CN110509428A - 一种石墨烯/水泥基材料的制备方法及分散装置和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水泥混凝土制备技术领域，尤其涉及一种石墨烯/水泥基材料的制备方法及分散装置和应用。包括：气力输送站、第一变径接头、第一外丝接头、第一三通接头、第一混合管、第二混合管、第二三通接头、软管、第二外丝接头和第二变径接头；气力输送站、第一变径接头、第一外丝接头、第一外丝接头、第一三通接头依次连接；第一三通接头的另两个端口分别与第一混合管、第二混合管的另一端口连接，第一混合管、第二混合管各自的另一端口分别与第二三通接头的两个端口分别连接；第二三通接头、软管、第二外丝接头、第二变径接头、气力输送站的入口依次连接。本发明实现了石墨烯与水泥颗粒的均匀分散，克服了传统方法中石墨烯在水泥中分散存在的问题。

Description

一种石墨烯/水泥基材料的制备方法及分散装置和应用

技术领域

本发明涉及水泥混凝土制备技术领域，尤其涉及一种石墨烯/水泥基材料的制备方法及分散装置和应用。

背景技术

本发明背景技术中公开的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

近年来许多研究发现，石墨烯材料掺入到水泥浆体中会对其性能产生明显的影响。石墨烯加入水泥中，可以大幅度提高其机械强度，促进水化，改善其微观结构。前期，针对石墨烯水泥基复合材料的研究主要集中在石墨烯的掺入对水泥性能的影响。然而，随着研究的深入进行，石墨烯在水泥基体中的分散问题被越来越多的研究者关注。

成功制备石墨烯改性水泥基复合材料的关键是将石墨烯稳定地均匀分散在水泥基体中。目前，制备石墨烯改性水泥材料的方法主要有如下几种：(1)高速搅拌法，将石墨烯水性分散液与水泥颗粒在高速搅拌的条件下混合；(2)表面活性剂分散，利用聚羧酸减水剂等分散剂将石墨烯分散在水中，然后加入水泥颗粒搅拌成型；(3)球磨法，将水泥熟料和石墨烯放入球磨机研磨混合。虽然以上的方法对石墨烯分散在水泥颗粒中有一定的效果，但各个方法存在诸多的缺陷。例如，高速搅拌法紧靠剪切力不能完全将石墨烯分散在水泥浆体中，仍然存在团聚现象；加入的表面活性剂存在与水泥浆体的适应性问题。此外，球磨法的分散效果易受温度的影响。

针对目前分散方法存在的问题，本发明的在先设计(申请号：201910614672.4)中记载了一种气相分散设备，其采用高速气流冲击石墨烯粉末和水泥颗粒，在有限的空间中通过无数的碰撞摩擦实现两种颗粒的均匀分散，然后将其与水、各种矿物掺合料、骨料等材料搅拌成型，从而制备石墨烯改性的水泥基材料。然而，经过本发明人进一步研究，上述专利申请中记载的气相分散设备仍然存在进一步改进的空间：(1)该分散设备中的椭圆混合装置虽然可使石墨烯与水泥颗粒达到均匀混合的目的，但随着实验时间的延长，由于石墨烯与水泥颗粒密度的差异性，椭圆混合装置中或不可避免地残留一部分水泥，这一部分水泥无法参与到循环分散的过程中。因此，时间越长，分散效果反而越不理想。(2)当石墨烯掺量变大时，分散程度不够：上述的气相分散设备利用在循环回路中高速气流的碰撞摩擦作用，实现石墨烯在水泥颗粒中的均匀分散。但进一步的研究发现，当石墨烯的掺量过大时，紧靠循环回路中石墨烯粉末和水泥颗粒之间的相互摩擦碰撞很难实现其均匀分散。

发明内容

针对上述的问题，本发明旨在提供一种石墨烯/水泥基材料的制备方法及分散装置和应用。本发明取消了作为混合室的椭圆混合装置，而是通过两处三通接头，利用高速气体的对流冲击作用实现了高浓度石墨烯与水泥颗粒的充分混合，同时避免了长时间分散过程中水泥颗粒在通道中的残留问题。

