黃 韡，楊海浪

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短切碳纖維石膏材料的制備及外加劑對其性能影響

黃 韡，楊海浪*

（湖北文理學(xué)院 化學(xué)與食品學(xué)院，湖北 襄陽 441053）

引入碳纖維添加到石膏材料中，以改善其力學(xué)性能，同時對各種常用外加劑的用量探討，以得出一種新型的碳纖維石膏復(fù)合材料。并分析了三種分散劑對碳纖維石膏材料抗壓抗折性能的影響，即不同的減水劑，緩凝劑，防水劑對碳纖維石膏抗壓抗折性能的影響。

碳纖維；分散劑；石膏；外加劑

0 引言

石膏作為三大凝膠材料之一，對其進(jìn)行加工制成石膏凝膠、石膏建筑制品等材料，在工業(yè)、建筑、和醫(yī)學(xué)材料領(lǐng)域等都得到了廣泛應(yīng)用[1]。雖然在其力學(xué)性能方面，有較高的抗壓強(qiáng)度，但是其抗折強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度較差。這些方面的缺陷限制了石膏材料的應(yīng)用領(lǐng)域。

國內(nèi)外對于用碳纖維來增強(qiáng)混凝土材料的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展[2]，因此引入碳纖維來增強(qiáng)石膏材料，以達(dá)到改變石膏材料力學(xué)性能的目的。由于碳纖維化學(xué)惰性，不易均勻分散在碳纖維石膏中，本文主要探討羧甲基纖維素鈉（CMC）、甲基纖維素（MC）、羥乙基纖維素（HEC）三種分散劑對碳纖維在石膏材料分散性的影響，以對碳纖維石膏材料的力學(xué)性能的影響。同時由于石膏材料在制備過程中存在的凝結(jié)時間過短，防水性較差，實(shí)際需水量和理論需水量相差過大等問題[3]，此文引入各種常用減水劑，緩凝劑，防水劑對碳纖維石膏材料的性能影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

短切碳纖維，石膏粉，甲基纖維素，羥乙基纖維素，羧甲基纖維素，磷酸三丁酯，檸檬酸，聚羧酸系減水劑，萘系減水劑，木質(zhì)素磺酸鈣減水劑，多聚磷酸鈉，骨膠等

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 三種不同摻加工藝和不同組分的分散劑處理制備碳纖維石膏材料

本實(shí)驗(yàn)分別按三種摻加方式制備碳纖維石膏材料，1號方案是：碳纖維先與石膏粉混合，然后加入分散劑溶液；2號方案是：石膏粉先與分散劑溶液混合，再加入碳纖維；3號方案是：碳纖維先與分散劑溶液混合，再加入石膏粉。

本實(shí)驗(yàn)取l0mm長度的短切碳纖維， 2.5％(碳纖維與石膏的質(zhì)量比)的摻加量進(jìn)行試驗(yàn)，按國標(biāo)GB/T17669.3制作試樣：先將短切碳纖維、1000g石膏粉和650ml（按標(biāo)準(zhǔn)需水量）4種分散劑溶液以（0.5％、1％、1.5％、2％）質(zhì)量分?jǐn)?shù)按三種不同的摻加工藝先后混合，然后用JJ-5型水泥砂漿攪拌機(jī)攪拌約2min后靜止致初凝狀態(tài)，將混合料注入40 mmx40 mmxl60 mm的模具中，12h后脫模，在室溫條件下養(yǎng)護(hù)7d，再放入40±2℃烘箱內(nèi)烘干測其抗折、抗壓強(qiáng)度[4]。

1.2.2 摻入外加劑的碳纖維石膏材料的制備

（1）摻入減水劑的碳纖維石膏復(fù)合材料的制備

三種減水劑分別按不同的質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1％、0.3％、0.5％、1％、1.5％、2％摻入石膏和碳纖維后混合均勻，加入標(biāo)準(zhǔn)需水量后在攪拌機(jī)中攪拌2min，待石膏漿料流動均勻后鑄模成型，養(yǎng)護(hù)烘干。

（2）摻入緩凝劑的碳纖維石膏復(fù)合材料的制備

骨膠液體的制備：先用水將骨膠浸泡12小時左右，是骨膠顆粒變軟，然后加熱至75℃左右，使其融化為膠狀液體備用[5]。

除了骨膠需要制備成膠液之外，其他兩種緩凝劑，檸檬酸和多聚磷酸鈉直接加入石膏和碳纖維混合，加入標(biāo)準(zhǔn)需水量后在攪拌機(jī)中攪拌2min，待石膏漿料流動均勻后鑄模成型，養(yǎng)護(hù)烘干。

