用固态碳源制备石墨烯包覆水泥填料的生产工艺的制作方法

本发明涉及水泥填料(例如，砂石、矿渣等)复合材料制备技术领域，具体来讲，涉及一种用固态碳源制备石墨烯包覆水泥填料的生产工艺。

背景技术：

当前世界工业发展迅速，对水泥，尤其是高性能、高强度的水泥的需求一直居高不下。所以水泥的改性研究一直是当前热门课题，其中石墨烯改性水泥复合材料是其主流技术之一。然而，现有的类石墨烯或石墨烯水泥填料改性技术大多是将其分散在水泥中。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。例如，本发明的目的之一在于提供一种新的用石墨烯包覆水泥填料的生产工艺。

为了实现上述目的，本发明提供了一种用固态碳源制备石墨烯包覆水泥填料的生产工艺，所述工艺包括以下步骤：将水泥填料在浸润液中浸润，形成浸润料，其中，浸润液含有固态碳源；对所述浸润料进行第一次加热并控制加热温度不高于350℃，形成初步固化物料；对所述初步固化物料在惰性气氛下进行第二次加热并控制加热温度在500～900℃范围内，反应充分后，获得石墨烯包覆水泥填料。

在本发明的生产工艺的一个示例性实施例中，所述生产工艺可通过用固态碳源制备石墨烯包覆水泥填料的生产装置来实现，所述生产装置包括浸润单元、脱水固化单元、气氛转换单元和反应单元，其中，所述浸润单元包括加料口、浸润池和物料提升机构，其中，所述加料口用于向所述浸润池中加入水泥填料，所述浸润池容纳以固态碳源形成的浸润液，所述物料提升机构具有伸入浸润池的前端和与脱水固化单元连接的后端，以将浸润后的物料从浸润池输送至脱水固化单元；所述脱水固化单元具有第一加热部件、脱水固化腔和设置在脱水固化腔上的第一进料口和第一出料口，其中，所述第一加热部件对通过第一进料口进入脱水固化腔中的浸润后的物料进行加热以形成初步固化物料；所述气氛转换单元具有换气腔、设置在换气腔上的第一惰性气体进口和第一出气口、以及设置在换气腔上的第二进料口和第二出料口，其中，所述第二进料口与所述第一出料口连接以将初步固化物料接收至换气腔，所述第一惰性气体进口向换气腔提供惰性气体；所述反应单元包括第二加热部件、反应腔、设置在反应腔上的第三进料口和第三出料口、以及设置在反应腔上的第二惰性气体进口和第二出气口，其中，所述第三进料口与第二出料口连接以从换气腔中将初步固化物料接收至反应腔，所述第二惰性气体进口向反应腔内提供惰性气体，所述第二加热部件对反应腔内的初步固化物料进行加热，以形成类石墨烯包覆的水泥填料。

与现有技术相比，本发明的生产工艺的有益效果包括以下内容中的一项或多项：能够实现石墨烯包覆水泥填料的连续大批量生产；能够提高包覆效率；有利于获得良好的包覆质量。

附图说明

图1示出了本发明的一个示例性实施例的工艺流程图。

图2示出了本发明的生产工艺的一个示例性实施例所对应的生产装置的结构示意图。

图3中的a至c示出了标准砂的电子显微图片；图3中的d至f示出了本发明一个示例性实施例制备得到的石墨烯包覆标准砂的电子显微图片。

附图标记说明如下：

加料单元10、物料输送机构11、浸润单元20、物料提升机构21、浸润池22；脱水固化单元30、第一加热部件31、脱水固化腔32；气氛转换单元40、换气腔41；反应单元50、第二加热部件51、反应腔52；降温单元60、存储出料单元70。

具体实施方式

在下文中，将结合示例性实施例来详细说明本发明的用固态碳源制备石墨烯包覆水泥填料的生产工艺。

图1示出了本发明的一个示例性实施例的工艺流程图。如图1所示，在本发明的一个示例性实施例中，用固态碳源制备石墨烯包覆水泥填料的生产工艺可由浸润步骤、第一加热步骤和第二加热步骤构成。

具体来讲，浸润步骤通过将水泥填料在浸润液中浸润来形成被浸润液充分包裹的水泥填料，即为浸润料。其中，浸润液含有作为碳前躯体的固态碳源。优选地，浸润液含有过量的固态碳源。例如，浸润液可通过将固态碳源与诸如水、有机溶液或水和有机溶液的混合液的液相充分混合而形成。固态碳源可以为蔗糖、葡萄糖、柠檬酸、多巴胺和沥青中的一种或多种。这里，固态碳源也包括看似流动态的碳源，如沥青液等。水泥填料可以为诸如沙石、砂石和/或矿渣等能够与水泥混合并作为填料的物料。

