短切碳纤维石膏材料的制备及外加剂对其性能影响

黄 韡，杨海浪



短切碳纤维石膏材料的制备及外加剂对其性能影响

黄 韡，杨海浪*

（湖北文理学院 化学与食品学院，湖北 襄阳 441053）

引入碳纤维添加到石膏材料中，以改善其力学性能，同时对各种常用外加剂的用量探讨，以得出一种新型的碳纤维石膏复合材料。并分析了三种分散剂对碳纤维石膏材料抗压抗折性能的影响，即不同的减水剂，缓凝剂，防水剂对碳纤维石膏抗压抗折性能的影响。

碳纤维；分散剂；石膏；外加剂

0 引言

石膏作为三大凝胶材料之一，对其进行加工制成石膏凝胶、石膏建筑制品等材料，在工业、建筑、和医学材料领域等都得到了广泛应用[1]。虽然在其力学性能方面，有较高的抗压强度，但是其抗折强度和抗拉强度较差。这些方面的缺陷限制了石膏材料的应用领域。

国内外对于用碳纤维来增强混凝土材料的研究已经取得了一定的进展[2]，因此引入碳纤维来增强石膏材料，以达到改变石膏材料力学性能的目的。由于碳纤维化学惰性，不易均匀分散在碳纤维石膏中，本文主要探讨羧甲基纤维素钠（CMC）、甲基纤维素（MC）、羟乙基纤维素（HEC）三种分散剂对碳纤维在石膏材料分散性的影响，以对碳纤维石膏材料的力学性能的影响。同时由于石膏材料在制备过程中存在的凝结时间过短，防水性较差，实际需水量和理论需水量相差过大等问题[3]，此文引入各种常用减水剂，缓凝剂，防水剂对碳纤维石膏材料的性能影响。

1 实验

1.1 原材料

短切碳纤维，石膏粉，甲基纤维素，羟乙基纤维素，羧甲基纤维素，磷酸三丁酯，柠檬酸，聚羧酸系减水剂，萘系减水剂，木质素磺酸钙减水剂，多聚磷酸钠，骨胶等

1.2 实验方法

1.2.1 三种不同掺加工艺和不同组分的分散剂处理制备碳纤维石膏材料

本实验分别按三种掺加方式制备碳纤维石膏材料，1号方案是：碳纤维先与石膏粉混合，然后加入分散剂溶液；2号方案是：石膏粉先与分散剂溶液混合，再加入碳纤维；3号方案是：碳纤维先与分散剂溶液混合，再加入石膏粉。

本实验取l0mm长度的短切碳纤维， 2.5％(碳纤维与石膏的质量比)的掺加量进行试验，按国标GB/T17669.3制作试样：先将短切碳纤维、1000g石膏粉和650ml（按标准需水量）4种分散剂溶液以（0.5％、1％、1.5％、2％）质量分数按三种不同的掺加工艺先后混合，然后用JJ-5型水泥砂浆搅拌机搅拌约2min后静止致初凝状态，将混合料注入40 mmx40 mmxl60 mm的模具中，12h后脱模，在室温条件下养护7d，再放入40±2℃烘箱内烘干测其抗折、抗压强度[4]。

1.2.2 掺入外加剂的碳纤维石膏材料的制备

（1）掺入减水剂的碳纤维石膏复合材料的制备

三种减水剂分别按不同的质量分数0.1％、0.3％、0.5％、1％、1.5％、2％掺入石膏和碳纤维后混合均匀，加入标准需水量后在搅拌机中搅拌2min，待石膏浆料流动均匀后铸模成型，养护烘干。

（2）掺入缓凝剂的碳纤维石膏复合材料的制备

骨胶液体的制备：先用水将骨胶浸泡12小时左右，是骨胶颗粒变软，然后加热至75℃左右，使其融化为胶状液体备用[5]。

除了骨胶需要制备成胶液之外，其他两种缓凝剂，柠檬酸和多聚磷酸钠直接加入石膏和碳纤维混合，加入标准需水量后在搅拌机中搅拌2min，待石膏浆料流动均匀后铸模成型，养护烘干。

