[发明专利]一种石墨烯改性水泥基复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开一种石墨烯改性水泥基复合材料及其制备方法。所述石墨烯改性水泥基复合材料包括水泥和用于分散所述水泥的分散液，所述分散液包括水溶性聚合物、石墨烯和去离子水。本发明中，所述石墨烯由石墨经剪切剥离得到，为了提高剪切剥离制备石墨烯的产率，将水溶性聚合物溶于水中，使溶液表面能与石墨烯相匹配。同时，水溶性聚合物可以作为稳定剂，通过吸附在石墨烯表面，在三维空间上阻止石墨烯聚集，使石墨烯稳定分散在水中。采用所述分散液代替水浇注水泥，与普通水泥相比，本发明水泥基复合材料的抗压性能、抗弯强度及导热系数均得到了显著提高，这得益于石墨烯与水溶性聚合物对水泥基材料的协同改性作用。

技术领域

本发明涉及复合材料制备技术领域，尤其涉及一种石墨烯改性水泥基复合材料及其制备方法。

背景技术

石墨烯作为一种单层二维碳质新型纳米材料，自2004年由Geim 与Novoselov首次通过“微机械剥离法”制得以来，便得到广泛的关注与研究。石墨烯一系列优异的性能引起了广泛的关注，并且在石墨烯的制备、功能化和应用方面巨大的成就。迄今为止，石墨烯在超级电容器、生物传感器、燃料电池、薄膜材料等领域得到广泛研究，并在水泥胶凝材料中的应用也有报道。水泥混凝土是最重要的人造建筑材料。水泥胶凝材料在土木工程中的应用数量惊人。为了满足土木工程建设的需求，用于水泥胶凝材料的原材料需具备成本低、制作方法简易等特点。保证混凝土的和易性、强度和耐久性，最大限度地降低成本，是商品混凝土在市场竞争中的首要要求。

石墨烯改性水泥基复合材料的开发不仅可以提高机械性能，而且可以发挥多重功能，促进石墨烯产业的可持续发展。文献表明，少量石墨烯的掺入即可显著改善水泥基材料的性能。但由于石墨烯的产率低、成本相对可观、范德华相互作用导致石墨烯有团聚倾向，阻碍了石墨烯在工业中的广泛应用。因此，石墨烯改性水泥基复合材料大多采用氧化石墨烯(GO)。氧化石墨烯表面附有丰富的官能团，削弱了各层之间的范德华相互作用，使其具有亲水性，更容易在水泥基质中分散。吕生华课题组报道，当按水泥重量比0.03%的氧化石墨烯加入水泥时，其在28d时的拉伸和弯曲强度分别提高78.6%和60.7%。氧化石墨烯含量为0.05%，抗压强度提高47.9%。机械性能的增强被解释为由于氧化石墨烯的加入，导致韧性的增强。李翔宇的团队也报道了0.04%的氧化石墨烯由于降低了二次吸附率而使得拉伸强度提高了67%。胡云行团队也报道了当氧化石墨烯掺量为0.5%时，水泥基复合材料抗压强度提高35.7%；当微波固化与氧化石墨烯掺杂作用时，水泥基材料抗压强度提高126.6%。然而，氧化石墨烯并不是一种理想的水泥基改性材料，它还存在一些重要的缺陷：氧化物的存在导致导电性差，其力学性能和导热性能无法与石墨烯相比；氧化程度的不确定性提高了掺氧化石墨烯胶凝材料的不均匀性；氧化石墨烯的制造过程一般需要大量的强酸，这使得其成本居高不下，阻碍了其大规模应用。

目前石墨烯的制备方法主要有外延生长法、化学气相沉积(CVD)、微机械剥离法、氧化还原法和液相剥离法等。在上述方法中，对石墨烯不同制备方法的生产速率进行了分析，得到在十二烷基硫酸钠(SDS)的存在下，湿法搅拌介质铣削的最大生产速率为1.5-2.5g/h，CVD最高生产速率为1.0g/h，而在液相剥离法生产速率能达到5.3 g/h。制备大量的、稳定的石墨烯水相分散液是制备石墨烯改性水泥基复合材料的前提。液相剥离法是现阶段石墨烯产率最高的一种制备方法，有望成为可行的石墨烯实际工业应用的制备工艺。为了提高产率，溶液的表面能与石墨烯相近(46.7mN/m)时，可作为良好的分散介质剥离石墨制备石墨烯，由此制得的石墨烯颗粒通常由表面活性剂分子稳定，如SDS和胆酸钠，以及聚合物。Craciun课题组在表面活性剂胆酸钠的辅助下，通过液体剥离法制备了石墨烯。用表面活性剂功能化石墨烯制备了改性混凝土试块，并进行了测试。结果表明，混凝土的抗压强度、抗弯强度和透水性能均有较大提高。而表面活性剂在水泥中的作用及改性机理尚未揭示；且胆酸钠的掺入大大增加了胶凝材料的总成本，不适合大规模应用。鉴于上述原因，有必要开发一种低成本、易操作、能大量制备石墨烯水相分散液的方法。

因此，现有技术仍有待于改进和发展。

发明内容