甲基纤维素对碳纤维分散性研究

魏建强（西安外事学院工学院 ，陕西西安710077）

甲基纤维素对碳纤维分散性研究

魏建强
（西安外事学院工学院 ，陕西西安710077）

采用甲基纤维素作为分散剂 ，通过“分散系数”和“导电率”两项性能指标来评价分散剂对碳纤维分散性的影响，同时研究了碳纤维水泥砂浆（CFRM）28 d抗折强度和抗压强度的变化规律。结果表明:随着甲基纤维素含量的增加，“分散系数”和“导电率”两项指标都变小 ，抗折强度逐渐增大，抗压强度先减小后增大，说明甲基纤维素对碳纤维的分散效果明显。当分散剂掺量为0.5%时 ，“分散系数”和“导电率”两项指标同时出现拐点，此外，抗折强度的增加趋于稳定，说明其最佳掺量为0.5%。

碳纤维；分散性；甲基纤维素；导电率；分散系数

碳纤维水泥砂浆是在普通水泥砂浆中加入导电体碳纤维而构成的一种新型复合材料。虽然水泥是目前广泛使用的普通建筑材料，但其本身是一种电绝缘材料［1-2］，不能像金属一样导电。碳纤维是主要由碳元素组成的一种特殊纤维，它具有高强度、高模量、低密度、耐腐蚀等优良性能［3］，广泛应用于新材料制备和桥梁加固等领域［4］。将两种材料结合在一起就制成了CFRM，不仅可以提高水泥砂浆的抗拉强度等力学指标，而且还使水泥砂浆具有导电性［5］，同时还有许多特殊的功能，如压敏性、温阻效应、焦耳效应、热电效应［6-8］等。

影响碳纤维水泥砂浆性能的因素有很多，碳纤维在水泥砂浆中的分散性是最关键的因素，直接影响着碳纤维水泥砂浆的导电性和力学性能。但是碳纤维的分散性一直是难以解决的问题，主要原因是碳纤维表面光滑且具有憎水性，直径仅有几个微米，且都是成束整体存在。目前国内外对碳纤维在水泥基体中的分散主要有三种方法:（1）将碳纤维浸泡在硅烷偶联剂溶剂中，在纤维表面形成硅烷涂层提高亲水性［9］；（2）将碳纤维浸泡在强氧化剂溶液［10］中或在臭氧中处理［11］，在其表面形成具有亲水性的含氧官能团；（3）将化学外加剂作为分散剂加入水泥砂浆中，提高水溶液的粘度，从而提高分散性［12］。

本文采用甲基纤维素作为分散剂，通过掺量的变化，用“分散系数”和“导电率”两项性能指标研究了甲基纤维素掺量变化对碳纤维水泥砂浆分散性的影响。

1 实 验

1.1 原材料和主要测量仪器

水泥:秦岭牌PO32.5普通硅酸盐水泥，陕西耀县水泥厂；

标准砂:ISO标准砂，厦门艾思欧标准砂有限公司；

水:自来水；

甲基纤维素:天津市福晨化学试剂厂；

PAN基短切碳纤维:江苏恒神纤维材料有限公司，长度5 mm，主要技术指标见表1。

表1短切碳纤维主要技术指标

导电膏:DDG—A型高效电接触导电膏，武汉长江机电设备实业有限公司；

铜片:0.8 mm厚黄铜片；

磷酸三丁酯:天津市恒兴化学试剂制造有限公司

TDGC2—2KVA型接触式调压器，中国爱克赛电气有限公司；

ST632型红外线测温仪，台湾先驰光电股份有限公司。

VC890D型万用表，深圳市胜利高电子科技有限公司。

1.2 试件制作工艺

水泥与标准砂的质量配合比为1∶3，水灰比为0.75，水泥450 g，标准砂1 350 g，水337.5 g。碳纤维、甲基纤维素和磷酸三丁酯按占水泥质量的百分比计算 ，碳纤维含量为0.5%，甲基纤维素含量分别为0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%。