（3）摻入防水劑的碳纖維石膏復(fù)合材料的制備

a. 石蠟乳液和聚乙烯醇溶液的制作

石蠟乳液的制作：在水浴90℃的環(huán)境下，加入20g石蠟和5g乳化劑攪拌均勻，然后滴加蒸餾水80g繼續(xù)攪拌，帶乳液均勻后，冷卻靜置[6]。

聚乙烯醇溶液的制作：在200ml沸騰的蒸餾水中加入9g聚乙烯醇，攪拌均勻，待聚乙烯醇溶解后，加入少量乳化劑和消泡劑，繼續(xù)攪拌，直至均勻[7]。

b. 試樣的制備

將制得的聚乙烯醇溶液按質(zhì)量分?jǐn)?shù)（2％、3％、4％、5％），石蠟溶液按質(zhì)量分?jǐn)?shù)（2％、5％、10％、15％）與碳纖維、石膏混合，加入標(biāo)準(zhǔn)需水量后在攪拌機(jī)中攪拌2min，待石膏漿料流動均勻后鑄模成型，養(yǎng)護(hù)烘干。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同摻加工藝對碳纖維石膏復(fù)合材料的抗壓抗折影響

將三種摻加工藝制得的試樣分別編號為1、2、3號試樣(短切碳纖維摻量均為2.5％，長度均為10mm），4號試樣為空白對照，按國標(biāo)GB/T17669.3制作標(biāo)樣，脫模后室溫養(yǎng)護(hù)3d，然后40±2℃烘箱內(nèi)烘至絕干對其進(jìn)行抗折、抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果見表1。由測試結(jié)果可以看出，3號摻加方式制得的試樣的抗折強(qiáng)度比其他兩種摻加方法都有明顯提高，抗折強(qiáng)度比空白試樣可提高了13％，抗壓強(qiáng)度比2號試樣明顯提高，與1號試樣比，抗壓強(qiáng)度沒有提高。綜合起來考慮，仍是3號試樣的抗壓抗折強(qiáng)度最高。

表1 三種摻加工藝制得試樣的力學(xué)性能測試結(jié)果

圖1 碳纖維石膏復(fù)合材料截面SEM圖

從石膏材料的抗折強(qiáng)度看，3號試樣提高最多，1號和2號試樣提高較低。主要原因是1號試樣在制備的過程中先采用碳纖維與石膏干拌，再加入分散劑溶液和水濕拌，碳纖維在與石膏粉干拌過程中，由于沒有加入水，碳纖維與石膏粉均勻混合，碳纖維多以單絲狀態(tài)分布，可以實(shí)現(xiàn)良好的分散。但當(dāng)加入分散劑溶液之后，碳纖維和石膏粉同時與水結(jié)合，導(dǎo)致了碳纖維與分散劑溶液接觸不均勻，從而造成團(tuán)聚。致使鑄模成型的石膏材料中碳纖維分布不均。2號試樣中對于其他石膏粉與分散劑溶液先混合之后，短切碳纖維在石膏漿料中團(tuán)聚現(xiàn)象最嚴(yán)重。3號試樣中碳纖維在石膏漿料中的分散效果最好，主要是因?yàn)樘祭w維先與分散劑溶液接觸后均勻的分散在溶液中，后加入的石膏粉能充分的與單絲狀態(tài)的碳纖維混合，在鑄模成型后，3號碳石膏材料中碳纖維的單絲分散性是最好的。

2.2 不同組分分散劑對碳纖維石膏材料力學(xué)性能影響

圖2 不同組分的三種分散劑對碳纖維石膏材料的抗壓抗折影響

（1）從圖2中的碳纖維石膏材料的抗壓強(qiáng)度結(jié)果可以得出，在三種分散劑處理碳纖維后，其中抗折強(qiáng)度均有下降，并且都是強(qiáng)度先下降后又上升再下降的波浪趨勢。在這個區(qū)間中可以得出當(dāng)分散劑的摻加量為1.5%時，碳纖維石膏材料的抗壓強(qiáng)度降低的最少，并且其中被HEC處理過的碳纖維石膏材料抗壓強(qiáng)度最高。