本发明第一目的：提供一种石墨烯/水泥基材料的气相分散装置。

本发明第二目的：提供一种石墨烯/水泥基材料的制备方法。

本发明第三目的：提供所述石墨烯/水泥基材料的气相分散装置的应用。

为实现上述发明目的，本发明公开了下述技术方案：

首先，本发明公开一种石墨烯/水泥基材料的分散装置，包括：气力输送站、第一变径接头、第一外丝接头、第一三通接头、第一混合管、第二混合管、第二三通接头、软管、第二外丝接头和第二变径接头；其中：

所述气力输送站的出口与第一变径接头的大口径一端连接，所述第一变径接头的小口径一端与第一外丝接头连接，所述第一外丝接头与第一三通接头的一端口连接。

所述第一三通接头的另外两个端口分别与第一混合管、第二混合管各自的一端口连接，所述第一混合管、第二混合管各自的另一端口分别与第二三通接头的两个端口分别连接，从而使第一三通接头、第一混合管之间、第二混合管和第二三通接头形成连通的环形通道，以便于实现第一混合管之间、第二混合管中物料的对撞。

所述第二三通接头的另一端口、软管、第二外丝接头、第二变径接头、气力输送站的入口依次连接，且所述气力输送站的入口与第二变径接头的大口径一端连接，第二变径接头的小口径一端与第二外丝接头连接，以便经过对撞后的物料通过气力输送站实现在分散装置中的循环，多次对撞。

作为进一步的技术方案，所述气力输送站为气动隔膜泵，其连接有空气压缩机作为动力源，空气压缩机通过鼓动外围膜片运动的频率和幅度来控制气体的速度，从而为气动隔膜泵中粉料的高速循环提供动力。

作为进一步的技术方案，所述变径接头为直径8cm变2cm的变径接头。

作为进一步的技术方案，所述分散装置还包括弯头，所述弯头用于连接混合管和三通接头，使第一三通接头、第一混合管之间、第二混合管和第二三通接头形成连通的环形通道。所述环形通道包括长方形、正方形、圆形、椭圆形等任何适合的形状。

作为进一步的技术方案，所述软管上设置有投放物料的开关口，以便于投放需要混合分散的物料(如水泥和石墨烯)。

本发明提出的石墨烯/水泥基材料的气相分散装置的特点之一是：放弃了传统方法中将石墨烯掺入水泥中之前需要借助一定媒介先实现石墨烯分散的技术思路，而是直接实现了石墨烯与水泥颗粒的均匀分散，很好地克服了上述传统方法中存在的问题。

本发明提出的石墨烯/水泥基材料的气相分散装置的特点之二是：利用空气压缩机对气力输送站不断的提供气源，通过气力输送站相连的变径接头将气流通道缩小，实现气流速度的提高，利用高速气流冲击混合管中的物料，将物料扬起对气流和颗粒进行混合加速，由于此时混合是在混合管中进行，混合管提供的有限空间可以造成无数的碰撞摩擦实现两种颗粒的均匀分散；更重要的是，夹杂着物料的高速气流通过第一三通接头4后被分为两路，通过分别第一混合管、第二混合管后两路高速气流在第二三通接头7处会和对撞，从而利用对流的冲击作用实现了高浓度石墨烯与水泥颗粒的充分混合；克服本发明的在先申请(申请号：201910614672.4)中记载的气相分散设备存在一些缺陷。

进一步地，两路高速气流完成对撞后，高速气流夹杂着物料颗粒被吸入气力输送站的外围部分，气流带动颗粒通过闭合的通道进行连续循环，在此过程中，在循环过程中进一步利用石墨烯粉末和水泥颗粒之间的相互摩擦碰撞实现彼此的混合分散，显著提高石墨烯和水泥的均匀分散程度。

其次，本发明公开一种石墨烯/水泥基材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)利用本发明提出的气相分散装置对石墨烯和水泥进行分散，得到石墨烯-水泥混合物；

(2)将步骤(1)的石墨烯-水泥混合物和水混合后搅拌成型，即得石墨烯改性的水泥基材料

作为进一步的技术方案，步骤(1)中，所述分散的时间为2-200min，优选为10-60min；更优选为30min。试验证明：本发明改进后的分散设备有效解决了本发明在先申请中设计的分散设备关于分散时间长，水泥颗粒残留在设备内以及石墨烯掺量限制的问题。改进后的分散设备分散效果受分散时间的限制显著减小，同时也大大拓宽了石墨烯的分散浓度，有助于更好的利用石墨烯制备水泥材料。