第一加热步骤对浸润料进行加热，并控制加热温度不高于350℃，以去除浸润料的水分并对包裹在水泥填料表面的碳前躯体进行固化，从而使碳前驱物均匀紧密地附着在水泥填料表面上，进而获得初步固化物料。优选地，将第一加热步骤的温度控制在100～300℃的范围内。

第二加热步骤对初步固化物料在惰性气氛下进行加热，并控制加热温度在500～900℃范围内，反应充分后，获得石墨烯包覆水泥填料。第二加热步骤能够实现碳的前驱体向石墨烯的转化，以形成类石墨烯包覆的水泥填料(也可称为石墨烯包覆水泥填料)。优选地，将第二加热步骤的温度控制在650～800℃的范围内。此外，在第二加热步骤中，可控制惰性气氛的压强为0.1～0.5mpa，以形成有利于反应的高压环境。

在本发明的另一个示例性实施例中，用固态碳源制备石墨烯包覆水泥填料的生产工艺可在上述示例性实施例的基础上，进一步包括气氛转换步骤和/或降温步骤。

具体来讲，气氛转换步骤可设置在所述第一次加热步骤与所述第二次加热步骤之间，且能够通过诸如氮气或氩气等惰性气体替换围绕在由第一次加热步骤形成的初步固化物料周围的空气和其它气体。这里，其它气体也可称为杂质气体。气氛转换步骤能够用惰性气体作为初步固化物料的保护气体，获得稳定的气氛环境，有利于促进随后进行的第二加热步骤中的反应稳定、顺利进行，且有利于促进大规模连续生产。

降温步骤设置在第二次加热步骤之后，对反应所形成的石墨烯包覆水泥填料进行降温处理。降温单元能够使反应制得的具有较高温度的石墨烯包覆水泥填料缓慢降温，从而得到具有合适温度的石墨烯包覆水泥填料产品。优选地，降温步骤还可包括余热利用步骤，以对反应制得的具有较高温度的石墨烯包覆水泥填料所携带的剩余热量进行回收利用。

图2示出了本发明的生产工艺的一个示例性实施例所对应的生产装置的结构示意图。如图2所示，在本发明的一个示例性实施例中，本发明的生产工艺的一个示例性实施例所对应的生产装置可包括加料单元10、浸润单元20、脱水固化单元30、气氛转换单元40、反应单元50和降温单元60。

加料单元可与浸润单元连接，以将水泥填料提供至浸润单元。如图2所示，加料单元10可以包括设置在浸润单元的浸润池上方的物料输送机构11，该物料输送结构可将诸如沙石、砂石和/或矿渣等可与水泥混合的填料输送至浸润池的浸润液中。

浸润单元20可包括加料口、浸润池22和物料提升机构21。其中，加料口可设置在浸润池上方，以向浸润池中加入水泥填料。浸润池可容纳以固态碳源形成的浸润液。此外，浸润池可具有补液口。浸润液可通过将诸如蔗糖、葡萄糖、柠檬酸、多巴胺、沥青等固态碳源与诸如水、有机溶液、水与有机溶液的混合液等液相充分混合而形成。这里，固态碳源也包括看似流动态的碳源，如沥青液等。优选地，浸润液含有过量的碳源(或称碳前驱物)。物料提升机构可具有能够伸入浸润池的前端和与脱水固化单元连接的后端，以将浸润后的物料(亦可称为浸润料)从浸润池输送至脱水固化单元。例如，物料提升机构可以为轮带式传送机构。

脱水固化单元30可具有第一加热部件31、脱水固化腔32和设置在脱水固化腔上的第一进料口和第一出料口。其中，第一加热部件对通过第一进料口进入脱水固化腔中的浸润料进行加热，以去除浸润料的水分并对碳前躯体进行固化，从而使碳前驱物均匀紧密地附着在水泥填料表面上，进而获得初步固化物料。第一加热部件能够将脱水固化腔内的温度控制为不超过350℃，优选地，将脱水固化腔内的温度控制在100～300℃的范围内。

气氛转换单元40具有换气腔41、设置在换气腔上的第一惰性气体进口和第一出气口、以及设置在换气腔上的第二进料口和第二出料口。其中，第二进料口与第一出料口连接，以将初步固化物料从脱水固化腔接收至换气腔。第一惰性气体进口与惰性气体气源连接，并能够向换气腔提供诸如氮气或氩气等惰性气体作为换气腔的保护气体，从而排出初步固化物料在进入换气腔时携带或带入的空气和其它杂质气体，进而在换气腔中获得稳定的气氛环境。

