的润湿性明显提高，分散性得以改善。阳极氧化法以碳纤维为阳极，以石墨板、铜板、钢板等为阴极，以氢氧化钠、碳酸氢钠、硝酸、磷酸和硝酸等为电解液，通电进行氧化处理，从而赋予碳纤维表面含氧官能团，改善其分散性。