（2）從圖2中可以看出分散劑處理過的碳纖維石膏材料的抗折強(qiáng)度都有所提升，其中提升幅度最大的是被HEC處理過的碳纖維石膏材料。并且三種分散劑處理碳纖維石膏材料后，其增強(qiáng)抗折強(qiáng)度最大的峰值是1.5%。

所以，通過對石膏復(fù)合材料抗壓抗折強(qiáng)度最后影響的結(jié)果可以得出，HEC作為分散劑處理碳纖維，對碳纖維石膏復(fù)合材料的力學(xué)吸能提高最大。并且最佳摻量是1.5%。

2.3 不同組分外加劑對碳纖維石膏材料性能影響

2.3.1 減水劑對石膏復(fù)合材料的強(qiáng)度影響

圖3分別是三種減水劑以不同摻量后碳纖維石膏復(fù)合材料的抗壓抗折強(qiáng)度測試結(jié)果。

從圖3中可以看出三種減水劑對石膏材料的抗折強(qiáng)度都有所提高，并且提高的幅度相差不大。在摻加減水劑之后石膏材料的抗折強(qiáng)度都有一個隨著摻量的增加，先增大后減小的趨勢。其中，HC和NF減水劑在摻量為0.1％~0.5％時，石膏材料的抗折強(qiáng)度逐漸升高，當(dāng)摻量超過0.5％之后，石膏材料的抗折強(qiáng)度開始下降。對于LS減水劑，其摻量在0.1％~1.5％時，石膏材料的抗折強(qiáng)度一直在提高，當(dāng)摻量超過1.5％之后，石膏材料的抗折強(qiáng)度開始下降。

圖3 不同摻量減水劑對石膏材料力學(xué)性能的影響

從圖3中可以看出三種減水劑對石膏材料的抗壓強(qiáng)度都有提高，其中除了LS減水劑是隨著摻量的增加，石膏的抗壓強(qiáng)度一直增加外，HC和NF減水劑則是有一個隨摻量增加，石膏的抗壓強(qiáng)度增加到峰值后減小的趨勢。從對石膏材料的抗壓強(qiáng)度提高的絕對值來看，HC和NF減水劑提高的幅度要大于LS減水劑，而NF減水劑對石膏材料的抗壓強(qiáng)度提高最大。對于HC減水劑，在其摻量為0.1％~1.5％時，其抗壓強(qiáng)度逐漸增高，當(dāng)摻量大于1.5％之后，其抗壓強(qiáng)度開始降低。對于NF減水劑，當(dāng)摻量僅為0.1％時，其對石膏材料的抗壓強(qiáng)度就提高很大，在摻量為0.1％~0.5％時，其抗壓強(qiáng)度逐漸升高，在摻量為0.5％，石膏材料的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值。當(dāng)摻量超過0.5％之后，石膏材料的抗壓強(qiáng)度開始降低。其中三種減水劑對石膏材料的抗壓強(qiáng)度提高幅度：NF＞HC＞LS。

2.3.2 緩凝劑對石膏復(fù)合材料的強(qiáng)度的影響

三種緩凝劑摻入石膏后，按國標(biāo)GB/T17669.3制作試樣，在室溫條件下養(yǎng)護(hù)3d，放入40±2℃烘箱內(nèi)烘干測其抗折、抗壓強(qiáng)度。其抗壓、抗折結(jié)果如下：

圖4 不同摻量的緩凝劑對石膏力學(xué)性能的影響

（1）從石膏材料的抗壓抗折強(qiáng)度結(jié)果看，隨著緩凝劑摻量的增加石膏材料的力學(xué)性能都有不同程度的降低，當(dāng)緩凝劑摻量小于0.05％時，石膏材料的抗壓強(qiáng)度順序?yàn)槎嗑哿姿徕c>骨膠>檸檬酸；當(dāng)緩凝劑摻量大于0.05％時，石膏的抗壓強(qiáng)度順序?yàn)椋汗悄z>多聚磷酸鈉>檸檬酸；當(dāng)緩凝劑摻量小于0.3％時石膏的抗折強(qiáng)度順序?yàn)椋汗悄z>多聚磷酸鈉>檸檬酸；當(dāng)緩凝劑摻量大于0.3％時石膏的抗折強(qiáng)度順序?yàn)椋汗悄z>多聚磷酸鈉>檸檬酸。