作为进一步的技术方案，步骤(1)中，石墨烯-水泥混合物中石墨烯的掺量为水泥质量的0.01-10wt.％，优选为1-10wt.％，更优选为5wt.％；试验证明：相对于上述的本发明在先申请中设计的分散设备，本发明改进后的分散设备可以实现掺杂更高浓度石墨烯的物料的均匀分散，这种情况更有助于提高物料的性能。

作为进一步的技术方案，步骤(2)中，还包括：矿物掺合料、骨料等。

作为进一步的技术方案，所述石墨烯-水泥混合物、水、矿物掺合料、骨料等物料的掺杂顺序没有特殊要求。

作为进一步的技术方案，步骤(2)中，所述的矿物掺合料包含粉煤灰、粒化高炉矿渣、钢渣等中的一种或几种。

最后，本发明公开所述石墨烯/水泥分散装置在建筑工程中的应用。

与现有技术相比，本发明取得了以下有益效果：

(1)本发明的设计方案简单实用，具有很好的推广应用价值。同时，也为石墨烯改性水泥材料的制备提供了一种新的研究思路。

(2)本发明直接实现了石墨烯与水泥颗粒的均匀分散，很好地克服了传统方法中石墨烯在水泥中分散存在的问题。

(3)本发明取消了在先申请(申请号：201910614672.4)中作为混合室的椭圆混合装置，而是通过两处三通接头，利用高速气体的对流冲击作用实现了高浓度石墨烯与水泥颗粒的充分混合，有效解决了本发明在先申请中设计的分散设备关于分散时间长，水泥颗粒残留在设备内以及石墨烯掺量限制的问题。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例1的石墨烯/水泥基材料的气相分散装置的结构示意图。

图2为图1中A部的侧视图。

图3为实施例2中石墨烯/水泥基材料的气相分散装置的A部的侧视图。

上述附图中标记分别代表：1-气力输送站、2-第一变径接头、3-第一外丝接头、4-第一三通接头、5-第一混合管、6-第二混合管、7-第二三通接头、8-软管、9-第二外丝接头、10-第二变径接头、11-弯头。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如，在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如前文所述，经过本发明人进一步研究，本发明的在先申请(申请号：201910614672.4)中记载的气相分散设备仍然存在进一步改进的空间。因此，本发明提出一种石墨烯/水泥基材料的制备方法及分散装置和应用；现结合附图和具体实施方式对本发明进一步进行说明。

实施例1

参考图1和2，一种石墨烯/水泥基材料的分散装置，包括：气力输送站1、第一变径接头2、第一外丝接头3、第一三通接头4、第一混合管5、第二混合管6、第二三通接头7、软管8、第二外丝接头9和第二变径接头10；其中：所述气力输送站1的出口与第一变径接头2的大口径一端连接，所述第一变径接头2的小口径一端与第一外丝接头3连接，所述第一外丝接头3与第一三通接头4的一端口连接。所述第一三通接头4的另外两个端口分别与第一混合管5、第二混合管6各自的一端口连接，所述第一混合管5、第二混合管6各自的另一端口分别与第二三通接头7的两个端口分别连接，从而使第一三通接头4、第一混合管5之间、第二混合管6和第二三通接头7形成连通的环形通道，以便于实现第一混合管5之间、第二混合管6中物料的对撞。所述第二三通接头7的另一端口、软管8、第二外丝接头9、第二变径接头10、气力输送站1的入口依次连接，且所述气力输送站1的入口与第二变径接头10的大口径一端连接，第二变径接头10的小口径一端与第二外丝接头9连接，以便经过对撞后的物料通过气力输送站1实现在分散装置中的循环，多次对撞。

实施例2

一种石墨烯/水泥分散装置，同实施例1，区别在于：参考图3，所述气力输送站1为气动隔膜泵，其连接有空气压缩机作为动力源；所所述分散装置还包括弯头11，所述弯头用于连接混合管和三通接头，使第一三通接头4、第一混合管5之间、第二混合管6和第二三通接头形成连通的方形的环形通道。所述软管8上设置有投放物料的开关口，以便于投放需要混合分散的物料。

