碳纳米管分散于水泥基材的方法与流程

本发明涉及材料在水泥基材中的分散技术领域，尤其涉及一种碳纳米管分散于水泥基材的方法。

背景技术：

混凝土是土木工程建筑中最关键的材料，对建筑的质量起到核心的作用，但是，混凝土具有脆性较强等特点。

目前一般在合成混凝土过程中添加纤维等或者在混凝土浇筑成型时植入钢筋，通过这两种方法可以有效的提升混凝土的抗拉强度。

碳纳米管作为一种直径约50-100nm，长细比约1000以上的纳米材料。这种碳纳米管材料具有极强的任性，在弯曲任意角度后，当外力消除，均可以恢复原来的状态而不会发生断裂。因此，将碳纳米管加入混凝土中以提高混凝土抗拉强度及韧性，是一项十分具有创意的技术，并具有良好应用前景。已经有研究资料显示，使用碳纳米管加入水泥基材料中，水泥基材料的抗压强度可以提升20％-30％，抗拉伸强度可以提升30％-40％。同时，碳纳米管的引入，可以有效增强混凝土的压敏性能。添加了碳纳米管的混凝土可用于结构受力状况的监测、道路桥梁流量的监测等。

但是，由于碳纳米管直径小，个体之间在范德华力的作用下极易团聚。团聚成为将碳纳米管添加到混凝土中面临的关键问题之一。而且有关的研究表明，碳纳米管的分散效果对水泥基材料力学性能及其他性能的发挥有很大影响。

现今通常采用以下两种方法将碳纳米管掺入混凝土中，其一是在水中加入表面活性剂，以提高碳纳米管在水中的分散性；其二是通过超声波对碳纳米管 悬浊液进行震荡，使其发生足够的分散，并且这两种方法往往同时使用。但是，碳纳米管的分散仍然不理想，主要表现在，分散剂会对混凝土凝胶材料的水化造成不利影响，且超声波的强度和时间比较难以把握，极易造成碳纳米管的断裂。另外，目前的技术条件下，两种方法操作繁琐，不适合大规模的工程实践。

因此，有必要寻找新的碳纳米管分散于水泥基材的方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有碳纳米管在水泥基材中分散存在分散效果不佳、分散不适于工程实践等问题，提供一种碳纳米管分散于水泥基材的方法。

为达到上述发明目的，本发明实施例采用了如下的技术方案：

一种碳纳米管分散于水泥基材的方法，至少包括以下步骤：

步骤s01.在惰性气氛中，将辅助凝胶材料加热至500～1000℃；

步骤s02.向所惰性气氛中通入气态碳源，保持温度500～1000℃，反应生成碳纳米管；

步骤s03.将沉积了所述碳纳米管的所述辅助凝胶材料与水泥基材料进行混料处理。

本发明上述实施例提供的碳纳米管分散于水泥基材的方法，以辅助凝胶材料作为碳纳米管的附着物，碳纳米管生长在辅助凝胶材料表面，碳纳米管与混凝土辅助凝胶材料相互结合，使得碳纳米管不易发生大规模团聚，并且消弱了碳纳米管个体之间的范德华力，因此通过该方法将碳纳米管分散于水泥基材中，获得的碳纳米管具有分散简便快捷、分散效果好、分散质量高、且适合大规模工程实践等优点，为改善建筑工程混凝土的脆性提供了一种行之有效的方案。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例碳纳米管分散于水泥基材的方法碳纳米管在粉煤灰颗粒表面附着状况的sem图；

图2是本发明实施例碳纳米管分散于水泥基材的方法碳纳米管在粉煤灰颗粒表面分布状况的eds图；

图3是本发明实施例碳纳米管分散于水泥基材的方法获得的附着了碳纳米管的粉煤灰颗粒在水泥净浆中的sem图；

图4是本发明对比例碳纳米管在水泥净浆中的sem图；

图5是本发明实施例碳纳米管分散于水泥基材的方法获得的附着了碳纳米管的粉煤灰颗粒在硬化水泥浆体中分布的sem图；

图6是本发明实施例碳纳米管分散于水泥基材的方法获得的附着了碳纳米管的粉煤灰颗粒在硬化水泥浆体中分布的eds图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供一种碳纳米管分散于水泥基材的方法，至少包括以下步骤：

步骤s01.在惰性气氛中，将辅助凝胶材料加热至500～1000℃；

步骤s02.向所惰性气氛中通入气态碳源，保持温度500～1000℃，反应生成碳纳米管；

步骤s03.将沉积了所述碳纳米管的所述辅助凝胶材料与水泥基材料进行混料处理。

其中，在一个优选实施例中，步骤s01先将辅助凝胶材料置于反应容器中，抽出反应容器中的空气，然后向反应容器中充入惰性气体，如氮气、氩气等，反复抽气充气，最后保持反应容器内的惰性气体的压强与外部大气压强一致。