（2）在三種緩凝劑中，檸檬酸對石膏材料抗壓強(qiáng)度的負(fù)面影響最大，當(dāng)檸檬酸摻量在0.1％時，石膏的抗壓強(qiáng)度損失就超過了50％；當(dāng)多聚磷酸鈉在摻量達(dá)到0.7％時，石膏的強(qiáng)度損失才會超過50％；而骨膠的抗壓強(qiáng)度損失則始終不會超過50％。

（3）同樣，三種緩凝劑中，檸檬酸對石膏材料的抗折強(qiáng)度的負(fù)面影響也最大，當(dāng)檸檬酸的摻量在0.1％時，石膏的抗折強(qiáng)度損失就超過了50％；而多聚磷酸鈉的摻量只有在大于0.3％以后，石膏的抗折強(qiáng)度損失才會超過50％；而骨膠不會使石膏的抗折強(qiáng)度損失超過50％。

（4）綜上所述各緩凝劑與石膏的適宜摻量范圍為：檸檬酸<0.1％，多聚磷酸鈉<0.3％，骨膠<0.5％。

2.3.3 防水劑對石膏復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

從圖5中可以得出，摻加石蠟乳液之后碳纖維石膏復(fù)合材料的抗壓抗折強(qiáng)度都在下降。并且隨著摻量的增加其力學(xué)性能逐漸損失。而當(dāng)摻量小于5％時，石蠟乳液對碳纖維石膏復(fù)合材料的力學(xué)強(qiáng)度影響不太大，當(dāng)石蠟乳液摻量達(dá)到10％時，碳纖維石膏復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度降低了一半，抗折強(qiáng)度也降低了三分之一。結(jié)合本實(shí)驗(yàn)對碳纖維石膏復(fù)合材料強(qiáng)度的要求，所以石蠟乳液的最佳摻量為小于5％。

圖5 不同摻量石蠟乳液對石膏抗壓抗折強(qiáng)度的影響

圖6 不同摻量聚乙烯醇對石膏抗壓抗折強(qiáng)度的影響

從圖6中可以得出，摻加聚乙烯醇溶液的碳纖維石膏復(fù)合材料的抗壓抗折強(qiáng)度都有所提高。其中抗折強(qiáng)度提高的幅度不如抗壓強(qiáng)度，并且隨著摻量的增加，復(fù)合材料的抗壓和抗折強(qiáng)度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

3 結(jié)論

（1）通過對三種分散劑處理的碳纖維石膏抗壓抗折強(qiáng)度可以的得出，被HEC溶液處理過的碳纖維石膏復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度提高最多，同時抗壓強(qiáng)度降低最少，并且在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時，其增強(qiáng)效果最好。

（2）從減水劑對石膏材料抗壓抗折強(qiáng)度的影響分析，三種減水劑對石膏的抗壓抗折強(qiáng)度都有提高，其中對于抗折強(qiáng)度，三種減水劑增強(qiáng)石膏材料的峰值都是0.5％：對于抗壓強(qiáng)度，三種減水劑增強(qiáng)石膏材料的峰值都是1.5％。綜合三種減水劑對石膏材料抗壓和抗折強(qiáng)度增強(qiáng)效果，介于石膏材料本身具備一定的抗壓強(qiáng)度，而其過低的抗折強(qiáng)度是導(dǎo)致石膏材料脆性大的主要原因，所以三種減水劑的最佳摻量均是小于0.5%。

（3）三種緩凝劑對石膏的力學(xué)性能也損失很大，三種緩凝劑的適用范圍分別是：檸檬酸<0.1％，多聚磷酸鈉<0.3％，骨膠<0.5％。綜合這兩方面的性能，從提高石膏材料的力學(xué)性能考慮最適合摻加的是骨膠，其最佳摻量是<0.5％。

（4）摻加石蠟乳液之后，石膏復(fù)合材料的抗壓抗折性能都有大量損失，并隨摻量的增加，損失增大。摻加聚乙烯醇溶液后，石膏復(fù)合材料的抗壓抗折性能得到了提升。其中在摻量為4％時，其對復(fù)合材料的抗壓抗折性能提高最大。

[1] 胡春芝. 現(xiàn)代建筑新材料手冊[M]. 柳州：廣西科學(xué)技術(shù)出版社，1996．

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[7] 俞志強(qiáng)．高效防水劑及施丁應(yīng)用[J]．中國建筑防水，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

楊海浪（1962-），男，教授，研究方向：再生資源.

TU599

A

2095－414X(2014)06－0068－05