按比例称取各组成材料，先将60℃的水337.5 g盛入砂浆搅拌机搅拌锅中 ，加入分散剂甲基纤维素、消泡剂磷酸三丁酯，用玻璃棒强力搅拌三分钟，使分散剂和消泡剂充分溶解。然后加入0.5%的碳纤维搅拌两分钟，将搅拌锅置于砂浆搅拌机上并固定，按照《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》［13］（GB/T17671 -1999）规定的方法立即开动机器，低速搅拌30 s，在第二个30 s开始同时均匀地加入标准砂，高速搅拌30 s，停拌90s，再高速搅拌60 s，共计240 s。

碳纤维导电砂浆制备后立即成型，注入40 mm ×40 mm×160 mm的水泥砂浆试模中，分两层加入，每层振动60次。置于室内，24 h后脱模，立即放入标准养护箱中养护。

1.3 测试方法

本实验采用两种方法和指标来反映碳纤维在水泥砂浆中的分散性。

第一种指标用新拌料浆法测量碳纤维的分散系数［14-15］。将碳纤维水泥砂浆浇筑振动成型 ，4 h后仔细脱模 ，从不同部位分别称取质量相等的砂浆试样6份。按照砂浆∶水=1∶10的比例混合，置于砂浆搅拌机上高速搅拌3 min，静置沉淀20 min，待标准砂沉淀后取上层液体用45微米筛过滤。反复以上操作，使碳纤维和标准砂完全分离，并将分离后的碳纤维干燥并称重。碳纤维“分散系数”用标准差公式来计算:

式中，n为试样份数；Xi为第i份试样碳纤维质量；X为每份试样理论碳纤维质量。

由标准差公式（1）可知，碳纤维分散系数（标准差）越小，表明各部分的碳纤维含量越接近于理论值，说明分散均匀。

第二种指标用电阻率（导电率）。将碳纤维水泥砂浆试样标准养护28 d，取出试样并放入60℃的烘箱中干燥0.5 h，放入干燥器中冷却至室温，然后测量试样的导电率。导电率采用两电极法测量，如图1所示。测量环境为（20±1）℃，电极采用黄铜片，通过导电膏与碳纤维水泥砂浆接触并粘结，这样可以有效降低接触电阻，使导电率测量更加准确。首先用万用表量出电压 V和电流I，通过欧姆定律R=V/I计算出电阻值 ，然后通过电阻率公式ρ=RS/L计算出试样电阻率（S为横截面积，L为导体长度）。

图1 两电极法测量导电率示意图

电阻率可以反映碳纤维在整个试件中的分散性，如果分散不均匀，出现部分区域碳纤维多，则必然另一部分区域碳纤维含量少，虽然碳纤维多的区域形成了导电网络，可以以电子导电的方式实现导电，但从试件整体来看，没有形成完整的导电网络，电阻率必然较高。相反，在纤维分散均匀的情况下，整个试件的电阻率就会比较小。

2 实验结果与分析

2.1 碳纤维分散系数测定

图2为不同甲基纤维素含量情况下碳纤维分散系数（标准差）的影响图。

图2 不同分散剂含量下碳纤维分散系数

实验表明加入分散剂甲基纤维素后可以降低碳纤维表面张力，解决由于碳纤维表面憎水性和光滑性引起的分散困难。同时也会促使水泥浆体粘度增加，会在水泥砂浆搅拌过程中引入气泡。为了降低气泡的含量，保证水泥砂浆的强度，本实验加入了一定量的消泡剂磷酸三丁酯。

