CN114573284B - 氧化石墨烯磁定向分散增强水泥基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氧化石墨烯磁定向分散增强水泥基复合材料及其制备方法；复合材料通过如下原料制备而成：水泥、氧化石墨烯、Fe3O4磁性纳米颗粒、减水剂和水；其中，水泥、氧化石墨烯、Fe3O4磁性纳米颗粒和减水剂的质量比为100：（0.02~0.08）：（0.1~0.4）：（0.08~0.16）。本发明通过外加磁场控制氧化石墨烯纳米片在水泥基体中的取向和空间位置，在一定程度上实现了氧化石墨烯在水泥基体中的可控定向分散，并且定向排布的磁性氧化石墨烯对水泥基复合材料力学性能的提高发挥着更大的作用，达到了高效使用氧化石墨烯的目标，降低经济成本，推动氧化石墨烯在实际建筑工程中的应用。

Description

氧化石墨烯磁定向分散增强水泥基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于非金属元素的无机材料技术领域，特别涉及水泥材料，具体为一种氧化石墨烯磁定向分散增强水泥基复合材料及其制备方法。
背景技术
水泥作为混凝土最主要原材料，其生产贡献了全球近10%的二氧化碳排放。考虑到目前水泥基复合材料尚没有很好的替代者，因此增强水泥基复合材料的力学性能和耐久性，提高其使用效率就显得非常迫切。抗压强度高的混凝土，其抗拉强度较差，往往导致脆性破坏。在外部荷载作用下，混凝土内部产生微裂缝，在外部荷载的持续作用下，微裂缝不断融合扩展形成宏观裂缝，最终导致结构脆性断裂。减少有害裂缝、优化孔隙结构是提高水泥基材料性能的关键。
近年来，纳米材料的发展为水泥基复合材料性能的改善提供了宝贵的机遇。纳米材料在改性胶凝基质的不同方面有着广泛的应用，如力学性能和环境影响等。氧化石墨烯是一种新型2D纳米材料，与0D和1D纳米材料相比，具有更大的比表面积和丰富的含氧官能团（-OH、-COOH和C-O-C），能够为水泥的水化提供大量的成核位点，并且其表面丰富的含氧官能团可以促进其与水泥水化产物的相互作用。氧化石墨烯可以提高水泥基复合材料的机械强度和耐久性，因为它可以为水泥水化提供大量的成核位点，并且与水泥水化产物能很好地相互作用。氧化石墨烯的这些卓越的性能可以细化水泥基复合材料的孔隙结构，提高水泥基复合材料的力学性能，并在腐蚀环境中起到物理屏障作用进而提高耐久性（具体参考文献Li X, Liu Y M, Li W G, et al. Constr. Build. Mater, 2017, 145: 402-410.Mohammed A, Sanjayan J G, Duan W H, et al. Constr. Build. Mater, 2015, 84:341-347. Chuah S, Pan Z, Sanjayan J G, et al. Constr. Build. mater, 2014, 73:113-124.）。因此，氧化石墨烯具有增强水泥基复合材料宏观性能和优化微观结构的潜力，是下一代水泥掺合料的候选材料，在建筑行业具有广阔的应用前景。
在目前对氧化石墨烯增强水泥基复合材料的研究中，氧化石墨烯可以随机均匀地分布在水泥基体中。然而，氧化石墨烯相对较高的成本使其很难在实际工程中广泛应用。因此，研究如何在水泥基复合材料中实现氧化石墨烯的高效利用至关重要。纳米材料发挥有效作用的决定性因素在于其分散程度，提高纳米材料增强水泥基复合材料效果的一个关键挑战是团聚。与人造材料相比，天然复合材料(如生物壳和牙齿等)是自然界中独特的增强结构实例，它们已经进化了数亿年，为增强胶凝系统提供了新的和未开发的设计原则。天然材料中的强化不仅包括一维纤维，还包括二维的构建块，如贝壳中发现的碳酸钙血小板和牙齿和骨骼中存在的羟基磷灰石片。为了模拟具有微尺度增强的生物仿生复合材料，近年来人们一直在研究各种控制微尺度增强元素取向的方法。