CN110981298A - 一种氧化石墨烯-纳米矿物增强型地聚合物材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氧化石墨烯‑纳米矿物增强型地聚合物材料及其制备方法，包括以下按重量计的组分：硅铝质矿物原料130‑160份，碱激发剂50‑70份，纳米矿物2‑6份，氧化石墨烯1‑3份。本发明还公开了氧化石墨烯‑纳米矿物增强型地聚合物材料制备方法，包括以下步骤：1）制备地聚合物原料；2）制备氧化石墨烯‑氢氧化钠溶液；3）制备氧化石墨烯‑碱激发溶液；4）制备氧化石墨烯‑纳米矿物增强型地聚合物材料。本发明解决了纳米矿物在地聚合物体系中的均匀分散问题，充分利用氧化石墨烯的自身性能和分散效果、使之与纳米矿物协同提高地聚合物材料的韧性和强度。

Description

一种氧化石墨烯-纳米矿物增强型地聚合物材料及其制备 方法

技术领域

本发明属于建筑材料领域，尤其是涉及一种氧化石墨烯-纳米矿物增强型地聚合物材料及其制备方法。

背景技术

地聚合物材料是一种特殊的无机缩聚三维氧化物网络结构的新型材料，这种材料以富含硅铝的矿物为原料，与液体硅酸钠、氢氧化钠等溶液发生碱激发反应而生成，地聚合物材料具有比传统硅酸盐材料更为优异的性能，包括：快硬早强，耐酸碱、耐火、耐高温性能好，固重金属离子效率高等。此外，地聚合物原料多来源于粉煤灰、高炉矿渣、矿山废渣等工业废弃物，生产过程中碳排放和能耗均低于普通硅酸盐水泥，是一种低碳、绿色、节能和环保的建筑材料。

纳米矿物如纳米二氧化硅、纳米氧化铝、纳米硅、纳米粘土等可以诱导地聚合物成核，减少地聚合物材料凝结时间，填充孔隙，极大的提高地聚合物的力学强度和耐久性，但是纳米矿物在地聚合物中的均匀分散问题一直制约着大规模应用。氧化石墨烯表面因为具有丰富的羟基、羧基等官能团，因此具有良好的分散效果，但其本身独特的增强性能并未得到充分发挥，因此如何充分利用氧化石墨烯的自身性能和分散效果、使之与纳米矿物协同提高地聚合物材料的韧性和强度成为亟需解决的关键问题。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种具有快硬早强性能的氧化石墨烯-纳米矿物增强型地聚合物材料及其相应的制备方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种氧化石墨烯-纳米矿物增强型地聚合物材料，包括以下按重量计的组分：硅铝质矿物原料130-160份，碱激发剂50-70份，纳米矿物2-6份，氧化石墨烯1-3份；所述硅铝质矿物原料为复配材料，包括偏高岭土70-90份、粉煤灰45-60份、粒化高炉矿渣10-20份和硅酸盐水泥5-10份。

粉煤灰掺入偏高岭土中有利于减小反应后地聚合物大孔孔隙，增加结构的致密度。粒化高炉矿渣有利于形成水化硅酸钙凝胶，作为微集料填充在孔隙中，还可以减小地聚合物凝结时间，提高地聚合物早期强度，但是其掺量不宜过多，以免过快凝结，影响使用。而硅酸盐水泥加入不仅提供硅酸三钙和硅酸二钙，使其与水反应生成氢氧化钙增强碱性，而且水泥水化放热会促进地质聚合反应的进行，缩短地聚合反应的时间。因此偏高岭土、粉煤灰、矿渣以及硅酸盐水泥的复配不仅提供了硅铝原料，同时各组分相互配合，极大的减少了地聚合物的凝结时间，提高了地聚合物的早期强度。

进一步的，所述碱激发剂为复配材料，包括液体硅酸钠35-50份，氢氧化钠溶液15-30份。

进一步的，所述氢氧化钠溶液包括固体氢氧化钠5-10份，去离子水10-20份，氢氧化钠浓度应大于等于10mol/L。

进一步的，所述纳米矿物为纳米二氧化硅、纳米氧化铝、纳米硅、纳米粘土中的一种或两种或多种的组合。

由于纳米二氧化硅、纳米氧化铝、纳米硅、纳米粘土具有高反应活性和比表面积，因此可以增强地聚合物的成核过程，提高地聚合物凝胶的均匀程度，促进生成更多的凝胶来填充孔隙，从而导致更致密的微观结构。

进一步的，所述氧化石墨烯厚度为1.0-1.5纳米，延展尺寸为0.5-5微米。

本发明还公开了一种氧化石墨烯-纳米矿物增强型地聚合物材料的制备方法，包括以下步骤：

1)制备地聚合物反应粉料：将70-90份偏高岭土、45-60份粉煤灰、10-20份粒化高炉矿渣和5-10份硅酸盐水泥、2-6份纳米矿物按比例混合搅拌研磨得到；

2)制备氧化石墨烯-氢氧化钠溶液：将5-10份固体氢氧化钠、10-20份去离子水、1-3份氧化石墨烯混合，40-50Hz超声分散60-80分钟得到；

3)制备氧化石墨烯-碱激发溶液：将35-50份液体硅酸钠与步骤2)得到的氧化石墨烯-氢氧化钠溶液混合，40-50Hz超声分散30-60分钟，形成均匀的氧化石墨烯-碱激发溶液；