反应单元50可包括第二加热部件51、反应腔52、设置在反应腔上的第三进料口和第三出料口、以及设置在反应腔上的第二惰性气体进口和第二出气口。其中，第三进料口可与第二出料口连接，以从换气腔中将具有稳定的保护气体环境的初步固化物料接收至反应腔。第二惰性气体进口可与惰性气体气源连接，并向反应腔内提供诸如氮气或氩气等惰性气体。第二惰性气体进口可将反应腔内的压强控制为0.1～0.5mpa的高压环境。第二加热部件能够对反应腔内的初步固化物料进行加热。从而，反应腔可在高温高压惰性气氛环境下实现碳的前驱体向石墨烯的转化，以形成类石墨烯包覆的水泥填料(也可称为石墨烯包覆水泥填料)。第二加热部件能够将反应腔内的温度控制在500～900℃的范围内，优选地，可控制在680～800℃的范围内。

降温单元60可设置在反应单元之后，并与第三出料口连接，以接收从反应腔排出的石墨烯包覆水泥填料。如图2所示，降温单元可以为具有一定坡度且能够缓慢降低温度的倾斜腔道。降温单元能够使从反应腔排出的具有较高的温度的石墨烯包覆水泥填料缓慢降温，从而得到具有合适温度的石墨烯包覆水泥填料产品。

如图2所示，脱水固化腔、换气腔、反应腔和降温单元可一体化成型。另外，脱水固化腔、换气腔、反应腔和降温单元各自的位置也可沿竖直方向依次降低，相当于脱水固化腔、换气腔、反应腔和降温单元呈逐渐降低的高度梯度，从而便于设备的安装、控制且有利于物料的连续化输送，进而能够实现类石墨烯包覆水泥填料的大批量连续生产，也能降低能耗。另外，第一阀门可设置在脱水固化腔与换气腔之间。第二阀门可设置在换气腔与反应腔之间。第三阀门可设置在反应腔与降温单元之间。阀门可以为自动控制型阀门，以便于整个生产装置的连续自动控制。然而，本发明不限于此。例如，脱水固化腔、换气腔、反应腔和降温单元中任意彼此连接的两者或三者也可一体化形成。例如，脱水固化腔、换气腔、反应腔和降温单元的位置也可无严格的高低要求，而是通过设置在各单元之间送料机构来实现各单元之间的物料输送。

如图2所示，所述生产装置还可进一步包括设置在脱水固化腔内的第一物料传送机构、设置在换气腔内的第二物料传送机构、以及设置在反应腔内的第三物料传送机构中。通过这些物料传送机构的设置，有利于实现本发明的生产装置的连续化、自动化和/或系统化运行。

此外，如图2所示，本示例性实施例所对应的生产装置还可包括设置在降温单元下方的存储出料单元70。存储出料单元可包括出料池和出料传送机构。

图3中的a至c示出了标准砂的电子显微图片；图3中的d至f示出了本发明一个示例性实施例得到的石墨烯包覆标准砂的电子显微图片。该示例性实施例中，用蔗糖水溶液浸润标准砂；然后，在240±10℃温度条件下加热，加热时间为1h；随后进行气氛转换，以氮气作为惰性气体；然后，在790±10℃的氮气气氛下，反应2h，得到包覆后的样品。通过将图3中的a至c与图3中的d至f相对比，可以看出该样品的标准砂表面很好的包覆上了一层石墨烯。

本发明的生产工艺能够实现石墨烯包覆水泥填料的连续大批量生产，可提高包覆效率，有利于获得良好的包覆质量。

具体来讲，对于本发明的生产工艺所制备得到的石墨烯包覆水泥填料产品而言，由于填料表面包覆石墨烯，因此在随后使用该石墨烯包覆水泥填料产品进行浇注或施工过程中，水泥将在表面更加平整、结构更加致密的石墨烯层上结晶生长，结晶性能得到明显提高，由此结晶、生长的水泥，结构更加紧密、缺陷更少，强度得到显著增强。

另外，混凝土材料本质上为一种非均匀的多孔材料，容易被co2、h2o、cl^-、硫酸盐等介质侵蚀，而对于本发明的生产工艺所制备得到的石墨烯包覆水泥填料产品而言，其石墨烯包覆层能够覆盖填料的表面缺陷和内部裂纹，减少上述有害介质渗入填料内部，有利于提高混凝土结构的耐腐蚀性能。另外，经过石墨烯表面包覆的填料，其具有更加光滑平整的表面，在水泥中具有更好的流动性，从而有利于提高水泥基材料在不同环境体系中的分散性。此外，石墨烯包覆于水泥填料后，使水泥颗粒显示电性能，从而避免静电作用使水泥颗粒容易被分散，另外，减少混合过程中水的添加，起到减水剂的作用。

尽管上面已经结合示例性实施例及附图描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。