CN108358521A - 多壁碳纳米管水泥基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明多壁碳纳米管水泥基复合材料及其制备方法，所述复合材料的原料组成的重量份配比如下：表面活性剂为0.4‑0.7份；乙醇为10‑20份；多壁碳纳米管为0.05‑0.15份；纳米二氧化硅1.5‑1.8份；水泥胶凝材料为100份；硅灰为10‑20份；标准砂300‑400份；水为40‑60份。水泥基复合材料中添加了多壁碳纳米管使得复合材料孔隙率降低、平均孔径小,结构致密，从而提高了材料的力学性能。经测定抗压强度较往常提高了11.6％‑20.99％。从而有效延长了建筑的使用年限。本发明公开的方法简单易操作，成本可控，解决了多壁碳纳米管团聚问题，能阻止多壁碳纳米管在水泥基复合材料中产生二次团聚。在当前建设智慧城市、绿色城市的进程中展现了非常广阔的市场前景和应用价值。

Description

多壁碳纳米管水泥基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料领域，具体涉及多壁碳纳米管水泥基复合材料及其制备方法。
背景技术
普通水泥基材料由于抗拉强度低、韧性差，在工程中经常产生大量的裂缝，严重影响了结构的安全性和长期耐久性，增韧问题、高耐久问题已成为水泥基材料的研究重点。目前的方法主要集中于向水泥基体中引入一定量宏观尺寸纤维，例如钢纤维、碳纤维、玻璃纤维、聚丙烯纤维等等，改善其裂缝及空间荷载。然而，这些微纤维、长纤维等只能从宏观尺度或者毫米尺度上使机体的力学性能得到改善，而不能从根本上限制水泥基中纳米级裂缝的扩展。
碳纳米管是一种具有石墨结晶的管状纳米碳材料，相比传统的碳纤维拥有近乎完美的力学性能，是目前发现的综合性能最好的纤维材料。超高的长径比(直径纳米级，长度微米级，长径比达100-1000)、超强的耐酸碱能力等使得碳纳米管在各基体中能更好地发挥桥联、增韧等作用。
碳纳米管具有很强的疏水性以及管与管彼此之间的范德华力作用，使其在水泥浆体中极易团聚，如未采取任何分散措施而直接加入基体中，碳纳米管可能由于团聚而不利于结构的均质性，不但起不到增强效果,相反会使基体的性能降低，因此碳纳米管的分散程度成为影响增强效果关键因素。因此，通过有效手段提高碳纳米管在水泥基材料的分散性，对充分发挥碳纳米管优秀的力学性能有着重大的意义。
发明内容
本发明提供多壁碳纳米管水泥基复合材料及其制备方法，解决了多壁碳纳米管团聚问题，能阻止多壁碳纳米管在水泥基复合材料中产生二次团聚，有效提高水泥基材料的力学性能。
为解决上述技术问题，本发明采取如下技术方案：
本发明一方面提供多壁碳纳米管水泥基复合材料，所述复合材料的原料组成的重量份配比如下：
本发明另一方面提供一种上述多壁碳纳米管水泥基复合材料的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤一，将表面活性剂加入乙醇中，搅拌至完全溶解；
步骤二，加多壁碳纳米管、纳米二氧化硅和玻璃珠，进行机械搅拌研磨分散；
步骤三，将步骤二中混合液内玻璃珠过滤后，置于超声分散设备中进行超声分散，得到多壁碳纳米管分散液；
步骤四，将水泥胶凝材料、硅灰、标准砂加水搅拌后，加入步骤三中得到的分散液，搅拌均匀；
步骤五，将步骤四中搅拌均匀的多壁碳纳米管水泥基浆体放入干燥箱中恒温干燥；
步骤六，去除乙醇并排除气泡后，倒入模具放在标准养护室中养护24小时后拆模，继续在标准养护室中养护28天后得到多壁碳纳米管水泥基复合材料。
进一步，多壁碳纳米管与乙醇的重量份配比为：1：100-150。
进一步，多壁碳纳米管与表面活性剂的重量份配比为：1:4-7。
进一步，所述表面活性剂为烷基酚聚氧乙基醚、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基磺酸钠、聚乙烯吡咯烷酮、阿拉伯胶中的一种或多种。
进一步，多壁碳纳米管与纳米二氧化硅的重量份配比为：1：15-18。
进一步，步骤二中机械搅拌研磨时间为1-1.5小时；步骤三中超声时间为0.5-1小时。
进一步，步骤五中干燥温度为50℃-60℃；干燥时间为1.5-2小时。
进一步，水泥胶凝材料：硅灰：标准砂：水：多壁碳纳米管分散液的重量份配比为100:10-20：300-400:40-60:10-20。
与现有技术相比，本发明的技术优势在于：
(1)本发明提供的多壁碳纳米管水泥基复合材料，由于添加了多壁碳纳米管使得复合材料孔隙率降低、平均孔径小,结构致密，从而提高了材料的力学性能。
(2)本发明提供的制备方法，添加一定量的超声处理过的多壁碳纳米管分散液，水泥基复合材料的力学性能得到明显的改善，经测定抗压强度较往常提高了11.6％-20.99％。从而有效延长了建筑的使用年限，对建筑建构的安全性、耐久性以及坚韧性等多方面性能都有大幅改进。
(3)本发明提供的多壁碳纳米管水泥基复合材料的制备方法，解决了多壁碳纳米管团聚问题，能阻止多壁碳纳米管在水泥基复合材料中产生二次团聚。方法简单易操作，成本可控。