实施例3

1、一种石墨烯改性水泥基材料的制备方法，采用实施例2所述的装置(以下简称为：改进设备)实施，包括如下步骤：

(1)采用直径8cm变2cm的变径接头的空气压缩机容积为250L；

(2)将100g水泥颗粒和40mg石墨烯粉末通过软管上的开关口放入软管中，密封后开启空气压缩机，分散时间分别为10、30、60min。待时间达到后，将仪器关停，分别收集不同时间下的分散物料94g，并各称取分散物料90g，分别与45g水混合，采用普通的净浆搅拌机搅拌成型，成型尺寸为2cm×2cm×2cm，试块数量为6块(每个分散时间下为两块，共3组成型比例相同的水泥浆体)，养护3天、28天后测试其抗压强度，取每组的平均值，验证石墨烯的分散效果。

2、为了对比加入石墨烯的水泥强度变化情况，采用上述的方法，只是单独将100g水泥颗粒放入其中进行分散，其他操作一致。

3、作为对比，采用本发明的在先申请(申请号：201910614672.4，以下简称为：原设备)中记载的气相分散设备重新进行将本实施例的上述1、2。

各水泥试块的平均抗压强度如表1所示：

表1

从表1的测试结果可知：改进设备后分散的石墨烯改性水泥强度要明显高于原设备制备的样品强度，这说明采用新的设备可以将石墨烯更均匀的分散在水泥颗粒中，从而制备出性能更加优异的水泥基材料。此外，从实验效果来看，改进的分散设备不受分散时间的影响。原设备当分散时间达到60min时，水泥强度的提高幅度相比于30min时明显下降。但利用改进设备分散石墨烯，其分散30min和60min强度基本持平(0.12差别完全在测量误差范围内)，这充分说明改进设备克服了原设备分散时间长了之后水泥颗粒分级及残留的弊端。

实施例4

1、一种石墨烯改性水泥基材料的制备方法，采用实施例2所述的装置实施，包括如下步骤：

(1)采用直径8cm变2cm的变径接头的空气压缩机容积为250L；

(2)分别将100g水泥颗粒和0.5g、1g、5g、10g石墨烯粉末提前放入椭圆气瓶中，密封后开启空气压缩机，分散时间为30min，待时间达到后，将仪器关停，分别收集不同石墨烯掺量下的分散物料95g，并各称取分散物料90g，分别与45g水混合，采用普通的净浆搅拌机搅拌成型，成型尺寸为2cm×2cm×2cm，试块数量为6块(每个分散时间下为两块，共3组成型比例相同的水泥浆体)，养护3天、28天后测试其抗压强度，取每组的平均值，验证石墨烯的分散效果。

2、为了对比加入石墨烯的水泥强度变化情况，采用上述的方案，只是单独将100g水泥颗粒放入其中进行分散，其他操作一致。

3、作为对比，采用本发明的在先申请(申请号：201910614672.4，以下简称为：原设备)中记载的气相分散设备重新进行将本实施例的上述1、2。

各水泥试块的平均抗压强度如表2所示：

表2

从表2测试数据可知：对于原设备而言，当石墨烯掺量增大到1wt.％时，其水泥强度明显下降，且随着石墨烯掺量的增加，下降趋势越来越明显，这与其分散的浓度极限相关。原设备能够分散的石墨烯掺量范围为0.01-1.0wt.％，优选为0.01-0.1wt.％。相比之下，改进设备分散石墨烯的浓度最大可以达到10wt.％。从强度结果来看，当石墨烯掺量达到5wt.％时，其增强效果很明显，即使是达到10wt.％掺量时，石墨烯也能够充分发挥其增强作用。

通过以上实施例结果的对比分析可以看出，改进设备充分解决了原设备关于分散时间长，水泥颗粒残留在设备内以及石墨烯掺量限制的问题。改进设备其分散效果不受分散时间的限制，同时也大大拓宽了石墨烯的分散浓度，有助于更好的利用石墨烯制备水泥材料。

