碳纖維在水泥基體中的分散性研究進展

李 丹（陜西省建筑科學研究院，陜西 西安 710082）

1 前 言

碳纖維增強水泥基復合材料是在水泥基體中加入適量的碳纖維而制備成的一種新型復合材料，添加碳纖維提高了水泥材料的抗裂、抗滲、抗剪切強度并抑制了水泥中裂紋的擴展[1]。此外，碳纖維增強水泥基復合材料具有導電性，其電阻率會隨著外界條件的變化而變化，從而使該復合材料產生了壓敏性、溫敏性和電磁屏蔽等一系列優異的性能[2]。其中壓敏性使該材料可以對自身的應力狀況和損傷程度進行診斷；溫敏性可以對結構體的溫度進行自我診斷和控制；電磁屏蔽性能可以使得建筑物免受外界磁場干擾。因此碳纖維增強水泥基復合材料在建筑領域有廣闊的應用前景。但是由于碳纖維的密度不及水泥基體的一半，并且纖維直徑（6~8 μm）遠小于水泥顆粒的直徑，導致碳纖維難以在水泥基體中均勻分散，從而影響了碳纖維在水泥基體中的增強效果，因此探索碳纖維在水泥基體中的分散性具有重要意義。

2 碳纖維的物理性能

碳纖維的表面光滑，呈現疏水性，其典型的形貌見圖1。其微觀結構呈現亂層石墨結構，化學性能很穩定，在一般的酸堿環境中保持穩定，在不接觸空氣條件下具有耐熱性能。碳纖維是目前已大量生產的高性能纖維中具有高比強度和比模量的纖維，特別是在2000℃以上的高溫惰性環境中，其強度仍能保持[3]。此外，碳纖維還兼有其它多種優良性能，如低密度、耐高溫、耐腐蝕、耐摩擦、抗疲勞、熱導性高、熱膨脹系數低和電磁屏蔽性等。

圖1 碳纖維的表面形貌

3 碳纖維的生產工藝

碳纖維生產線大多包括原絲制備，碳纖維制備及后續產品開發，最終生產的碳纖維主要有纖維、布料、預浸料坯和短切纖維四種形式。目前國外碳纖維公司的生產工藝如下：

表1 國外公司的碳纖維生產工藝

4 碳纖維的分散方法

目前常用的碳纖維的分散方法有添加分散劑、表面氧化、制備工藝及化學氣相沉積法等，現分別總結如下：

4.1 添加分散劑

在碳纖維增強水泥基復合材料的制備過程中，添加分散劑是改善碳纖維分散性的最有效手段。研究人員開發了甲基纖維素、羥乙基纖維素、羥甲基纖維素和硅灰等分散劑。D.D.L. Chung 等[4]研究發現甲基纖維素能較好的改善碳纖維與水的潤濕性，促進其在水泥基體中的均勻分散，同時可以在碳纖維的表面形成隔離膜從而阻止碳纖維的再團聚。王闖等[5]借助超聲波和羥乙基纖維素實現了碳纖維在水泥基體中的均勻分散。侯作富等[5]人研究發現在碳纖維和水泥之中填充入硅灰，可以使硅灰占據碳纖維之間的孔隙，從而實現碳纖維的有效分散。

4.2 表面氧化

表面氧化可以在碳纖維的表面增加含氧官能團，從而改善碳纖維與水的潤濕性，因而增進其在水泥基體中的分散性。目前主要的表面氧化法為氣相氧化法、液相氧化法和陽極氧化法。氣相氧化法主要用空氣、氧氣、臭氧、二氧化碳和水蒸氣等。D.D.L. Chung 等[4]研究了將碳纖維置于臭氧和氧氣的環境中，發現氣相氧化處理改善了碳纖維的親水性和分散性。液相氧化法的時間較長，常用的氧化劑有硝酸、硫酸、雙氧水、高錳酸鉀、次氯酸鹽和過硫酸鹽等。水中和等[6]采用雙氧化水對碳纖維進行了表面處理，使得碳纖維的表面出現了縱向的溝槽，并賦予了碳纖維表面活性，從而提高了碳纖維的分散性。也有研究人員將碳纖維置于次氯酸鈉溶液中浸泡后發現其對水的潤濕性明顯提高，分散性得以改善。陽極氧化法以碳纖維為陽極，以石墨板、銅板、鋼板等為陰極，以氫氧化鈉、碳酸氫鈉、硝酸、磷酸和硝酸等為電解液，通電進行氧化處理，從而賦予碳纖維表面含氧官能團，改善其分散性。

4.3 制備工藝

制備工藝是改善碳纖維在水泥基體中分散性的最實用的手段。楊元霞等[7]研究發現采用碳纖維先于水泥投放的投料順序可以實現碳纖維較為均勻的分散。王闖等[8]研究發現采用優化的攪拌工藝、加料順序和分散劑含量（羥乙基纖維素為0.63%，硅灰為10%）可以顯著改善碳纖維在水泥中的分布。

4.4 化學氣相沉積法

采用化學氣相沉積法在碳纖維表面制備熱解碳可以改善碳纖維的表面形貌，從而改善碳纖維在水泥基體中的分散性。王闖等[9]研究發現對碳纖維進行表面化學氣相沉積處理，可以顯著改善纖維的表面結構，增加碳纖維的潤濕性，并借助后續的超生波和分散劑的協同作用，可以實現碳纖維的均勻分散。

5 碳纖維分散性的研究趨勢

1）制備工藝依然是改善碳纖維在水泥基體中分散性的最實用手段，應該將實驗室的研究結果和實際施工情況相結合，研究攪拌工藝和加料順序對碳纖維分散性的影響；

2）分散劑和表面氧化處理相結合的手段是顯著提高分散性的措施，其中選擇分散劑時應綜合考慮性價比、分散效果和操作難易程度等因素。

[1]張暉.CFRC 中短切碳纖維的分散性及其機敏特性研究.(碩士學位論文).武漢:武漢理工大學.2004

[2]陳兵,張東.新型水泥基復合材料的研究與應用.新型建筑材料,2000,15(4):28-30.

[3]田亞峰.碳纖維水泥基復合材料導電性能研究.(碩士學位論文).大連:大連理工大學.2010

[4]D.D.L.Chung.Self-monitoringstructuralmaterials.Mat erialsScienceandEngineering,1998,22(2):57-58

[5]侯作富,李卓球,胡勝良.硅灰對碳纖維導電混凝土電阻率和強度的影響.混凝土,2003,4(2):26-28

[6]水中和,趙正齊,李超,詹必浩.表面處理對碳纖維在水泥漿體中分散性的影響.武漢理工大學學報,2003,25(12):17-19

[7]楊元霞,毛起炤,沈大榮,李卓球.碳纖維水泥基復合材料中纖維分散性的研究.建筑材料學報,2001,4(1):84-88

[8]王闖,李克智,李賀軍,王君龍.表面熱處理碳纖維及其增強水泥基復合材料的電磁屏蔽性能.硅酸鹽學報,2008,36(10):1348-1355

[9]王闖,李克智,李賀軍.短切碳纖維在不同分散劑中的分散性.精細化工,2007,24(1):1-4