4)制备氧化石墨烯-纳米矿物增强型地聚合物材料：将步骤3)得到的氧化石墨烯-碱激发溶液不断搅拌，并加入步骤1)得到的地聚合物反应粉料，混合均匀即得氧化石墨烯-纳米矿物增强型地聚合物材料。

本发明的有益效果是：(1)氧化石墨烯中具有大量的羟基、羧基等官能团，可以解决纳米矿物在地聚合物中分散不均匀问题，充分发挥纳米矿物的反应活性和成核效应，提高凝胶的数量和均匀性，产生更加致密的微观结构；(2)氧化石墨烯可以改善地聚合物材料的结晶产物，有利于形成规整、相似的晶体结构，减小大孔孔隙率，提高地聚合物材料的韧性；(3)在地聚合物的强碱体系下，部分还原的氧化石墨烯形成的二维结构与胶凝材料的更好结合，纳米矿物可以依托还原氧化石墨烯片状结构进行凝胶的生成和延展，形成独特的三维氧化石墨烯基地聚合物凝胶，该凝胶可以填充并桥接基质的孔隙、微裂纹，降低地聚合物的总孔隙率，具有优异的致密性和力学强度，使得其与地聚合物基质具有更好的界面粘合，形成的独特包裹和锚固机制有利于提高地聚合物的韧性和强度；(4)部分还原氧化石墨烯形成的起皱和折叠构成的共轭二维结构良好的导电性且褶皱和边缘处的大量的含氧官能团为纳米矿物提供了活性位点，使得纳米矿物的诱导成核效应、填充效应以及促凝效应充分发挥，极大的增强了纳米矿物改善地聚合物材料性能的能力。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好的理解本发明方案，下面对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

实施例1

1)制备地聚合物反应粉料：将240g偏高岭土、150g粉煤灰、30g粒化高炉矿渣和18g硅酸盐水泥、12g纳米二氧化硅按比例混合搅拌研磨得到；

2)制备氧化石墨烯-氢氧化钠溶液：将18g固体氢氧化钠、39g去离子水、3g氧化石墨烯混合，50Hz超声分散60分钟得到；

3)制备氧化石墨烯-碱激发溶液：将120g液体硅酸钠与步骤2)得到的氧化石墨烯-氢氧化钠溶液混合，50Hz超声分散60分钟，形成均匀的氧化石墨烯-碱激发溶液；

4)制备氧化石墨烯-纳米矿物增强型地聚合物材料：将步骤3)得到的氧化石墨烯-碱激发溶液不断搅拌，并加入步骤1)得到的地聚合物反应粉料，混合均匀即得氧化石墨烯-纳米矿物增强型地聚合物材料。

实施例2

1)制备地聚合物反应粉料：将246g偏高岭土、153g粉煤灰、45g粒化高炉矿渣和24g硅酸盐水泥、12g纳米二氧化硅按比例混合搅拌研磨得到；

2)制备氧化石墨烯-氢氧化钠溶液：将21g固体氢氧化钠、42g去离子水、6g氧化石墨烯混合，50Hz超声分散80分钟得到；

3)制备氧化石墨烯-碱激发溶液：将135g液体硅酸钠与步骤2)得到的氧化石墨烯-氢氧化钠溶液混合，50Hz超声分散60分钟，形成均匀的氧化石墨烯-碱激发溶液；

4)制备氧化石墨烯-纳米矿物增强型地聚合物材料：将步骤3)得到的氧化石墨烯-碱激发溶液不断搅拌，并加入步骤1)得到的地聚合物反应粉料，混合均匀即得氧化石墨烯-纳米矿物增强型地聚合物材料。

实施例3

1)制备地聚合物反应粉料：将210g偏高岭土、135g粉煤灰、30g粒化高炉矿渣和15g硅酸盐水泥、6g纳米二氧化硅按比例混合搅拌研磨得到；

2)制备氧化石墨烯-氢氧化钠溶液：将15g固体氢氧化钠、30g去离子水、3g氧化石墨烯混合，40Hz超声分散60分钟得到；

3)制备氧化石墨烯-碱激发溶液：将105g液体硅酸钠与步骤2)得到的氧化石墨烯-氢氧化钠溶液混合，40Hz超声分散30分钟，形成均匀的氧化石墨烯-碱激发溶液；

4)制备氧化石墨烯-纳米矿物增强型地聚合物材料：将步骤3)得到的氧化石墨烯-碱激发溶液不断搅拌，并加入步骤1)得到的地聚合物反应粉料，混合均匀即得氧化石墨烯-纳米矿物增强型地聚合物材料。

