本发明涉及建筑材料,具体涉及一种有机-无机复合导电水泥基材料及其制备方法和应用。
背景技术:
1、水泥基材料具有力学性能优异、制备过程简单、成本低等特点,是目前使用最为广泛的基础建筑材料。随着经济与社会需求的变化,水泥基材料的智能化成为了研究的热点。研究发现,水泥基材料的导电性是实现水泥基材料机敏性、热敏性等功能的前提。
2、目前,水泥基材料的导电性主要是通过引入导电填料(例如:钢纤维、钢刨花为代表的金属系导电材料;碳纳米管、碳纤维、石墨粉、炭黑等碳系导电材料)来实现,一方面导电填料间直接接触会形成导电通路,另一方面当导电填料不直接接触(要求导电填料间的距离足够小)时电子可以通过隧道效应穿过导电填料间的水化产物,从而可以构成完整的导电通路,最终实现水泥基材料的导电。因此,水泥基材料内部导电通路的构建是实现水泥基材料导电的可靠保证。然而,由于导电填料的组成、密度等与水泥基材料存在显著差异,导电填料易出现分散不均匀甚至团聚现象,此时为了构建导电通路不得不增大导电填料的掺量,而过高的掺量会导致水泥基材料的力学性能显著下降,难以完全满足实际应用要求。
3、因此,开发一种兼具优异的导电性能和优异的力学性能的水泥基复合材料具有十分重要的意义。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种有机-无机复合导电水泥基材料及其制备方法和应用。
2、本发明所采取的技术方案是:
3、一种有机-无机复合导电水泥基材料包括以下质量份的制备原料:
4、胶凝材料:100份;
5、导电水凝胶前驱体溶液:5份~30份;
6、交联剂:0.02份~0.08份;
7、水:25份~50份;
8、所述导电水凝胶前驱体溶液包括以下质量份的组分:
9、水凝胶单体:100份;
10、导电聚合物颗粒:0.5份~2份;
11、引发剂:0.1份~2份;
12、水:50份~180份。
13、优选地,所述胶凝材料为硅酸盐水泥或者硅酸盐水泥与高炉矿粉、钢渣、粉煤灰、石灰石粉末中的至少一种组成的混合物。
14、优选地,所述交联剂为n,n-二甲基丙烯酰胺、n,n'-亚甲基双丙烯酰胺、甲醛中的至少一种。
15、优选地,所述水凝胶单体为丙烯酰胺、丙烯酸钠、乙二醇中的至少一种。
16、优选地,所述导电聚合物颗粒为聚吡咯颗粒。
17、优选地,所述聚吡咯颗粒通过以下方法制成:将聚吡咯水溶液和引发剂水溶液先后滴加到盐酸溶液中,再置于冰浴中反应3h~10h,再进行抽滤、洗涤和干燥,即得聚吡咯颗粒。
18、优选地,所述聚吡咯水溶液中的聚吡咯、引发剂水溶液中的引发剂的质量比为1:0.02~0.10。
19、优选地,所述聚吡咯水溶液中的聚吡咯的数均分子量为8000~12000。
20、优选地,所述引发剂水溶液中的引发剂为过硫酸钾、亚硫酸氢钠中的至少一种。
21、优选地,所述引发剂水溶液的浓度为0.025mol/l~0.050mol/l。
22、优选地,所述盐酸溶液的浓度为0.2mol/l~0.8mol/l。
23、优选地,所述聚吡咯颗粒的粒径为30μm~100μm。
24、优选地,所述引发剂为过硫酸钾、过硫酸铵、硫酸亚铁、亚硫酸氢钠中的至少一种。
25、优选地,所述有机-无机复合导电水泥基材料的电阻率为0.5ω·m~1.5ω·m,抗压强度为35mpa~60mpa,抗折强度为15mpa~25mpa。
26、一种如上所述的有机-无机复合导电水泥基材料的制备方法包括以下步骤:
27、1)将水凝胶单体、导电聚合物颗粒、引发剂和水混匀,得到导电水凝胶前驱体溶液;
28、2)将胶凝材料、导电水凝胶前驱体溶液、交联剂和水混匀,再注入模具进行成型,再脱模后进行高温养护和常温养护,即得有机-无机复合导电水泥基材料。
29、优选地,步骤1)所述混匀的方式为搅拌,搅拌时间为20min~80min。
30、优选地,步骤2)所述混匀的方式为搅拌,搅拌时间为4min~10min。
31、优选地,步骤2)所述高温养护在温度为50℃~85℃的环境中进行,养护时间为2h~8h。
32、优选地,步骤2)所述常温养护在温度为20℃~25℃的环境中进行,养护时间为5天~10天。
33、一种如上所述的有机-无机复合导电水泥基材料在制备压电传感器中的应用。
34、本发明的有益效果是:本发明的有机-无机复合导电水泥基材料兼具优异的导电性能和优异的力学性能,且其制备方法简单、生产成本低,适合进行大规模推广应用。
35、具体来说:
36、1)本发明的有机-无机复合导电水泥基材料中的导电水凝胶网络与水化产物同步形成,构建了互穿网络结构,在保证导电通路分布均匀的同时,水泥基材料的抗折性能得到显著提升;
37、2)本发明的有机-无机复合导电水泥基材料中的导电聚合物网络在水泥基材料中连续分布,有利于电流的通过,从而可以实现高效导电,降低了水泥基材料的电阻率;
38、3)本发明的有机-无机复合导电水泥基材料中的导电水凝胶表面富含羟基、羧基等基团,可以通过氢键与金属阳离子进行螯合,从而增强了导电水凝胶与水泥基体的稳定结合,降低了水泥基材料的力学性能损失。
1.一种有机-无机复合导电水泥基材料,其特征在于,包括以下质量份的制备原料:
2.根据权利要求1所述的有机-无机复合导电水泥基材料,其特征在于:所述胶凝材料为硅酸盐水泥或者硅酸盐水泥与高炉矿粉、钢渣、粉煤灰、石灰石粉末中的至少一种组成的混合物。
3.根据权利要求1所述的有机-无机复合导电水泥基材料,其特征在于:所述交联剂为n,n-二甲基丙烯酰胺、n,n'-亚甲基双丙烯酰胺、甲醛中的至少一种。
4.根据权利要求1~3中任意一项所述的有机-无机复合导电水泥基材料,其特征在于:所述水凝胶单体为丙烯酰胺、丙烯酸钠、乙二醇中的至少一种。
5.根据权利要求1~3中任意一项所述的有机-无机复合导电水泥基材料,其特征在于:所述导电聚合物颗粒为聚吡咯颗粒。
6.根据权利要求5所述的有机-无机复合导电水泥基材料,其特征在于:所述聚吡咯颗粒通过以下方法制成:将聚吡咯水溶液和引发剂水溶液先后滴加到盐酸溶液中,再置于冰浴中反应3h~10h,再进行抽滤、洗涤和干燥,即得聚吡咯颗粒。
7.根据权利要求5所述的有机-无机复合导电水泥基材料,其特征在于:所述聚吡咯颗粒的粒径为30μm~100μm。
8.根据权利要求1~3中任意一项所述的有机-无机复合导电水泥基材料,其特征在于:所述引发剂为过硫酸钾、过硫酸铵、硫酸亚铁、亚硫酸氢钠中的至少一种。
9.一种如权利要求1~8中任意一项所述的有机-无机复合导电水泥基材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
10.一种如权利要求1~8中任意一项所述的有机-无机复合导电水泥基材料在制备压电传感器中的应用。