（3）掺入防水剂的碳纤维石膏复合材料的制备

a. 石蜡乳液和聚乙烯醇溶液的制作

石蜡乳液的制作：在水浴90℃的环境下，加入20g石蜡和5g乳化剂搅拌均匀，然后滴加蒸馏水80g继续搅拌，带乳液均匀后，冷却静置[6]。

聚乙烯醇溶液的制作：在200ml沸腾的蒸馏水中加入9g聚乙烯醇，搅拌均匀，待聚乙烯醇溶解后，加入少量乳化剂和消泡剂，继续搅拌，直至均匀[7]。

b. 试样的制备

将制得的聚乙烯醇溶液按质量分数（2％、3％、4％、5％），石蜡溶液按质量分数（2％、5％、10％、15％）与碳纤维、石膏混合，加入标准需水量后在搅拌机中搅拌2min，待石膏浆料流动均匀后铸模成型，养护烘干。

2 实验结果与分析

2.1 不同掺加工艺对碳纤维石膏复合材料的抗压抗折影响

将三种掺加工艺制得的试样分别编号为1、2、3号试样(短切碳纤维掺量均为2.5％，长度均为10mm），4号试样为空白对照，按国标GB/T17669.3制作标样，脱模后室温养护3d，然后40±2℃烘箱内烘至绝干对其进行抗折、抗压强度测试结果见表1。由测试结果可以看出，3号掺加方式制得的试样的抗折强度比其他两种掺加方法都有明显提高，抗折强度比空白试样可提高了13％，抗压强度比2号试样明显提高，与1号试样比，抗压强度没有提高。综合起来考虑，仍是3号试样的抗压抗折强度最高。

表1 三种掺加工艺制得试样的力学性能测试结果

图1 碳纤维石膏复合材料截面SEM图

从石膏材料的抗折强度看，3号试样提高最多，1号和2号试样提高较低。主要原因是1号试样在制备的过程中先采用碳纤维与石膏干拌，再加入分散剂溶液和水湿拌，碳纤维在与石膏粉干拌过程中，由于没有加入水，碳纤维与石膏粉均匀混合，碳纤维多以单丝状态分布，可以实现良好的分散。但当加入分散剂溶液之后，碳纤维和石膏粉同时与水结合，导致了碳纤维与分散剂溶液接触不均匀，从而造成团聚。致使铸模成型的石膏材料中碳纤维分布不均。2号试样中对于其他石膏粉与分散剂溶液先混合之后，短切碳纤维在石膏浆料中团聚现象最严重。3号试样中碳纤维在石膏浆料中的分散效果最好，主要是因为碳纤维先与分散剂溶液接触后均匀的分散在溶液中，后加入的石膏粉能充分的与单丝状态的碳纤维混合，在铸模成型后，3号碳石膏材料中碳纤维的单丝分散性是最好的。

2.2 不同组分分散剂对碳纤维石膏材料力学性能影响

图2 不同组分的三种分散剂对碳纤维石膏材料的抗压抗折影响

（1）从图2中的碳纤维石膏材料的抗压强度结果可以得出，在三种分散剂处理碳纤维后，其中抗折强度均有下降，并且都是强度先下降后又上升再下降的波浪趋势。在这个区间中可以得出当分散剂的掺加量为1.5%时，碳纤维石膏材料的抗压强度降低的最少，并且其中被HEC处理过的碳纤维石膏材料抗压强度最高。

（2）从图2中可以看出分散剂处理过的碳纤维石膏材料的抗折强度都有所提升，其中提升幅度最大的是被HEC处理过的碳纤维石膏材料。并且三种分散剂处理碳纤维石膏材料后，其增强抗折强度最大的峰值是1.5%。

