CN113292269A - 一种防止重团聚的碳纳米管水泥砂浆制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种防止重团聚的碳纳米管水泥砂浆制备方法，通过化学再分散的方法，将碳纳米管水分散液进行再分散后，通过先进的水泥砂浆变速拌合工艺，将碳纳米管均匀加入水泥砂浆。主要包括以下步骤：(1)将PVP和碳纳米管水分散液加入60％‑85％用量的拌合水中稀释，在高速分散机中搅拌10‑30min；(2)在干拌均匀的粉料中，加入稀释后的碳纳米管水分散液，低速拌合0.5‑2min，中速拌合0.5‑2min，高速拌合3‑5min；(3)再将剩下15％‑40％用量的拌合水全部加入，先中速拌合0.5‑2min，再高速拌合1‑2min至形成工作性良好的浆体。用该方法制备的水泥砂浆中的碳纳米管分散性明显提高，该制备工艺符合了参数的内在耦合规律，从而在水泥砂浆配合比不变的情况下，获得水泥砂浆抗压强度的显著提高。

Description

一种防止重团聚的碳纳米管水泥砂浆制备方法
技术领域
本发明涉及水泥砂浆领域，具体涉及一种掺加碳纳米管的水泥砂浆的制备方法，可以有效解决碳纳米管的重团聚问题，进一步提高碳纳米管水泥砂浆的力学性能。
背景技术
碳纳米管(CNT)是理想的增强材料，近年来在水泥基复合材料领域受到了广泛的关注和应用。碳纳米管(CNT)在水泥基复合材料中的分散性是影响CNT水泥基复合材料性能的一个关键性因素。由于CNT比表面积高达200m2g-1会产生管间强的范德华作用，容易团聚成难以分散的沉淀物，最终造成CNT在水泥基复合材料中分散很不均匀。高掺量CNT在基体中更容易形成束状缠绕的团聚体，从而在基体中形成内部缺陷，影响水泥基材料的力学性能。上述因素限制了CNT作为水泥复合材料理想增强材料的使用效果。CNT的分散问题成为其为水泥基材料微观增强增韧的瓶颈。
将CNT直接加入水泥浆体极易导致分散不均。将碳纳米管分散至水泥浆体，通常需要两步，先将CNT预分散至水溶液中，然后再通过合理的搅拌将分散液中的CNT分散到基体中。对于第一步，目前CNT常用的分散方法有超声分散、研磨分散、添加分散剂等方法。事实上，在第一步和第二步之间，碳纳米管在分散至水溶液后，在贮存、运输的过程中，由于其本身强大的表面能和小的质量，很容易重新再次互相吸引团聚。
重团聚不仅带来材料的微观缺陷，更大的问题是，重团聚的程度会随着碳纳米管的种类、浓度、静置时间、所处环境等的变化而变化，这些因素为实验研究带来了复杂的变量。面临以上问题，提出有效的解决重团聚的方法非常有必要。一方面需要尽量避免重团聚，另一方面需要采用先进的水泥浆体拌合工艺，保证实验的可靠性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种防止重团聚的碳纳米管水泥砂浆制备方法。将碳纳米管分散至水泥浆体，通常需要两步，先将CNT预分散至水溶液中，然后再通过合理的搅拌将分散液中的CNT分散到浆体中。本发明针对CNT加入到水泥浆体的拌合工艺，提出再分散方法的关键步骤。
根据本发明的第一个方面。针对CNT制备的水分散液在静置过程中会不断发生重团聚的问题，本发明采用再分散的方法，加入分散助剂再次分散重团聚的CNT水分散液。在CNT水分散液中加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，PVP质量分数为分散液中CNT质量分数的1-5倍。用搅拌机搅拌均匀，搅拌速度为500-1000r/min，搅拌时长优选为10-30min。经过以上再分散处理的CNT水分散液，分散效果可以维持20天以上。
具体地，分散效果测试方法用紫外分光光度计测试。峰值处吸光度越高，分散性越好。经过以上再分散处理的水分散液，20天以内的吸光度不会比制备当天测得的吸光度低，即静置20天内分散效果不会比当天差，20天以后即使出现重团聚问题，重团聚问题也比同等情况下不作再分散处理的分散液减轻。
根据本发明的第二个方面。本发明提出一种新的添加PVP的变速拌合工艺，维持，本发明采用的技术方案：
