掺镍纤维的水泥基复合材料导电性能研究

姚伟林，熊国宣，黄海清，周瑜芬，杨婥

（东华理工大学 化学生物与材料科学学院，江西 南昌 330013）

掺镍纤维的水泥基复合材料导电性能研究

姚伟林，熊国宣，黄海清，周瑜芬，杨婥

（东华理工大学 化学生物与材料科学学院，江西 南昌 330013）

以镍纤维作为导电介质掺合到水泥砂浆中制成水泥基复合材料，研究了纤维长径比、砂浆搅拌工艺、外加分散剂种类及用量和纤维掺量等因素对水泥基复合材料导电性能的影响，采用四探针测试仪和扫描电镜表征了复合材料的电导率和纤维的分散状态。实验结果表明：采用干混搅拌工艺、镍纤维的长径比为750、甲基纤维素（MC）分散剂掺量为0.4%时，镍纤维在水泥基复合材料中的分散效果最佳；在此工艺条件下，当镍纤维掺量为5.0%时，水泥基复合材料电导率最大，达2.65×10-3s/cm。

镍纤维；水泥基复合材料；搅拌工艺；分散性；电导率

纤维增强水泥基复合材料是指以水泥、砂浆或混凝土为基体与无机、有机、金属等纤维材料复合而成的具有特殊功能的新型材料。纤维不仅能增强水泥基材料的机械性能，同时具有特殊性能的纤维对改善水泥基复合材料的压敏性能、热敏性能、导电性能以及电磁屏蔽性能发挥良好的效果。作为未来重要的智能材料在建筑健康、安全监测以及重要电子仪器防干扰和信息泄露方面有良好的应用潜能[1-7]。

镍纤维作为水泥基复合材料的导电介质，不仅拥有良好的机械性能，而且对提高水泥基复合材料的导电性能有很好的效果[8-10]。镍纤维在水泥基材料中的分散效果是决定水泥基复合材料导电性能的关键因素，良好的分散性不仅能提高复合材料整体的导电性能、韧性和耐久性，同时还能节约复合材料的制作成本。基于镍纤维本身的几何特性和表面疏水性，掺入水泥基材料中通过机械搅拌的剪切力作用使镍纤维容易发生团聚现象，导致镍纤维分散不均匀，影响水泥基复合材料的电性能。本文通过研究镍纤维长径比、搅拌工艺以及分散剂的种类和掺量探究镍纤维对水泥基复合材料电性能的影响，利用扫描电镜观察镍纤维在水泥基材料中的分布状态。

1 实验

1.1 原材料

镍纤维：直径8 μm，长径比分别为250、500、750、1000、1250，西部金属材料股份有限公司。

水泥：42.5级万年青硅酸盐水泥。

砂：ISO标准砂，厦门艾思欧标准砂有限公司。

消泡剂：磷酸三丁酯，分析纯，西陇化工股份有限公司。

分散剂：羧甲基纤维素钠（CMC），黏度300～800 mPa·s；甲基纤维素（MC），黏度350～550mPa·s；羟乙基纤维素（HEC），黏度250～450mPa·s，均为化学纯，国药集团化学试剂有限公司。

1.2 试样制备

1.2.1 不同搅拌工艺试样制备

试样配比为：灰砂比1∶1，水灰比0.45，消泡剂用量为水泥质量的0.15%，镍纤维体积掺量1.0%。（1）干混工艺：镍纤维、水泥、砂和消泡剂手工干混10 min，置于搅拌器中加水搅拌5 min；（2）湿混工艺：镍纤维和水置于搅拌器中搅拌5 min，加水泥、砂和消泡剂搅拌5 min；（3）预混砂浆：水泥、砂和消泡剂于搅拌器中加水搅拌5 min，加镍纤维搅拌5 min；（4）分次加镍纤维：镍纤维平均分成5份与水泥、砂和消泡剂手工干混，每份间隔2 min，置于搅拌器中加水搅拌5 min；（5）分次加水：镍纤维、水泥、砂和泡剂手工干混10 min，于搅拌器中搅拌，分3次加水，每次间隔1.5 min，加水完搅拌5 min。

1.2.2 不同长径比、分散剂及镍纤维掺量试样制备

试样采用灰砂比1∶1，水灰比0.45，将水泥、砂、0.15%的消泡剂与镍纤维手工干混10 min制成干混料再置于搅拌器中加水搅拌5 min。其中不同长径比试样镍纤维体积掺量为1.0%，分别选用一定长径比的镍纤维掺入，然后加水搅拌制成；镍纤维掺量试样制备分别采用一定体积分数的镍纤维掺合，再加入0.4%的MC分散剂（按水泥质量计，下同）制成的溶液搅拌制得；不同分散剂试样制备是将水分别与一定量的CMC、MC和HEC制成溶液在搅拌锅中再与1.0%的镍纤维混合使得纤维分散在溶液中，再将干混料缓慢匀速加入搅拌锅中搅拌5 min。将搅拌好的浆料倒入涂油模具中振荡成型。