例如专利申请CN103130436A和专利申请CN109400038A提供了使用分散剂、减水剂等化学表面活性剂协助生产氧化石墨烯增强水泥基复合材料的方法，这些方法虽可以在一定程度上改善了氧化石墨烯的分散，但缺点是分散作用十分局限，不能使GO在水泥基复合材料中达到理想的分散效果，并未从根本上解决带负电的氧化石墨烯在含有大量Ca2+的碱性水泥基复合材料中的分散问题。专利申请CN108314380A提出了一种氧化石墨烯-四氧化三铁磁液-水泥基复合材料及其制备的方法，但这种先将水泥与四氧化三铁磁液进行球磨混合之后再加入氧化石墨烯悬浮液的方法不仅对氧化石墨烯的分散效果不尽人意，且工艺繁琐，经济性较差。
此外，在氧化石墨烯增强水泥基复合材料中的现有研究中，氧化石墨烯在水泥基质中的分散是呈随机乱向的。然而，在实际工程中很多结构构件在服役期间，其受力方向往往是固定不变的。若采用传统方法制备乱向分布的氧化石墨烯增强水泥复合材料，仅有小部分氧化石墨烯可以充分发挥其增强作用。因此，如果可以采取某种方法，使2D纳米材料的抗力方向与外部受力方向一致或接近，则可使其充分发挥增强、增韧和抗裂作用，从而提高复合材料的性能。
基于以上分析，为最大化氧化石墨烯在水泥基复合材料中的利用效率，目前亟需开发一种可以实现氧化石墨烯纳米片在水泥基复合材料中有效分散并可控排布的方法，以达到高效改善水泥基复合材料性能的目的，降低经济成本，进而推动氧化石墨烯在水泥基复合材料中的应用推广。
发明内容
本发明目的在于提供一种氧化石墨烯磁定向分散增强水泥基复合材料及其制备方法，旨在解决氧化石墨烯在水泥基体中分散性差、利用效率较低的技术问题。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种氧化石墨烯磁定向分散增强水泥基复合材料，通过如下原料制备而成：水泥、氧化石墨烯、Fe3O4磁性纳米颗粒、减水剂和水。
其中，所述水泥、氧化石墨烯、Fe3O4磁性纳米颗粒和减水剂的质量比为100：（0.02~0.08）：（0.1~0.4）：（0.08~0.16），所述Fe3O4磁性纳米颗粒的质量为氧化石墨烯的5倍；所述复合材料的原料中水灰比为0.5。
上述氧化石墨烯磁定向分散增强水泥基复合材料的制备方法，如下：
（1）磁性氧化石墨烯分散液的制备
磁性氧化石墨烯悬浮液的合成：将磁性Fe3O4纳米颗粒按照GO和Fe3O4的质量比为1:5的比例加入到GO悬浮液中，搅拌备用；
磁性氧化石墨烯分散液的制备：向磁性氧化石墨烯悬浮液中加入减水剂，搅拌后将混合液放入到超声波分散仪中，配合冰浴，进行超声处理后得到均匀分散的磁性氧化石墨烯分散液。
（2）氧化石墨烯水泥基复合材料的制备
将称量好的水泥倒入水泥净浆搅拌机中，加入水，搅拌过程中缓慢加入磁性氧化石墨烯分散液；搅拌结束，将混合物倒入模具中。
（3）氧化石墨烯在水泥基复合材料中的磁定向
水泥基复合材料分三层浇筑在模具中；每层浇筑后振动20~30s，并放置于磁场中，施加磁场诱导定向0.5~1min后取出进行下一层的浇筑；
水泥基复合材料浇筑完毕后盖上聚乙烯薄膜以防止水分蒸发，之后继续放入磁场中静置30min取出。
进一步优选的，步骤（2）中，具体搅拌过程为：搅拌以700r/min的速率开始，搅拌过程中缓慢加入磁性氧化石墨烯分散液，继续搅拌120s后，静止15s，然后再以1400r/min的速率快速搅拌120s。
进一步优选的，步骤（3）中，磁场强度为450Gs。
本发明的有益效果如下：
第一，借鉴大自然中仿生贝壳等自然生物坚硬的“砖-浆”结构，提出利用磁场控制使2D氧化石墨烯纳米片在水泥基材料中可控定向排布的方法。由于氧化石墨烯本身不具有磁感特性无法在磁场中形成定向分布，经磁性Fe3O4纳米颗粒修饰后的氧化石墨烯，具备良好的磁感特性，可以在磁场中发生偏转以实现氧化石墨烯在水泥基体中的可控定向分散，从而达到最大化发挥二维纳米材料增强复合材料效果的目的，实现氧化石墨烯在水泥基材料中的高效利用。
