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一种自感知镍纳米纤维水泥基复合材料 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种自感知镍纳米纤维水泥基复合材料，其由镍纳米线、表面改性剂、水和水泥制成，其中，镍纳米线作为导电填料，掺量为自感知水泥基材料体积的0.6％～2.0％，表面改性剂的掺量为水泥质量的0.4％～1.0％，所述自感知镍纳米纤维水泥基复合材料的水灰比为0.35～0.55。本发明中镍纳米线掺量低，且采用表面改性剂对镍纳米纤维进行改性，降低其表面能，使其具有良好的分散性，由此解决了已有自感知水泥基复合材料由于导电填料掺量大、与水泥基材料相容性不好和导电填料分散困难等引起的水泥基复合材料力学、电学和压敏性能等综合性能不高、均匀性与重复性较差等问题，制备的自感知水泥基复合材料具有导电填料掺量低、综合性能优良、均匀性与重复性好及感知灵敏度高等优点。

Description

一种自感知镍纳米纤维水泥基复合材料
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种自感知镍纳米纤维水泥基复合材料。
技术背景
对于在建或已建的重大混凝土结构工程和基础设施(如超高层建筑、跨海大桥、大型采油平台与核电站等)迫切需要采取有效的监测手段来评定其健康状况，以便及时修复和控制损伤，确保工程的可靠性、安全性与耐久性。构建重大混凝土结构工程和基础设施的健康监测系统，须要高性能、长寿命与稳定的智能传感元件。自感知水泥基复合材料可通过宏观电学性能变化有效诊断与监测混凝土结构的应力、应变或损伤，因此适用作传感元件。与现有的其它传感元件相较，自感知水泥基复合材料与混凝土结构具有天然的相容性，用于混凝土结构的健康诊断与监测有独特优势，与此同时，它还有灵敏度高、耐久性好等诸多优点。
已有的自感知水泥基复合材料主要采用粉末状导电材料(如炭黑、镍粉、钢渣等)，以及纤维状填料(碳纤维、钢纤维等)来复合制备。粉末状填料需要较大的掺量才能具有自感知性能，对水泥基复合材料的力学性能有很大的影响；碳纤维易于团聚且表面憎水与水泥相容性不好，使得制备的水泥基复合材料的均匀性与重复性较差；纤维状填料钢纤维会明显增加混凝土的重量，而且在水泥碱性环境中易于钝化而丧失导电性，同时在制备的过程中易沉降。因此，迫切需要研发其它新型的优质填料及其自感知水泥基复合材料。
镍纳米线具有很好的抗碱性腐蚀能力，且有极好的导电性与优良力学性能，是一个制备自感知水泥基复合材料的潜在优质填料。本发明提供应用镍纳米纤维(纳米线)为导电填料的一种新型自感知水泥基复合材料。
发明内容
发明目的：本发明的目的是为了解决已有自感知水泥基复合材料由于导电填料掺量大、与水泥基材料相容性不好和导电填料分散困难等引起的水泥基复合材料力学、电学和压敏性能等综合性能不高、均匀性与重复性较差等问题，而提供了一种自感知镍纳米纤维水泥基复合材料。
技术方案：为实现上述技术目的，本发明提出了一种自感知镍纳米纤维水泥基复合材料，所述自感知镍纳米纤维水泥基复合材料由镍纳米线、表面改性剂、水和水泥制成。
其中，所述镍纳米线作为水泥基复合材料的导电填料。
其中，所述镍纳米线的直径为40～200nm，长径比为50～200。
其中，所述镍纳米线的掺量为自感知水泥基材料体积的0.6％～2.0％。
其中，所述表面改性剂为聚羧酸型高效减水剂，掺量为水泥质量的0.4％～1％。
其中，所述自感知镍纳米纤维水泥基复合材料的水灰比为0.35～0.55。
