[发明专利]用于水泥基复合材料的改性氧化石墨烯少片层水相均匀分散液及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了用于水泥基复合材料的改性氧化石墨烯少片层水相均匀分散液及其制备方法和应用，改性氧化石墨烯少片层水相均匀分散液由以下材料按照质量份组成：质量分数为0.2%的氧化石墨烯片层分散液100~200份、插层聚合单体5~8份、共聚单体10~15份，引发剂0.2~0.5份，碱性物质1~2份。本发明还公开了改性氧化石墨烯少片层水相均匀分散液的制备方法，创新之处在于通过插层作用、模板效应及接枝聚合制备了少片层（1~3单片层聚集体）氧化石墨烯纳米片层均匀分散液，将其与拌合水混合掺入到水泥基复合材料，用于制备大规模密实规整微观结构的大体积工程用水泥基复合材料，抗压强度和抗折强度分别提高56%~125%和72%~137%，同时，水泥复合材料结构密实抗渗透和抗裂缝的能力强。

技术领域

本发明属于氧化石墨烯功能材料及建筑材料领域，具体涉及一种用于水泥基复合材料的改性氧化石墨烯少片层水相均匀分散液及其制备方法。

技术背景

氧化石墨烯作为石墨烯的衍生物，既具有石墨烯主要的结构和性能特征，如大比表面积、超高强度和传热导热等性能，同时具有自己独特的结构和性能，如在氧化石墨烯纳米片层上含有大量的功能基团如羧基、羟基和环氧基，使得氧化石墨烯具有亲水性，容易在水相中形成纳米片层状分散体。同时由于氧化石墨烯纳米片层之间的分子间作用力导致了氧化石墨烯纳米片层在水相体系中是以纳米片层的聚集体、凝聚体状态存在，在水相体系中分散不均匀，具有较大的尺寸，其厚度在5~30nm、平面尺寸在200~1000nm。

氧化石墨烯纳米片层的性质决定了其可用于在制备过程中具有水相体系的复合材料的增强增韧，如氧化石墨烯纳米片层可用于水泥基复合材料，具有用量少、可以改变微观结构、增强增韧效果显著等特点。但是氧化石墨烯由于其大比表面积及其纳米效应，使得氧化石墨烯纳米片层在水相体系中容易形成聚集、凝聚现象，所形成的水相分散体及复合材料中往往形成的是多片层聚集体或者凝聚体，不能实现氧化石墨烯少片层或者单片层在水泥基复合材料中的均匀分散及分布，因此，氧化石墨烯纳米片层的分散及分布对其增强增韧效果有很大的影响。

目前，要使氧化石墨烯在使用环境下形成少片层（1~3个单片层聚集体）均匀分散是一件非常困难的事情。目前的主要解决方法是加强搅拌作用及使用分散剂，常用的分散剂有表面活性剂如十二烷基磺酸钠或者聚合物型分散剂。但这些都不能解决并实现氧化石墨烯纳米片层在所使用的材料中实现少片层均匀的分散，因此限制了氧化石墨烯的应用。这些问题可以通过对氧化石墨烯表面进行改性来解决，氧化石墨烯的表面改性主要是在氧化石墨烯纳米片层表面接枝上亲水基团及形成大体积聚合物分子链，增加活性基团，提高亲水性及空间位阻，通过空间位阻及片层之间同种离子之间的斥力达到分离分散成少片层氧化石墨烯纳米片层稳定的分散体系，为将氧化石墨烯纳米片层以少片层均匀分散在水泥基体中提供技术保证。本发明专利根据氧化石墨烯的化学结构和分子形状，选择适当的单体，通过插层作用、模板效应和接枝共聚合，创造性地解决了氧化石墨烯纳米片层容易聚集凝聚及分散不均匀的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于水泥基复合材料的改性氧化石墨烯少片层水相均匀分散液及其制备方法。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

用于水泥基复合材料的改性氧化石墨烯少片层水相均匀分散液，其特征在于，由以下材料按照质量份制成：氧化石墨烯含量为0.2%的氧化石墨烯纳米片层分散液100~200份、插层聚合单体5~8份、共聚单体10~15份，引发剂0.2~0.5份，碱性物质1~2份。

所述的氧化石墨烯纳米片层分散液通过改性Hummer法制备，其厚度为3.3~9.6nm、平面尺寸为335.6~854.5 nm，分散液的pH值为6~7。

所述的插层聚合单体是工业级纯度大于99.9%的的N-乙烯基吡咯烷酮、3-甲基-1-乙烯基吡唑、N-乙烯基咪唑中的一种或者多种。