第二，磁性Fe3O4纳米颗粒自身具有良好的力学性能、耐腐蚀性能和铁磁性。磁性Fe3O4纳米颗粒作为0D纳米材料，在水泥基材料中可以起到一定的填充作用，能够细化孔隙结构，发挥增韧机制阻碍裂纹的扩展。
第三，所制备的磁性氧化石墨烯纳米复合材料具有亲水性好，易分散等特点。这是因为磁性Fe3O4纳米颗粒可以在氧化石墨烯片层之间形成“空间位阻”效应。这种杂化的纳米复合材料，解决了其在水泥基碱性环境中易团聚的问题。可以为水泥的水化提供更多的成核位点，促进水泥的水化，填充孔隙结构，增强对微裂缝的桥接作用，使水泥基复合材料的内部结构更加致密。
第四，由于磁性Fe3O4纳米颗粒的附着，使氧化石墨烯的表面粗糙度增加，使之在水泥基体中产生更强的物理摩擦，从而增加了从水泥基体到磁性氧化石墨烯纳米复合材料的有效载荷传递，这可以防止由于氧化石墨烯与水泥基体之间的界面弱粘结（如，氧化石墨烯纳米片从水泥基体中拔出）而产生的有害现象。
本发明设计、制备和研究具有磁性氧化石墨烯水泥基复合材料，通过外加磁场控制氧化石墨烯纳米片在水泥基体中的取向和空间位置，在一定程度上实现了氧化石墨烯在水泥基体中的可控定向分散，并且定向排布的磁性氧化石墨烯对水泥基复合材料力学性能的提高发挥着更大的作用，达到了高效使用氧化石墨烯的目标，降低经济成本，推动氧化石墨烯在实际建筑工程中的应用。
附图说明
图1表示磁性氧化石墨烯分散液的稳定性及其磁感特性示意图。图中（a）为加磁场前：磁性氧化石墨烯稳定的分散液；图中（b）为加磁场后：磁性氧化石墨烯被磁铁所吸引。
图2表示磁性氧化石墨烯分散液在磁场作用下的SEM图。图中（a）为放大5100倍；图中（b）放大1800倍；图中（c）为放大1250倍。从图中明显看到，磁性氧化石墨烯在磁场的作用下可以实现在水溶液中的有序对齐分布。这说明本发明中制备的磁性氧化石墨烯组装良好并且具有对磁场具有很好的感应能力。
图3表示氧化石墨烯（GO）定向分散增强水泥材料的SEM图。图中（a）可以看出，附着有纳米颗粒的氧化石墨烯结构致密，并且在裂缝中起到很好的连接作用；图中（b）（c）（d）为分别放大5000倍、2500倍和10000倍时的微观形貌图，可以在不同尺度视角范围看出，很明显的水泥水化产物在一定程度上表现出顺向排布，这是由于氧化石墨烯可以为水化产物提供成核位点，因此氧化石墨烯的定向也使水化产物具有一定的定向程度。
图4表示为不同氧化石墨烯分散结构增强水泥基复合材料的三点弯曲示意图。图中（a）为不添加氧化石墨烯的纯水泥试样，图中（b）为随机分散的氧化石墨烯增强水泥试样，图中（c）为随机分散的磁性氧化石墨烯增强水泥试样，图中（d）定向排布的磁性氧化石墨烯增强水泥试样。
图5表示样品的配合比在28d后抗折强度数据示意图。
图6表示为不同偏振角下的偏振拉曼示意图。0度代表水泥试样中与磁场平行方向的氧化石墨烯的拉曼光谱强度，90度代表水泥试样中与磁场垂直方向的氧化石墨烯的拉曼光谱强度。可以看出，越是平行于磁场方向，测得的氧化石墨烯的强度越高，说明在越平行于磁场方向，氧化石墨烯排布量越多。拉曼光谱强度表现出各项异性证明了氧化石墨烯成功实现了在水泥试样中的定向排布。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。
一种氧化石墨烯磁定向分散增强水泥基复合材料，原料包括：水泥、氧化石墨烯、四氧化三铁（Fe3O4）磁性纳米颗粒和减水剂、水；其中，水泥、氧化石墨烯、Fe3O4磁性纳米颗粒和减水剂的质量比为100：（0.02~0.08）：（0.1~0.4）：（0.08~0.16），Fe3O4磁性纳米颗粒的质量为氧化石墨烯的5倍，氧化石墨烯磁定向分散增强水泥基复合材料的原料中水灰比为0.5。
本发明使用静电自组装法将Fe3O4磁性纳米颗粒和氧化石墨烯悬浮液进行预混合，以形成Fe3O4磁性纳米颗粒修饰的具备磁响应的磁性氧化石墨烯悬浮液；之后将磁性氧化石墨烯悬浮液与水和减水剂混合，进行分散处理后得到分散稳定的磁性氧化石墨烯分散液；然后将磁性氧化石墨烯分散液与水泥等原材料混合，浇筑到特制的铜模具中；最后，快速将新鲜浇筑的水泥浆试样置于磁场中诱导磁性氧化石墨烯定向排布，制备成具有优异性能的氧化石墨烯磁定向分散增强水泥基复合材料。