所以，通过对石膏复合材料抗压抗折强度最后影响的结果可以得出，HEC作为分散剂处理碳纤维，对碳纤维石膏复合材料的力学吸能提高最大。并且最佳掺量是1.5%。

2.3 不同组分外加剂对碳纤维石膏材料性能影响

2.3.1 减水剂对石膏复合材料的强度影响

图3分别是三种减水剂以不同掺量后碳纤维石膏复合材料的抗压抗折强度测试结果。

从图3中可以看出三种减水剂对石膏材料的抗折强度都有所提高，并且提高的幅度相差不大。在掺加减水剂之后石膏材料的抗折强度都有一个随着掺量的增加，先增大后减小的趋势。其中，HC和NF减水剂在掺量为0.1％~0.5％时，石膏材料的抗折强度逐渐升高，当掺量超过0.5％之后，石膏材料的抗折强度开始下降。对于LS减水剂，其掺量在0.1％~1.5％时，石膏材料的抗折强度一直在提高，当掺量超过1.5％之后，石膏材料的抗折强度开始下降。

图3 不同掺量减水剂对石膏材料力学性能的影响

从图3中可以看出三种减水剂对石膏材料的抗压强度都有提高，其中除了LS减水剂是随着掺量的增加，石膏的抗压强度一直增加外，HC和NF减水剂则是有一个随掺量增加，石膏的抗压强度增加到峰值后减小的趋势。从对石膏材料的抗压强度提高的绝对值来看，HC和NF减水剂提高的幅度要大于LS减水剂，而NF减水剂对石膏材料的抗压强度提高最大。对于HC减水剂，在其掺量为0.1％~1.5％时，其抗压强度逐渐增高，当掺量大于1.5％之后，其抗压强度开始降低。对于NF减水剂，当掺量仅为0.1％时，其对石膏材料的抗压强度就提高很大，在掺量为0.1％~0.5％时，其抗压强度逐渐升高，在掺量为0.5％，石膏材料的抗压强度达到最大值。当掺量超过0.5％之后，石膏材料的抗压强度开始降低。其中三种减水剂对石膏材料的抗压强度提高幅度：NF＞HC＞LS。

2.3.2 缓凝剂对石膏复合材料的强度的影响

三种缓凝剂掺入石膏后，按国标GB/T17669.3制作试样，在室温条件下养护3d，放入40±2℃烘箱内烘干测其抗折、抗压强度。其抗压、抗折结果如下：

图4 不同掺量的缓凝剂对石膏力学性能的影响

（1）从石膏材料的抗压抗折强度结果看，随着缓凝剂掺量的增加石膏材料的力学性能都有不同程度的降低，当缓凝剂掺量小于0.05％时，石膏材料的抗压强度顺序为多聚磷酸钠>骨胶>柠檬酸；当缓凝剂掺量大于0.05％时，石膏的抗压强度顺序为：骨胶>多聚磷酸钠>柠檬酸；当缓凝剂掺量小于0.3％时石膏的抗折强度顺序为：骨胶>多聚磷酸钠>柠檬酸；当缓凝剂掺量大于0.3％时石膏的抗折强度顺序为：骨胶>多聚磷酸钠>柠檬酸。

（2）在三种缓凝剂中，柠檬酸对石膏材料抗压强度的负面影响最大，当柠檬酸掺量在0.1％时，石膏的抗压强度损失就超过了50％；当多聚磷酸钠在掺量达到0.7％时，石膏的强度损失才会超过50％；而骨胶的抗压强度损失则始终不会超过50％。

（3）同样，三种缓凝剂中，柠檬酸对石膏材料的抗折强度的负面影响也最大，当柠檬酸的掺量在0.1％时，石膏的抗折强度损失就超过了50％；而多聚磷酸钠的掺量只有在大于0.3％以后，石膏的抗折强度损失才会超过50％；而骨胶不会使石膏的抗折强度损失超过50％。

（4）综上所述各缓凝剂与石膏的适宜掺量范围为：柠檬酸<0.1％，多聚磷酸钠<0.3％，骨胶<0.5％。

2.3.3 防水剂对石膏复合材料力学性能的影响

从图5中可以得出，掺加石蜡乳液之后碳纤维石膏复合材料的抗压抗折强度都在下降。并且随着掺量的增加其力学性能逐渐损失。而当掺量小于5％时，石蜡乳液对碳纤维石膏复合材料的力学强度影响不太大，当石蜡乳液掺量达到10％时，碳纤维石膏复合材料的抗压强度降低了一半，抗折强度也降低了三分之一。结合本实验对碳纤维石膏复合材料强度的要求，所以石蜡乳液的最佳掺量为小于5％。