实施例5

1、一种石墨烯改性水泥基材料的制备方法，采用实施例2所述的装置(以下简称为：改进设备)实施，包括如下步骤：

(1)采用直径8cm变2cm的变径接头的空气压缩机容积为250L；

(2)将100g水泥颗粒和0.01g石墨烯粉末通过软管上的开关口放入软管中，密封后开启空气压缩机，分散时间分别为2、100、200min。待时间达到后，将仪器关停，分别收集不同时间下的分散物料93g，并各称取分散物料60g，分别与30g水混合，采用普通的净浆搅拌机搅拌成型，成型尺寸为2cm×2cm×2cm，试块数量为6块(每个分散时间下为两块，共3组成型比例相同的水泥浆体)，养护3天、28天后测试其抗压强度，取每组的平均值，验证石墨烯的分散效果。

各水泥试块的平均抗压强度如表3所示：

表3

从上表数据可知：结果显示通过石墨烯的添加，有效提高了水泥试块的抗拉强度，由于抗压强度与石墨烯的团聚程度紧密相关，如果石墨烯在水泥中形成了团聚物，其抗压强度一般呈现下降趋势；相反，石墨烯均匀分散在水泥基体中，可以有效提高水泥基体的强度，这说明本发明的分散设备能够有效实现石墨烯在水泥中的均匀分散。当石墨烯分散时间逐渐增加时，强度越高，说明其分散程度有所提高。采用新设备，分散时间从100min增加到200min，其效果没有明显的下降趋势，说明改进设备克服了原设备分散时间延长效果不佳的问题。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种石墨烯/水泥基材料的分散装置，其特征在于，包括：气力输送站、第一变径接头、第一外丝接头、第一三通接头、第一混合管、第二混合管、第二三通接头、软管、第二外丝接头和第二变径接头；其中：

所述气力输送站的出口与第一变径接头的大口径一端连接，所述第一变径接头的小口径一端与第一外丝接头连接，所述第一外丝接头与第一三通接头的一端口连接；

所述第一三通接头的另外两个端口分别与第一混合管、第二混合管各自的一端口连接，所述第一混合管、第二混合管各自的另一端口分别与第二三通接头的两个端口分别连接，从而使第一三通接头、第一混合管之间、第二混合管和第二三通接头形成连通的环形通道；

所述第二三通接头的另一端口、软管、第二外丝接头、第二变径接头、气力输送站的入口依次连接，且所述气力输送站的入口与第二变径接头的大口径一端连接，第二变径接头的小口径一端与第二外丝接头连接。

2.如权利要求1所述的石墨烯/水泥基材料的分散装置，其特征在于，所述气力输送站为气动隔膜泵，其连接有空气压缩机作为动力源。

3.如权利要求1所述的石墨烯/水泥基材料的分散装置，其特征在于，所述分散装置还包括弯头，所述弯头用于连接混合管和三通接头，使第一三通接头、第一混合管之间、第二混合管和第二三通接头形成连通的环形通道；

优选地，所述环形通道包括长方形、正方形、圆形、椭圆形中的任意一种。

4.如权利要求1所述的石墨烯/水泥基材料的分散装置，其特征在于，所述软管上设置有投放物料的开关口。

5.如权利要求1-4任一项所述的石墨烯/水泥基材料的分散装置，其特征在于，所述变径接头为直径8cm变2cm的变径接头。

6.一种石墨烯/水泥基材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)利用本发明提出的气相分散装置对石墨烯和水泥进行分散，得到石墨烯-水泥混合物；

(2)将步骤(1)的石墨烯-水泥混合物和水混合后搅拌成型，即得石墨烯改性的水泥基材料。

7.如权利要求6所述的石墨烯/水泥基材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述分散的时间为2-200min，优选为10-60min；更优选为30min。

8.如权利要求6所述的石墨烯/水泥基材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，石墨烯-水泥混合物中石墨烯的掺量为水泥质量的0.01-10wt.％，优选为1-10wt.％，更优选为5wt.％；

优选地，步骤(2)中，还包括：矿物掺合料和/或骨料。

9.如权利要求8所述的石墨烯/水泥基材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的矿物掺合料包含粉煤灰、粒化高炉矿渣、钢渣中的任意一种一种或几种。

10.如权利要求1-5任一项所述的石墨烯/水泥基材料的分散装置在建筑工程中的应用。