上述氧化石墨烯磁定向分散氧化石墨烯增强水泥基复合材料的制备方法，如下：
一、磁性氧化石墨烯分散液的制备
1、磁性氧化石墨烯悬浮液的合成：将磁性Fe3O4纳米颗粒按照GO和Fe3O4的质量比为1:5的比例加入到4mg/L的GO悬浮液中，用玻璃棒手动搅拌3min，备用。
2、磁性氧化石墨烯分散液的制备：向磁性氧化石墨烯悬浮液中加入减水剂，用玻璃棒手动搅拌1min，将混合液放入到超声波分散仪中，配合冰浴（避免在超声处理过程中造成的温度升高对氧化石墨烯分散产生不利影响），超声处理（超声功率90W）10min，得到均匀的分散的磁性氧化石墨烯分散液。
二、氧化石墨烯水泥基复合材料的制备
将称量好的水泥倒入NJ-160A型水泥净浆搅拌机中，加入水，启动机器，搅拌以700r/min的速率开始，搅拌过程中缓慢加入磁性氧化石墨烯分散液，继续搅拌120s后，静置15s，手动刮下搅拌锅边沿的混合物，再以1400r/min的速率快速搅拌120s。
搅拌结束，将混合物缓慢倒入到80mm×20mm×20mm的铜模具中。
三、氧化石墨烯在水泥基复合材料中的磁定向
为保证更好的定向效果，水泥基复合材料分三次浇筑在铜模具中。每次浇筑后振动30s，并放置于磁场强度为450Gs，均匀度为1.23%的螺线管中，施加磁场诱导定向1min后取出进行下一层的浇筑。
水泥基复合材料浇筑完毕后盖上聚乙烯薄膜以防止水分蒸发，后继续放入磁场中静置30min取出。
本实施例中，螺线管和直流励磁电源由长春市英普磁电技术开发有限公司提供。螺线管：产品规格为SL37-400型螺线管，线圈外径210mm，内径75mm，总长度391mm，由纯铜导线绕制；磁场参数为：中心区域磁场强度优于450Gs@3.8A；中心85×25×25mm区域内磁场均匀度为1.23%。直流励磁电源：主要参数为，HCP03-60电磁铁恒流励磁电源；交流输入，单相220V±10%（50Hz/60Hz）；输出电压范围0-60V，输出电流范围0-5A，最大输出功率300W。
需要说明的是，磁场也可以由其他设备提供，保证磁力线轴向与水泥试样的长度方向一致，目的是使得磁性氧化石墨烯尽可能处于水平分布状态，即尽可能平行于磁力线布置。
具体试验方案和结果如下：
样品的配合比
Figure 928845DEST_PATH_IMAGE001
注：样品尺寸为20mm×20mm×80mm。
PC：普通水泥浆样品。
GnC：氧化石墨烯随机分布增强水泥浆样品。
FGnC：磁性氧化石墨烯随机分布增强水泥浆样品。
MFGnC：磁性氧化石墨烯磁定向分布增强水泥浆样品。
其中，n代表氧化石墨烯的含量，如G2为氧化石墨烯占水泥的质量比为0.02%。
上述抗折强度结果表明，当GO含量一定时，样品PC、GC、FGC、MFGC的样品的抗折强度依次增大。可以看出，当氧化石墨烯含量为0.08wt%时，磁性氧化石墨烯定向排布的水泥试样MFG8C的28天抗折强度，相比于普通水泥样品PC、随机分布的氧化石墨烯水泥试样G8C和随机分布的磁性氧化石墨烯水泥试样FG8C，可分别提高约75%、41%和13%。
为进一步对样品中氧化石墨烯的定向程度进行定量表征，使用偏振拉曼光谱分析了MFG8C样品中的氧化石墨烯分布（如图6）。其中不同的角度代表不同的偏振角，如，0度代表水泥试样中与磁场平行方向的氧化石墨烯的拉曼光谱强度，90度代表水泥试样中与磁场垂直方向的氧化石墨烯的拉曼光谱强度。可以看出，越是平行于磁场方向，测得的氧化石墨烯的强度越高，说明在越平行于磁场方向，氧化石墨烯排布量越多。拉曼光谱强度表现出的各项异性证明了氧化石墨烯成功实现了在水泥试样中的定向排布。