图5 不同掺量石蜡乳液对石膏抗压抗折强度的影响

图6 不同掺量聚乙烯醇对石膏抗压抗折强度的影响

从图6中可以得出，掺加聚乙烯醇溶液的碳纤维石膏复合材料的抗压抗折强度都有所提高。其中抗折强度提高的幅度不如抗压强度，并且随着掺量的增加，复合材料的抗压和抗折强度均呈现先增大后减小的趋势。

3 结论

（1）通过对三种分散剂处理的碳纤维石膏抗压抗折强度可以的得出，被HEC溶液处理过的碳纤维石膏复合材料的抗折强度提高最多，同时抗压强度降低最少，并且在质量分数为1.5%时，其增强效果最好。

（2）从减水剂对石膏材料抗压抗折强度的影响分析，三种减水剂对石膏的抗压抗折强度都有提高，其中对于抗折强度，三种减水剂增强石膏材料的峰值都是0.5％：对于抗压强度，三种减水剂增强石膏材料的峰值都是1.5％。综合三种减水剂对石膏材料抗压和抗折强度增强效果，介于石膏材料本身具备一定的抗压强度，而其过低的抗折强度是导致石膏材料脆性大的主要原因，所以三种减水剂的最佳掺量均是小于0.5%。

（3）三种缓凝剂对石膏的力学性能也损失很大，三种缓凝剂的适用范围分别是：柠檬酸<0.1％，多聚磷酸钠<0.3％，骨胶<0.5％。综合这两方面的性能，从提高石膏材料的力学性能考虑最适合掺加的是骨胶，其最佳掺量是<0.5％。

（4）掺加石蜡乳液之后，石膏复合材料的抗压抗折性能都有大量损失，并随掺量的增加，损失增大。掺加聚乙烯醇溶液后，石膏复合材料的抗压抗折性能得到了提升。其中在掺量为4％时，其对复合材料的抗压抗折性能提高最大。

[1] 胡春芝. 现代建筑新材料手册[M]. 柳州：广西科学技术出版社，1996．

[2] 谭志催, 李悦, 霍达. 碳纤维水泥基复合材料的应用发展现状[J]. 商品混凝土，2007，(01).

[3] 张东翔, 黄晓军, 袁昭慧, 等. 石膏基植物纤维板的吸水性及防水措施[J]．重庆大学报(自然科学版), 2001, 24(1): 151-154.

[4] 陈健中．建筑石膏减水增强剂[J]．化学建材，1994，(3)：125-131.

[5] 红发，何庆英．建筑石膏缓凝剂的研究[J]．沈阳建筑工程学院学报，2000，16(2)：109-111.

[6] 束中健，段秀兰．耐水石膏研究[J]．哈尔滨建筑大学学报，1997，30(2)：83-87.

[7] 俞志强．高效防水剂及施丁应用[J]．中国建筑防水，1997，(5)：17-19.

The Preparation of Carbon Fiber Reinforced Gypsum Composite Materials and Influence on Performances of Admixture

HUANG Wei, YANG Hai-lang

（School of chemical engineering and food science , Hubei University of Arts and Science, Xiangyang Hubei 441053, China）

the introduction of carbon fiber is added to the gypsum material, to improve its mechanical properties and all sorts of commonly used additive dosage is discussed, at the same time to draw a new kind of carbon fiber gypsum composite materials.And analyzes three kinds of dispersants for carbon fiber gypsum material compressive flexural performance: the influence of different water reducing agent, retarder, waterproofing agent on the properties of carbon fiber gypsum compressive flexural impact.

Carbon Fiber；Dispersing Agent；Gypsum；Admixture

杨海浪（1962-），男，教授，研究方向：再生资源.

TU599

A

2095－414X(2014)06－0068－05