一种防止重团聚的碳纳米管水泥砂浆制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)将PVP和碳纳米管水分散液加入60％-85％用量的拌合水中稀释，在高速分散机中搅拌10-30min；
(2)在干拌均匀的粉料中，加入稀释后的碳纳米管水分散液，低速拌合0.5-2min，中速拌合0.5-2min，高速拌合3-5min。
对于粉料的干拌，可以将称好的粉料(包括水泥、砂、外加剂等)加入混凝土搅拌机中，干拌2min。
优选地，所述低速的转速为30-90r/min，所述中速的转速为120-300r/min，所述高速的转速为310-600r/min。
对于以上所述的搅拌时间范围，是一种取得所需技术效果所需的时间，在操作时，适当延长时间也是可行和不排斥的，属于与上述时间范围等同的手段。
本发明针对CNT水分散液的重团聚问题，提出一种再分散CNT的方法，基于再分散方法提出防止重团聚的碳纳米管水泥砂浆的制备方法，可为实验和工程实践提供碳纳米管分散均匀的碳纳米管水泥砂浆。
附图说明
图1为加入PVP再分散和对照组静置后吸光度-静置时长曲线。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应理解，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。
针对第一步，为了表征本发明再分散方法的有效性，设计对照试验：实验组(命名为PVP组)原材料为5％CNT水分散液，加入2倍CNT质量分数的PVP，分为等体积的两组，分别用磁力搅拌机搅拌30、150min后，稀释至16.7mg/L后静置，分别命名为PVP-30min组和PVP-150min组，定时测试吸光度。为确保变量单一，再设置对照P0组，原材料为5％CNT水分散液，不加PVP，分为等体积的两组，仅分别用磁力搅拌机搅拌30、150min，稀释至16.7mg/L后静置，分别命名为P1-30min组和P1-150min组，定时测试吸光度。
图1是两组分散液静置后吸光度与静置时长的关系曲线。P1-30min组和P1-150min组显示，普通碳纳米管水分散液随静置时间的增长，分散程度逐渐降低，重团聚现象越来越明显。而且对比P1-30min组和P1-150min组，发现普通分散液的分散程度和搅拌时间有明显的关系，两组的分散性下降速率相近，曲线接***行，随着静置时间的增长，P1-150min组始终比P1-30min组的分散性好。
而经过本发明再分散方法的PVP组，在静置的前一段时间内，吸光度不但没有降低，反而增长，搅拌150min的组比搅拌30min的组吸光度增长速率快；在静置的30天以内，分散性都高于初始分散性；随着静置时间的增长，搅拌150min的组和30min的组分散性趋于相同，说明即使搅拌较短的时间，使用本发明再分散方法的CNT水分散液也能很好地避免重团聚问题。
针对第二步，实施例采用本发明工艺提出的碳纳米管水泥砂浆制备方法，具体实施方式如下：
(1)将PVP和碳纳米管水分散液加入80％用量的拌合水中稀释，在高速分散机中搅拌10min；
(2)将称好的粉料(包括水泥、砂、外加剂等)加入可调速搅拌机中，干拌2min，拌合速度为60r/min；
(3)干拌均匀后，加入稀释后的碳纳米管水分散液，低速(60r/min)拌合1min，中速(150r/min)拌合1min，高速(300r/min)拌合5min；
(4)再将剩下20％用量的拌合水全部加入，先中速拌合1min，再高速拌合1min至形成工作性良好的浆体。
为了表征本发明砂浆拌合工艺的有效性，设计四组试验(不使用本发明提出的PVP与碳纳米管拌合工艺)与本发明对照，分别为：不加入PVP组(命名为C组)，加入PVP组(命名为P组)。C组和P组采用的水泥砂浆配方相同，均加入水泥砂浆质量分数0.4wt.％的碳纳米管。P组另外加入2wt.％的PVP。具体搅拌工艺方法见表1。如表1所示，C组和P组均分为两组，分别使用传统匀速拌合工艺和本发明提出的变速拌合工艺。关于添加PVP的方法，P-0组所用工艺是干拌工艺，P-1组所用工艺是本发明提出的将PVP加入碳纳米管水分散液中的方法。