在一个优选实施例中，辅助凝胶材料为粉煤灰、矿粉、硅灰中的任一种。其中辅助凝胶材料的粒径不超过500微米，小于500微米的凝胶材料生成的碳纳米管粒径小，聚集少，有利于使得碳纳米管更加充分的分散于水泥基材中。

在任一实施例中，气态碳源的流量为200～500m³/h。在该流量范围内，结合沉积反应的时间≤60min，可以有效控制碳纳米管的合成量，避免沉积量过大而造成碳纳米管集聚。

在一优选实施例中，为避免气态碳只沉积于辅助凝胶材料的某个部位，在步骤s02进行气态碳沉积时，还需要不断搅动辅助凝胶材料，通过翻动辅助凝胶材料，可有效实现碳纳米管的均匀附着。

步骤s03中，沉积了气态碳的辅助凝胶材料，也就是碳纳米管生长与辅助凝胶材料表面，形成类核壳结构，消弱了碳纳米管个体之间的范德华力。在与水泥基材进行混合时，可以采用机械搅拌，也可以人工搅拌，可以根据实际工程需要合理选择。

本发明上述实施例提供的碳纳米管分散于水泥基材的方法，先采用辅助凝胶材料作为气态碳沉积生成碳纳米管的附着物，使得气态碳生成的碳纳米管附着于辅助凝胶材料表面，实现了碳纳米管与辅助凝胶材料的相互结合，并通过控制气态碳的流量以及反应沉积时间，避免了碳纳米管的大规模团聚，同时还消弱了碳纳米管个体之间的范德华力。当将附着了碳纳米管的辅助凝胶材料与水泥基材进行混合时，可以使得碳纳米管具有良好的分散效果和分散质量。采用本方法将碳纳米管在水泥基材中进行分散，适合用于大规模建筑工程实践中。

为了更好的说明本发明实施例提供的碳纳米管分散于水泥基材的方法，下面通过实施例做进一步的举例说明。

实施例

将粉煤灰置于惰性气体环境中，加热到500-1000℃，然后以300m³/h通入)气态碳源，保持反应温度为500-1000℃，随时翻转搅动粉煤灰，使碳纳米管在粉煤灰颗粒上均匀合成，控制沉积时间为30min。

将生长了碳纳米管的粉煤灰在环境扫描电镜观察，扫描结果详见说明书附图1。

从图1可知碳纳米管有效生长在粉煤灰颗粒表面，粉煤灰颗粒可以作为碳纳米管的附着体。

然后将生长了碳纳米管的粉煤灰进行eds能谱分析，分析结果详见说明书附图2。

从图2可知，碳纳米管主要附着在粉煤灰颗粒表面，极少在其他区域发生集聚。

将本实施例获得的沉积了碳纳米管的粉煤灰掺入水泥基材料中，掺入水后混合搅拌，静置30分钟后，对水泥浆料进行扫描电镜分析，扫描结果详见说明书附图3。

从图3可知，水泥净浆中没有明显的碳纳米管集聚，碳纳米管可以借助修饰后的辅助胶凝材料(粉煤灰)均匀的分散在水泥净浆中。

将本实施例获得的沉积了碳纳米管的粉煤灰掺入水泥中，拌合均匀后加入水进行水化反应，得到硬化水泥浆体。并对获得的硬化水泥浆体进行扫面电镜观察分析，扫描图片如说明书附图5所示。

从图5可知，粉煤灰颗粒均匀分布在硬化水泥浆体中，且粉煤灰发生水化反应后，碳纳米管从粉煤灰颗粒表面脱落，与水泥水化产物连接。对硬化水泥浆体进行eds能谱分析，详见说明书附图6。

从图6可知，在远离粉煤灰颗粒5μm处的水化产物中，存在碳纳米管，可见该分散方法有较好的分散效果。

为了比较本发明实施例提供的碳纳米管分散于水泥基材的方法与常规方法的不同之处，本发明还采用常规方法将碳纳米管分散于水泥基材中。具体是，将碳纳米管在分散剂的作用下溶于水，该过程中使用超声波振荡5-10分钟。并对获得的浆料进行扫描电镜分析，扫描结果详见说明书附图4。

从图4可知，水泥浆料中有明显的碳纳米管集聚的现象，可见该常规方法中碳纳米管并不能很好的分散在水泥浆料里面。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。