[發明專利]基于乳液改性的石墨烯-水泥基復合材料及其制備與應用

有效

• 申請號: 201611004915.5
• 申請日: 2016-11-15
• 公開（公告）號: CN106587758B
• 公開（公告）日: 2019-02-01
• 發明（設計）人: 張東;徐佳明
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: C04B28/00
• 分類號: C04B28/00;G01B7/16;B28B11/24
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 王小榮

本發明涉及一種基于乳液改性的石墨烯?水泥基復合材料及其制備與應用，該復合材料包括以質量比(3.5～4.5)：10：(0～1)：(0～2)混合均勻的水、水泥、石墨烯和乳液，石墨烯和乳液的質量均不為0；該復合材料的制備先將石墨烯加入水中，攪拌一段時間，并在期間加入乳液，直至攪拌均勻，得到混合液；在混合液中加入水泥，分段攪拌均勻后即可得到，該復合材料用于作為應變傳感器進行建筑的健康監測。與現有技術相比，本發明具有優良的導電性、力學性能和壓敏系數，非常適合用作應變傳感器進行建筑的健康監測。

技術領域

本發明涉及建筑健康監測領域，具體涉及一種基于乳液改性的石墨烯-水泥基復合材料及其制備與應用。

背景技術

作為城市現代化建設的支柱性材料，水泥在全球范圍內有著極為廣泛的應用。隨著人們對智能結構與日俱增的需求，傳統的水泥材料也面臨著一系列挑戰。近年來，建筑物自身實現健康檢測與監控，已經成為了當下建筑業發展的一個主要趨勢，這是因為許多重要部件在使用期間發生的致命性破壞往往導致巨大的損失。傳統上實現健康監測的主要手段是通過在水泥材料中嵌入壓敏傳感器。這種方法能夠將水泥材料損壞而產生的應變轉換成電信號，從而實現對建筑物健康狀態的監測，有效降低使用過程中的風險。但是這種方法的缺陷也很明顯，由于壓敏傳感器的嵌入，使得水泥材料的耐久性和力學強度都受到一定程度的降低。

機敏水泥的提出，為實現建筑物自身的健康監測提供了一條更為可行且實用的途徑。目前機敏水泥的制備主要是通過在水泥基體中加入碳納米材料來實現的。碳納米材料分散于水泥基體材料中，同時作為結構增強相和功能相，形成一種水泥基復合材料。目前利用碳纖維和碳納米管制備的機敏水泥特性已經被廣泛研究。但是缺陷也很明顯，主要在于其相對較高的價格，較差的分散性以及所導致的性能波動。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種導電性能及力學性能好、分散性好、壓敏系數高的基于乳液改性的石墨烯-水泥基復合材料及其制備與應用。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：一種基于乳液改性的石墨烯-水泥基復合材料，包括混合均勻的水、水泥、石墨烯和乳液，所述水、水泥、石墨烯和乳液的質量比為(3.5～4.5)：10：(0～1)：(0～2)，其中，石墨烯和乳液的質量均不為0。

石墨烯作為一種獨特結構的二維層狀納米材料，擁有許多優異的性能，包括高電導率，高機械強度，大比表面積等。與水泥基材料復合后，石墨烯在水泥水化過程中可以充當模板作用，控制水泥水化產物的結構和形貌，提高硬化水泥石的強度，提高水泥基復合材料的韌性及抗裂縫能力，同時也能在其內部形成導電網絡，提高導電能力。石墨烯的摻入，可以提高材料的導電性與壓敏性，但過多的摻入顯然對于其性能也會產生影響，因此采用本發明的比例，可以保證復合材料具有良好的導電性及壓敏性。

石墨烯在復合材料中作為導電功能相，是三維導電網絡的基本結構單元。在無外加載荷的情況下，復合材料基體中石墨烯片層間距離較大，電阻較大；當受到外加載荷的作用時，復合材料發生應變，集體中石墨烯片層間距離減小，導電相發生相互搭接，導電網路在局部不斷完善，電阻迅速減小，從而表現出壓敏特性。而乳液的加入，使得石墨烯水泥復合材料的彈性變形能力增強，原本層間距較大的石墨烯片層在壓力作用下，可以產生互相搭接，從而使復合材料的壓敏性能提高。采用該成分配比制成的石墨烯—水泥基復合材料不僅能保持原有的力學強度，并能表現出較好的壓敏特性。

所述的石墨烯中碳原子和氧原子的個數比為(4～12)：1。

所述的乳液包括苯丙乳液、丁苯乳液或丙烯酸酯乳液中的一種。

所述的苯丙乳液優選為巴斯夫Acronal S400型苯丙乳液、Acronal PS608型苯丙乳液、Acronal PA619型苯丙乳液或GB833型苯丙乳液中的一種。