本发明进一步提出了上述自感知镍纳米纤维水泥基复合材料的制备方法，包括如下步骤：先将水和表面改性剂混合，再加入镍纳米线，超声分散15～20min后，将分散的镍纳米线水溶液与水泥搅拌均匀，注入模具，轻振至密实后，标准养护28～30d。
其中，所述表面活性剂为为聚羧酸型高效减水剂，掺量为水泥质量的0.4％～1.0％。
所述镍纳米线的直径为40～200nm，长径比为50～200，镍纳米线的掺量为自感知水泥基复合材料体积的0.6％～2.0％。
优选地，成型的自感知水泥基复合材料的水灰比为0.35～0.55
有益效果：镍纳米线具有很好的抗碱性腐蚀能力，且有极好的导电性与优良力学性能。本发明以镍纳米线为导电填料，其掺量低，且采用表面改性剂对镍纳米纤维进行改性，降低其表面能，使其具有良好的分散性，由此解决了已有自感知水泥基复合材料由于导电填料掺量大、与水泥基材料相容性不好和导电填料分散困难等引起的水泥基复合材料力学、电学和压敏性能等综合性能不高、均匀性与重复性较差等问题，所制备的自感知水泥基复合材料具有导电填料掺量低、综合性能优良、均匀性与重复性好及感知灵敏度高等优点，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1～4是具体实施方案一到四中，对应的自感知镍纳米纤维水泥基复合材料的电阻变化率与压力之间的关系图；
图5是具体实施方案三中自感知镍纳米纤维水泥基复合材料的扫描电镜照片。
具体实施方案
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
具体实施方式一：
本实施方案中一种自感知镍纳米纤维水泥基复合材料由镍纳米线、聚羧酸型减水剂(南京苏博特新材料有限公司提供：聚羧酸高性能减水剂)、水和水泥组成，其中镍纳米线的直径为40～60nm，长径比为50～100；镍纳米线的掺量为自感知水泥基复合材料的体积的0.6％；减水剂掺量为水泥质量的0.4％；自感知水泥基复合材料成型水灰比为0.35。具体制备方法是：先将水和减水剂混合，再加入镍纳米线，超声分散15min后，将分散好的镍纳米线水溶液与水泥搅拌均匀，注入模具，轻振至密实后，标准养护28d。该种镍纳米纤维水泥基复合材料与未掺镍纳米纤维的空白水泥基材料相比，抗压强度提高了18.03％，抗折强度提高了7.3％，电阻率降低了68.2％。
具体实施方式二：
本实施方案中一种自感知镍纳米纤维水泥基复合材料由镍纳米线、聚羧酸减水剂、水和水泥组成，其中镍纳米线的直径为40～60nm，长径比为50～200；镍纳米线的掺量为自感知水泥基复合材料的体积的0.75％；减水剂掺量为水泥质量的0.6％；自感知水泥基复合材料成型水灰比为0.45。具体制备方法是：先将水和减水剂混合，再加入镍纳米线，超声分散20min后，将分散好的镍纳米线水溶液与水泥搅拌均匀，注入模具，轻振至密实后，标准养护28d。该种镍纳米纤维水泥基复合材料与未掺镍纳米纤维的空白水泥基材料相比，抗压强度提高了26.4％，抗折强度提高了11.3％，电阻率降低了75.6％。
具体实施方式三：
本实施方案中一种自感知镍纳米纤维水泥基复合材料由镍纳米线、聚羧酸减水剂、水和水泥组成，其中镍纳米线的直径为40～60nm，长径比为50～100；镍纳米线的掺量为自感知水泥基复合材料的体积的1.5％；减水剂掺量为水泥质量的0.8％；自感知水泥基复合材料成型水灰比为0.55。具体制备方法是：先将水和减水剂混合，再加入镍纳米线，超声分散18min后，将分散好的镍纳米线水溶液与水泥搅拌均匀，注入模具，轻振至密实后，标准养护28d。该种镍纳米纤维水泥基复合材料与未掺镍纳米纤维的空白水泥基材料相比，抗压强度提高了24.8％，抗折强度提高了10.3％，电阻率降低了83.1％。