表1实施例各对照组碳纳米管水泥砂浆制备工艺
加入PVP方法 匀速搅拌 变速搅拌
不加PVP C-0 C-1
干拌工艺 P-0 P-1
各对照组具体实施方式如下：
C-0组：
(1)将碳纳米管水分散液加入80％用量的拌合水中稀释，在高速分散机中搅拌10min；
(2)将称好的粉料加入混凝土搅拌机中，匀速干拌2min，拌合速度为60r/min；
(3)干拌均匀后，加入稀释后的碳纳米管水分散液，匀速拌合7min，拌合速度为60r/min；
(4)再将剩下20％用量的拌合水全部加入，匀速拌合2min,拌合速度为60r/min。
C-1组：
步骤(1)同C-0组；
(2)将称好的粉料(包括水泥、砂、外加剂等)加入可调速搅拌机中，干拌2min，拌合速度为60r/min；
(3)干拌均匀后，加入稀释后的碳纳米管水分散液，低速(60r/min)拌合1min，中速(150r/min)拌合1min，高速(360r/min)拌合5min；
(4)再将剩下20％用量的拌合水全部加入，先中速拌合1min，再高速拌合1min至形成工作性良好的浆体。
P-0组：
(1)将碳纳米管水分散液加入80％用量的拌合水中，在高速分散机中搅拌10min；
(2)将称好的粉料和2wt.％的PVP加入混凝土搅拌机中，匀速干拌2min，拌合速度为60r/min；
步骤(3)-(4)同C-0组。
P-1组：
步骤(1)-(2)同P-0组；
步骤(3)-(4)同C-1组。
将各组搅拌好的砂浆拌合物倒入模具中，放在振动台上固定好后开启振动台1min，抹平，养护24h拆模。拆模后移至标准养护室中，在水中浸泡养护。
试件养护28天后，在INSTRON 8802试验机上进行水泥砂浆抗压强度试验。每组三个试件，加载速率为0.5mm/min。每组试验得出的结果取三个试件的平均值。各组试件抗压强度值见下表。
表2各组试样抗压强度值和增量
Figure BDA0002390834030000061
发现采用本发明拌合工艺的试件抗压强度显著提高(比其他对照组提高了30％左右)。这说明，在防止重团聚的碳纳米管水泥砂浆搅拌工艺中，有三个重要参数，分别是：为防止重团聚添加PVP的思路、添加PVP的工序、水泥砂浆的变速搅拌工艺。本发明提出的制备工艺符合了参数的内在耦合规律，从而在水泥砂浆配合比不变的情况下，获得水泥砂浆抗压强度的显著提高。
以上对本发明做了详尽的描述，以上实施例所述仅为本发明的较佳实施例，用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的任何修改、等效变化或改进，均应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种防止重团聚的碳纳米管水泥砂浆制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)将PVP和碳纳米管水分散液加入60％-85％用量的拌合水中稀释，在高速分散机中搅拌10-30min；
(2)在干拌均匀的粉料中，加入稀释后的碳纳米管水分散液，低速拌合0.5-2min，中速拌合0.5-2min，高速拌合3-5min；
(3)再将剩下15％-40％用量的拌合水全部加入，先中速拌合0.5-2min，再高速拌合1-2min至形成工作性良好的浆体。
2.如权利要求1所述的一种防止重团聚的碳纳米管水泥砂浆制备方法，其特征在于在CNT水分散液中加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，PVP质量分数为分散液中CNT质量分数的1-5倍，用搅拌机搅拌均匀，搅拌速度为500-1000r/min，搅拌时长为10-30min。
3.如权利要求1所述的一种防止重团聚的碳纳米管水泥砂浆制备方法，其特征在于所述低速的转速为30-90r/min，所述中速的转速为120-300r/min，所述高速的转速为310-600r/min。
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