由图2可以明显的看出 ，加入分散剂后，分散系数会随着分散剂的增加而减少。特别是含量从0.2%～0.4%之间几乎成直线下降，标准差值下降了240%，说明分散剂作用明显。这是由于分散剂表面同时具有憎水官能团烃基和亲水官能烃基［16］。分散剂浓度较低时，甲基纤维素能均匀分布在水溶液中，其表面的憎水性基团吸附在碳纤维表面的憎水性基团上，另一端亲水性基团则与水分子相互吸引，降低了碳纤维与水之间的表面张力，能很好的湿润碳纤维，促使碳纤维以单丝状态均匀分散。同时它又可在碳纤维表面形成一层稳定的薄膜，阻止已分散的纤维重新聚集成团束状［17］，因此可以改善碳纤维在CFRM中的分散性。含量从0.4%～0.5%之间下降较0.2%～0.4%趋势减缓，标准差值下降了58%。而从0.5%开始标准差值下降趋于缓慢，后面两种含量之间标准差值只下降了17%和3%，已经趋于稳定，这是由于甲基纤维素是一种非离子型水溶液聚合物，分散剂含量过大时，溶液黏度大，造成碳纤维水泥砂浆流动性降低，阻碍了碳纤维的分散，随着甲基纤维素含量的增加，分散剂的作用已经不像早期那样效果明显。

2.2 碳纤维水泥砂浆导电率的测定

按照图1的加压方式对不同分散剂含量的试样加以36 V交流电，测量电流和电压，然后计算电阻和电阻率。可以发现加入分散剂后CFRM的电阻率明显变小 ，同样说明甲基纤维素对碳纤维具有分散作用，将原来成束或团聚的碳纤维逐渐均匀分散，形成了完整的导电网络，从而降低电阻率。

从图3可以看出，即使只掺加0.1%的甲基纤维素，碳纤维水泥砂浆的电阻率就从75.6 kΩ·m下降到58.2 kΩ·m，下降了30%。随着甲基纤维素含量增加，含量在0.1%～0.4%之间电阻率几乎成直线下降。当甲基纤维素含量为0.5%时，电阻率下降到8.8 kΩ·m，比不掺加分散剂时电阻率降低了7.5倍，而此时电阻率也出现拐点，随着含量的增加，电阻率下降不再明显，说明碳纤维已基本分散均匀，证明此含量是最佳掺量。

图3 不同分散剂含量下碳纤维水泥砂浆电阻率

综上所述，甲基纤维素的最佳含量为0.5%。小于0.5%分散效果不太理想，大于0.5%则会造成甲基纤维素的浪费，关键是会增加水泥砂浆的稠度，流动性降低，同时引入大量气泡，降低CFRM的强度。

为了验证以上实验数据，又对碳纤维水泥砂浆试件进行了28 d的抗折强度和抗压强度试验，具体实验数据见图4的28 d抗折强度和图5的28 d抗压强度实验图。

图4 不同分散剂含量下碳纤维水泥砂浆28d抗折强度

图5 不同分散剂含量下碳纤维水泥砂浆28d抗压强度

由图4可以看出，碳纤维的加入能较好的提高水泥砂浆的抗折强度，在碳纤维含量一定的条件下，抗折强度随着甲基纤维素掺量的增加而增加。

甲基纤维素掺量在0.1%～0.3%之间抗折强度增长迅速，从6.5 MPa增加到10.4 MPa，增加了60%。掺量在0.3%～0.5%之间虽然抗折强度也在增长，但增加速率明显变小，抗折强度只增加了13.5%。分散剂掺量为0.5%时的抗折强度为11.8 MPa，比不掺加分散剂和碳纤维时的5.4 MPa提高了2.2倍。证明了碳纤维对水泥砂浆抗折强度增强作用，同时也证明了甲基纤维素对碳纤维的分散作用。但掺量超过最佳掺量0.5%后，强度增长几乎停滞，这是由于甲基纤维素达到最佳掺量后，碳纤维几乎分散均匀，碳纤维水泥砂浆的抗折强度就取决于碳纤维数量的多少，而本实验的碳纤维数量是固定的，所以抗折强度增长就不会有大的提高。