需要说明的是，与同种掺量的碳纳米管水泥基复合材料相较，抗压强度提高了10.23％，抗折强度提高了5.76％，电阻率降低了16.47％，本次的镍纳米纤维水泥基复合材料显示具有更好的综合性能。
具体实施方式四：
本实施方案中一种自感知镍纳米纤维水泥基复合材料由镍纳米线、聚羧酸减水剂、水和水泥组成，其中镍纳米线的直径为160～200nm，长径比为50～200；镍纳米线的掺量为自感知水泥基复合材料的体积的2％；减水剂掺量为水泥质量的1％；自感知水泥基复合材料成型水灰比为0.45。具体制备方法是：先将水和减水剂混合，再加入镍纳米线，超声分散15min后，将分散好的镍纳米线水溶液与水泥搅拌均匀，注入模具，轻振至密实后，标准养护28d。该种镍纳米纤维水泥基复合材料与未掺镍纳米纤维的空白水泥基材料相比，抗压强度提高了19.9％，抗折强度提高了6.3％，电阻率降低了87.5％。
由上述实施案例可知，相同制备工艺下，掺镍纳米线的自感知水泥基复合材料的抗压、抗折强度和导电性，较空白未掺加镍纳米线的水泥石都有大幅度的提高。
图1～图4为对应实施案例中，掺镍纳米线的自感知水泥基复合材料在固定加荷幅度循环加载下，电阻变化率与加载荷载的关系图。在小应力下，由于弹性变形是可重复的，在每次循环加载过程中，加载时，电阻率随载荷增大而减小；当卸载时，电阻率增大，电阻变化率与加载荷载之间有明显的对应关系；且电阻变化率与镍纳米线的掺量、镍纳米线的尺寸、分散剂的掺量和自感知镍纳米纤维水泥基复合材料的成型水灰比有关。
综上所述，本发明实施案例中的自感知镍纳米纤维水泥基复合材料，是以水泥为胶凝材料，聚羧酸减水剂为分散剂，镍纳米线为导电填料复合而成的自感知水泥基复合材料。该发明将具有良好导电性，耐碱腐蚀性的镍纳米线均匀的分散到水泥基材料中，实验表明该自感知水泥基复合材料提高了现有水泥基压敏材料电阻率与外界荷载响应关系的线性度以及在循环荷载作用下电阻率随荷载变化的重复性，有利于水泥基压敏材料应用于实际工程中。

Claims (7)

1.一种自感知镍纳米纤维水泥基复合材料，其特征在于，所述自感知镍纳米纤维水泥基复合材料由镍纳米线、表面改性剂、水和水泥制成，其中，所述镍纳米线的直径为40~200nm，长径比为50~200；所述表面改性剂为聚羧酸型高效减水剂，掺量为水泥质量的0.4%~1.0%,其中，镍纳米线的掺量为自感知水泥基复合材料体积的0.6%~2.0%。
2.根据权利要求1所述的自感知镍纳米纤维水泥基复合材料，其特征在于，所述镍纳米线作为水泥基复合材料的导电填料。
3.根据权利要求1所述一种自感知镍纳米纤维水泥基复合材料，其特征在于，成型的自感知水泥基复合材料的水灰比为0.35~0.55。
4.权利要求1所述的自感知镍纳米纤维水泥基复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：先将水和表面改性剂混合，再加入镍纳米线，超声分散15~20min后，将分散的镍纳米线水溶液与水泥搅拌均匀，注入模具，轻振至密实后，标准养护28~30d。
5.根据权利要求4所述的自感知镍纳米纤维水泥基复合材料的制备方法，其特征在于，所述表面改性剂为聚羧酸型高效减水剂，掺量为水泥质量的0.4%~1.0%。
6.根据权利要求4所述的自感知镍纳米纤维水泥基复合材料的制备方法，其特征在于，所述镍纳米线的直径为40~200nm，长径比为50~200，镍纳米线的掺量为自感知水泥基复合材料体积的0.6%~2.0%。
7.根据权利要求4所述的自感知镍纳米纤维水泥基复合材料的制备方法，其特征在于，成型的自感知水泥基复合材料的水灰比为0.35~0.55。
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