对比实施例4

1)制备地聚合物反应粉料：将210g偏高岭土、135g粉煤灰、30g粒化高炉矿渣和5g硅酸盐水泥按比例混合搅拌研磨得到；

2)制备氧化石墨烯-氢氧化钠溶液：将15g固体氢氧化钠、30g去离子水、3g氧化石墨烯混合，40Hz超声分散60分钟得到；

3)制备氧化石墨烯-碱激发溶液：将105g液体硅酸钠与步骤2)得到的氧化石墨烯-氢氧化钠溶液混合，40Hz超声分散30分钟，形成均匀的氧化石墨烯-碱激发溶液；

4)制备地聚合物材料：将步骤3)得到的氧化石墨烯-碱激发溶液不断搅拌，并加入步骤1)得到的地聚合物反应粉料，混合均匀即得氧化石墨烯-纳米矿物增强型地聚合物材料。

对比实施例5

1)制备地聚合物反应粉料：将210g偏高岭土、135g粉煤灰、30g粒化高炉矿渣和15g硅酸盐水泥、6g纳米二氧化硅按比例混合搅拌研磨得到；

2)制备氢氧化钠溶液：将15g固体氢氧化钠、30g去离子水混合，搅拌均匀得到；

3)制备碱激发溶液：将105g液体硅酸钠与步骤2)得到的氢氧化钠溶液混合，搅拌均匀得到；

4)制备地聚合物材料：将步骤3)得到的碱激发溶液不断搅拌，并加入步骤1)得到的地聚合物反应粉料，混合均匀即得地聚合物材料。

对比实施例6

1)制备地聚合物反应粉料：将210g偏高岭土、135g粉煤灰、30g粒化高炉矿渣和15g硅酸盐水泥按比例混合搅拌研磨得到；

2)制备氢氧化钠溶液：将15g固体氢氧化钠、30g去离子水混合，搅拌均匀得到；

3)制备碱激发溶液：将105g液体硅酸钠与步骤2)得到的氢氧化钠溶液混合，搅拌均匀得到；

4)制备地聚合物材料：将步骤3)得到的碱激发溶液不断搅拌，并加入步骤1)得到的地聚合物反应粉料，混合均匀即得地聚合物材料。

制得的地聚合物材料力学性能测试结果如表1所示。

表1：地聚合物材料力学性能测试结果

	7天抗压强度(MPa)	7天抗折强度(MPa)
			实施例1	117	22
实施例2	125	26
			实施例3	112	20
对比实施例4	85	16
			对比实施例5	97	13
对比实施例6	62	9

从表1中可以看出，本发明制备的地聚合物材料充分利用氧化石墨烯的自身性能和分散效果，使其与纳米矿物产生协同作用，显著了提高地聚合物材料的韧性和强度。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种氧化石墨烯-纳米矿物增强型地聚合物材料，其特征在于包括以下按重量计的组分：硅铝质矿物原料130-160份，碱激发剂50-70份，纳米矿物2-6份，氧化石墨烯1-3份；所述硅铝质矿物原料为复配材料，包括偏高岭土70-90份、粉煤灰45-60份、粒化高炉矿渣10-20份和硅酸盐水泥5-10份。

2.根据权利要求1所述的氧化石墨烯-纳米矿物增强型地聚合物材料，其特征在于：所述碱激发剂为复配材料，包括液体硅酸钠35-50份，氢氧化钠溶液15-30份。

3.根据权利要求2所述的氧化石墨烯-纳米矿物增强型地聚合物材料，其特征在于：所述氢氧化钠溶液包括固体氢氧化钠5-10份，去离子水10-20份，氢氧化钠浓度应大于等于10mol/L。

4.根据权利要求1所述的氧化石墨烯-纳米矿物增强型地聚合物材料，其特征在于：所述纳米矿物为纳米二氧化硅、纳米氧化铝、纳米硅、纳米粘土中的一种或两种或多种的组合。

5.根据权利要求1所述的氧化石墨烯-纳米矿物增强型地聚合物材料，其特征在于：所述氧化石墨烯厚度为1.0-1.5纳米，延展尺寸为0.5-5微米。

6.一种氧化石墨烯-纳米矿物增强型地聚合物材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)制备地聚合物反应粉料：将70-90份偏高岭土、45-60份粉煤灰、10-20份粒化高炉矿渣和5-10份硅酸盐水泥、2-6份纳米矿物按比例混合搅拌研磨得到；

2)制备氧化石墨烯-氢氧化钠溶液：将5-10份固体氢氧化钠、10-20份去离子水、1-3份氧化石墨烯混合，40-50Hz超声分散60-80分钟得到；

3)制备氧化石墨烯-碱激发溶液：将35-50份液体硅酸钠与步骤2)得到的氧化石墨烯-氢氧化钠溶液混合，40-50Hz超声分散30-60分钟，形成均匀的氧化石墨烯-碱激发溶液；

4)制备氧化石墨烯-纳米矿物增强型地聚合物材料：将步骤3)得到的氧化石墨烯-碱激发溶液不断搅拌，并加入步骤1)得到的地聚合物反应粉料，混合均匀即得氧化石墨烯-纳米矿物增强型地聚合物材料。