本发明提供的多壁碳纳米管水泥基复合材料及其制备方法在当前建设智慧城市、绿色城市的进程中展现了非常广阔的市场前景和应用价值。
具体实施方式
本发明一方面提供一种多壁碳纳米管水泥基复合材料，所述复合材料的原料组成的重量份配比如下：
制备方法，具体包括如下步骤：
步骤一，将表面活性剂加入乙醇中，搅拌至完全溶解；其中，表面活性剂为烷基酚聚氧乙基醚、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基磺酸钠、聚乙烯吡咯烷酮、阿拉伯胶中的一种或多种。
步骤二，加多壁碳纳米管、纳米二氧化硅和玻璃珠，进行1-1.5小时的机械搅拌研磨分散；
步骤三，过滤后置于超声分散设备中进行0.5-1小时超声分散，得到多壁碳纳米管分散液；
步骤四，将水泥胶凝材料、硅灰、标准砂加水搅拌后，加入步骤三中得到的分散液，搅拌均匀；
步骤五，将步骤四中搅拌均匀的多壁碳纳米管水泥基浆体放入干燥箱中保持50℃-60℃，干燥恒温1.5-2小时；
步骤六，去除乙醇并排除气泡后，倒入模具放在标准养护室中养护24h后拆模，继续在标准养护室中养护28d后得到多壁碳纳米管水泥基复合材料。
按照上述制备方法制得实施例1-5，实施例中具体的反应物的选取以及反应时间和反应条件见下表1。
表1实施例1-5反应物及反应时间
表1为本发明多壁碳纳米管水泥基复合材料及其制备方法实施例1-5的各组分明细和反应时间。
实施例1-5具体性能测试见下表：
表2实施例1～5复合材料力学性能
从表2结果可以得出如下结论：
(1)由对照组可以看出，不添加碳纳米管所制得的混凝土试块抗压强度为48MPa左右。实施例1-3均为添加一定量的多壁碳纳米管及在超声处理后，水泥基复合材料的力学性能得到明显的改善，抗压强度提高了11.6％-20.99％。
(2)实施例3和实施例4中，虽然碳纳米管添加比例相同均为0.3％，但是实施例4中水泥基复合材料的力学性能不升反降，是由于碳纳米管添加量过高，没有得到很好的分散，在水泥基材料中发生了团聚，从而导致材料力学性能下降。更直观的可以由实施例5可以看出，说明超声对于碳纳米管的分散有着至关重要的作用，没有经过超声处理的碳纳米管并没有得到有效的分散，从而没有发挥增强效果。
综上，本发明提供的多壁碳纳米管水泥基复合材料及其制备方法，使得水泥基复合材料的力学性能得到明显的改善，经测定抗压强度较往常提高了11.6％-20.99％。从而有效延长了建筑的使用年限，并且方法简单易操作，成本可控。具有广阔的市场前景和应用价值。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.多壁碳纳米管水泥基复合材料，其特征在于：所述复合材料的原料组成的重量份配比如下：
2.一种如权利要求1所述的多壁碳纳米管水泥基复合材料的制备方法，其特征在于：具体包括如下步骤：
步骤一，将表面活性剂加入乙醇中，搅拌至完全溶解；
步骤二，加多壁碳纳米管、纳米二氧化硅和玻璃珠，进行机械搅拌研磨分散；
步骤三，将步骤二中混合液内玻璃珠过滤后，置于超声分散设备中进行超声分散，得到多壁碳纳米管分散液；
步骤四，将水泥胶凝材料、硅灰、标准砂加水搅拌后，加入步骤三中得到的分散液，搅拌均匀；
步骤五，将步骤四中搅拌均匀的多壁碳纳米管水泥基浆体放入干燥箱中恒温干燥；
步骤六，去除乙醇并排除气泡后，倒入模具放在标准养护室中养护24小时后拆模，继续在标准养护室中养护28天后得到多壁碳纳米管水泥基复合材料。
3.如权利要求2所述的多壁碳纳米管水泥基复合材料的制备方法，其特征在于：多壁碳纳米管与乙醇的重量份配比为：1：100-150。
4.如权利要求2所述的多壁碳纳米管水泥基复合材料的制备方法，其特征在于：多壁碳纳米管与表面活性剂的重量份配比为：1：4-7。
5.如权利要求2所述的多壁碳纳米管水泥基复合材料的制备方法，其特征在于：所述表面活性剂为烷基酚聚氧乙基醚、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基磺酸钠、聚乙烯吡咯烷酮、阿拉伯胶中的一种或多种。
6.如权利要求2所述的多壁碳纳米管水泥基复合材料的制备方法，其特征在于：多壁碳纳米管与纳米二氧化硅的重量份配比为：1：15-18。
7.如权利要求2所述的多壁碳纳米管水泥基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤二中机械搅拌研磨时间为1-1.5小时；步骤三中超声时间为0.5-1小时。
8.如权利要求2所述的多壁碳纳米管水泥基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤五中干燥温度为50℃-60℃；干燥时间为1.5-2小时。
9.如权利要求2所述的多壁碳纳米管水泥基复合材料的制备方法，其特征在于：水泥胶凝材料：硅灰：标准砂：水：多壁碳纳米管分散液的重量份配比为100:10-20：300-400:40-60:10-20。
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