由图5可以观察出，相比普通水泥砂浆，随着碳纤维和甲基纤维素的加入 ，抗压强度先降低，后增加，但强度的增加和减小数值都较小 ，变化不太明显。

甲基纤维素含量在0.1%～0.2%之间，抗压强度由32.7 MPa下降到27.6 MPa，下降了15.6%。原因是由于甲基纤维素含量较少，碳纤维不能很好的分散，在某些区域成团存在 ，影响到砂浆试样的抗压强度。还有一个原因是由于甲基纤维素含量较少 ，没有足够的憎水性基团和碳纤维结合 ，使表面光滑的碳纤维和砂浆的粘结出现了软弱界面，所以导致抗压强度的下降。甲基纤维素含量在0.2%～0.5%之间抗压强度又呈上升趋势，强度从27.6 MPa增加到33.7 MPa，分析认为随着甲基纤维素含量增加，碳纤维逐渐分散均匀，碳纤维表面也完全由甲基纤维素包裹，增加了碳纤维和砂浆的粘结性，所以强度不断上升。当甲基纤维素含量为0.5%时，抗压强度达到最大值33.7 MPa，相对基准水泥砂浆仅仅增加了3.1%，说明碳纤维的加入不会对水泥砂浆的抗压强度有大的增加作用。当甲基纤维素含量大于最佳掺量0.5%时，抗压强度又缓慢下降，原因是随着分散剂数量的增加，水泥砂浆溶液黏度也增加，会在搅拌过程中引入大量气泡，虽然本实验加入消泡剂磷酸三丁酯，但不能完全消除溶液黏度增加和碳纤维加入引起的气泡，所以抗压强度逐渐缓慢降低。

3 结 论

通过以上实验证明，甲基纤维素作为CFRM的分散剂，可以提高碳纤维在水泥砂浆中的分散性，并得到以下结论:

（1）甲基纤维素对碳纤维的分散作用明显，特别是含量在0.1%～0.4%之间随着含量的增加，碳纤维的分散性逐渐提高；

（2）当甲基纤维素掺量为0.5%时，用新拌料浆法测量碳纤维的分散系数和测定电阻率两种实验方法都出现拐点，说明分散剂的最佳掺量为0.5%。

（3）当甲基纤维素掺量为0.5%时，抗折强度比不掺加碳纤维和甲基纤维素提高了2.2倍。

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Study on the Dispersion of Carbon Fibers by Methyl Cellulose

WEI Jian-qiang
（Engineering College，Xi’an International University，Xi’an，Shaanxi 710077，China）

Using methyl cellulose as dispersant，dispersion coefficient and resistivity of the test cement mortar was adopted as the main performance indicators in evaluating the impact of dispersant on the dispersion of carbon fiber.Meanwhile the variation of the carbon fiber cement mortar（CFRM）flexural strength and compressive strength of 28 days were studied.The results indicate that with the increase of the methyl cellulose content，dispersion coefficient and resistivity become smaller，flexural strength increases gradually，compressive strength decreases and then increases，which suggest that methyl cellulose has a great effect on the dispersion of carbon fiber.When the dosage of the dispersant reaches 0.5%，the two indicators arrive at the inflection point at the same time with a stable increase of flexural strength，which indicate that the optimal dosage of methyl cellulose is 0.5%.

carbon fibers；dispersion；methyl cellulose；resistivity；dispersion coefficient

TU57+8.1

A

1672—1144（2015）02—0148—04

10.3969/j.issn.1672-1144.2015.02.031

2014-11-17

2014-12-16

西安外事学院科研基金资助项目（2013XKZ08）

魏建强（1978—），男 ，陕西西安人 ，硕士 ，讲师 ，主要从事高性能水泥混凝土和智能建筑材料方面的教学和科研工作。E-mail:58074041@163.com