1.3 性能测试表征

将水泥砂浆倒入内径12 mm、外径115 mm、厚度6 mm的涂油钢模中，振动台上振动90 s，刮平样品表面，把样品与钢模一起放置养护室内，在温度约20℃、湿度为90%的条件下养护24 h，拆模后养护条件不变再养护至28 d。使用RTS-4型四探针测试仪测试样品的电导率，采用扫描电子显微镜表征镍纤维在水泥基材料中的分布状态。

2 结果与讨论

2.1 镍纤维长径比的影响（见图1、图2）

图1 镍纤维长径比对水泥基复合材料电导率的影响

图2 镍纤维不同长径比试样的SEM照片

从图1、图2看出，随着镍纤维长度的增加，复合材料的电导率先增大后变小，长径比为750的试样电导率最大。长径比为250和750的镍纤维在水泥基材料中基本分散开，但由于长径比为250的镍纤维相比于长径比为750的不易桥接形成导电通路，所以试样电导率有一定差别；而长径比为1250的镍纤维由于长度过长，在机械搅拌作用下容易发生团聚现象，导致纤维未能良好的分散，不利于导电网络形成，致使试样电导率下降。综上所述，长径比为750的镍纤维在水泥基材料中分散状态良好，有利于纤维桥接形成导电网络，提高水泥基复合材料导电性能。

2.2 搅拌工艺的影响（见图3、图4）

图3 搅拌工艺对水泥基复合材料电导率的影响

图4 不同搅拌工艺制备试样的SEM照片

从图3可以看出，不同搅拌工艺条件下水泥基复合材料的电导率存在一定的差异，说明不同搅拌工艺使得镍纤维在水泥基材料中形成的导电网络有一定的区别。而镍纤维的分散性是决定水泥基复合材料中导电通路形成的关键。所以不同搅拌工艺对镍纤维在水泥基材料中的分散有一定影响，其中干混工艺制备的试样电导率最大，说明干混工艺条件下镍纤维的分散效果最佳。

从图4可以看出，相比于干混工艺，分次加镍纤维与预混砂浆条件下镍纤维在水泥基材料中都有不同程度的团聚现象，其中预混砂浆制备的试样中镍纤维团聚更加明显。

2.3 分散剂种类及掺量的影响（见图5、图6）

图5 分散剂种类及掺量对水泥基复合材料电导率的影响

图6 不同分散剂最佳掺量试样的SEM照片

从图5可以看出，分别以CMC、MC、HEC作为分散剂时，随着分散剂掺量的增加，水泥基复合材料电导率都呈现先增大再减小的趋势，CMC、MC、HEC最佳掺量分别为0.4%、0.4%、0.6%。说明适量的分散剂能有效提高复合材料的导电性能，其中不同分散剂对改善复合材料导电性能的效果有一定的差异。图6显示，对比分散剂CMC和HEC，掺入MC分散剂的镍纤维分散效果最好。分散剂掺量在0.2%～0.6%时，3种分散剂分散效果为MC＞CMC＞HEC。当MC掺量为0.4%时，镍纤维分散效果最佳，试样的电导率最大，为3.64×10-4s/cm。2.4 镍纤维掺量的影响（见图7、图8）

图7 镍纤维掺量对水泥基复合材料电导率的影响

从图7、图8可以看出，随着镍纤维掺量从1.0%增加到9.0%，试样的电导率呈先增大后减小的趋势，镍纤维在水泥基材料中的分散情况也有很大差别。其中当镍纤维掺量为5.0%时，水泥基复合材料的电导率最大，为2.65×10-3s/cm，此掺量条件下镍纤维在水泥基材料中呈现均匀的理想分散状态，镍纤维桥接所形成的导电网络最佳，且分散达到饱和，当镍纤维掺量继续提高，镍纤维出现大量团聚，阻碍导电网的形成，导致试样电导率出现一定的下降。

图8 不同镍纤维掺量试样的SEM照片

3 结论

（1）不同搅拌工艺对镍纤维在水泥基复合材料中的分散均匀性及其导电性能有一定程度的影响，采用干混工艺制备的水泥基复合材料分散均匀性最好、电导率最大。

（2）添加一定量的CMC、MC和HEC分散剂均能有效提高水泥基复合材料的导电性能，说明分散剂对改善镍纤维在水泥基材料中的分散有一定的效果，其中采用0.4%的MC对镍纤维分散效果最佳，制备的水泥基复合材料的导电性能最好。

（3）随着镍纤维长径比的增加，水泥基复合材料的电导率先增大后减小，当镍纤维长径比为750时，所制备的水泥基复合材料导电性能最佳；镍纤维掺量对其在水泥基复合材料中的分散均匀性及导电性能有较大的影响，当掺量为5.0%时，镍纤维的分散均匀性最好，其电导率最大，为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

国家自然科学基金项目（51462001）

2016-03-15；

206-05-16

姚伟林，男，1992年生，江西吉安人，硕士研究生。