本发明根据氧化石墨烯在胶凝基体中的取向和空间分布，评价和讨论了具有氧化石墨烯纳米片不同排列结构的复合材料的力学性能和微观结构，并通过光谱对其定向程度进行了定量表征，针对氧化石墨烯磁定向分散氧化石墨烯增强水泥基复合材料力学强度的改善可以总结为以下几个方面：
（1）氧化石墨烯的加入为水泥的水化提供了大量的成核位点，促进了水泥浆体的水化，细化了孔隙结构，阻碍了裂缝的发展。
（2）纳米材料在水泥内部均匀分散对基体力学性能的有效提高起着关键作用，值得注意的是，尽管通过物理超声和减水剂等化学表面活性剂相结合的方法可使GO在水中分散稳定，但当GO分散在碱性孔溶液中时会立即表现出明显的团聚现象，这是由于在水泥内部基体环境中存在着丰富的Ca2+离子。而磁性氧化石墨烯在水泥碱性孔溶液中的分散具有较高的稳定性，其可能原因包括：a、磁性Fe3O4纳米颗粒可以在GO片层之间产生的“空间位阻”作用；b、附着在GO片上的Fe3O4带有正电荷，可以和溶液中的Ca2+离子产生静电排斥。因此，磁性氧化石墨烯分散液在水泥基质中具有较好的分散性，提高了水泥基复合材料的力学性能。
（3）磁性Fe3O4纳米颗粒的存在增加了GO的表面粗糙度，减少了GO从水泥基体中拉拔现象的发生，改善了GO与水泥基质的界面结合，阻碍了水泥基材料中微裂纹的开展。
（4）通过磁响应实现了GO在水泥基体中的可控定向分布，从而最大化的利用了增韧材料的增强效果。三点弯曲试验表明，氧化石墨烯磁定向分散增强水泥基复合结构的水泥样品（MFGC）的28d强度比氧化石墨烯随机分散增强水泥样品（GC）的强度提高了40%左右。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，其均应涵盖本发明的权利要求保护范围中。

Claims (5)

1.一种氧化石墨烯磁定向分散增强水泥基复合材料，其特征在于：通过如下原料制备而成：水泥、氧化石墨烯、Fe3O4磁性纳米颗粒、减水剂和水；
其中，所述水泥、氧化石墨烯、Fe3O4磁性纳米颗粒和减水剂的质量比为100：（0.02~0.08）：（0.1~0.4）：（0.08~0.16），所述Fe3O4磁性纳米颗粒的质量为氧化石墨烯的5倍；
所述复合材料的原料中水灰比为0.5；
制备方法如下：
（1）磁性氧化石墨烯分散液的制备
磁性氧化石墨烯悬浮液的合成：将磁性Fe3O4纳米颗粒按照GO和Fe3O4的质量比为1:5的比例加入到GO悬浮液中，搅拌备用；
磁性氧化石墨烯分散液的制备：向磁性氧化石墨烯悬浮液中加入减水剂，搅拌后将混合液放入到超声波分散仪中，配合冰浴，进行超声处理后得到均匀分散的磁性氧化石墨烯分散液；
（2）氧化石墨烯水泥基复合材料的制备
将称量好的水泥倒入水泥净浆搅拌机中，加入水，搅拌过程中缓慢加入磁性氧化石墨烯分散液；搅拌结束，将混合物倒入模具中；
（3）氧化石墨烯在水泥基复合材料中的磁定向
水泥试件分三层浇筑在模具中；每层浇筑后振动20~30s，并放置于磁场中，施加磁场诱导定向0.5~1min后取出进行下一层的浇筑；
水泥试件浇筑完毕后盖上聚乙烯薄膜以防止水分蒸发，之后继续放入磁场中静置30min取出。
2.根据权利要求1所述的一种氧化石墨烯磁定向分散增强水泥基复合材料，其特征在于：所述水泥、氧化石墨烯、Fe3O4磁性纳米颗粒和减水剂的质量比为100:0.08: 0.4: 0.16。
3.根据权利要求2所述的一种氧化石墨烯磁定向分散增强水泥基复合材料，其特征在于：步骤（1）中，GO悬浮液的质量浓度为4mg/L。
4.根据权利要求3所述的一种氧化石墨烯磁定向分散增强水泥基复合材料，其特征在于：步骤（2）中，具体搅拌过程为：搅拌以700r/min的速率开始，搅拌过程中缓慢加入磁性氧化石墨烯分散液，继续搅拌120s后，静置15s，然后再以1400r/min的速率快速搅拌120s。
5.根据权利要求4所述的一种氧化石墨烯磁定向分散增强水泥基复合材料，其特征在于：步骤（3）中，磁场强度为450Gs。
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