靜電自組裝碳納米管/納米炭黑復(fù)合砂漿及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及建筑材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及水泥砂漿復(fù)合材料，特別涉及靜電自組 裝碳納米管/納米炭黑復(fù)合砂漿及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 水泥基材料是應(yīng)用最為廣泛的建筑材料，近年來以水泥基材料為結(jié)構(gòu)材料的大型 建筑在不斷增多。然而，水泥基材料存在著抗拉性差、韌性低的缺陷，給水泥基材料的應(yīng)用 帶來很大的安全隱患。水泥基材料失效造成的建筑物的破壞不僅會造成巨大的經(jīng)濟損失， 而且可能導(dǎo)致重大的人員傷亡。納米碳材料，具有良好的耐腐蝕性、力學(xué)性能以及電學(xué)性 能。其中，碳納米管不僅可以在一定程度上提高水泥基材料的力學(xué)性能，而且可以賦予水泥 基材料較好的導(dǎo)電性和壓敏性。然而，小摻量的碳納米管不能有效地降低水泥基材料的電 阻率和賦予其良好的壓敏性，而高摻量的碳納米管在水泥基材料中又難以分散。并且碳納 米管的價格高，這限制了碳納米管水泥基材料的應(yīng)用。另一種常用的納米碳填料是納米炭 黑。納米炭黑水泥基材料達(dá)到滲流閾值和具備良好的壓敏性所需的納米炭黑的摻量很高， 而高摻量的納米炭黑會大幅度地降低納米炭黑水泥基材料的力學(xué)性能和耐久性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是解決碳納米管和納米碳黑在水泥砂漿中不易分散、大摻量納米碳 黑降低材料性能的問題，提供一種易于分散、摻量低、導(dǎo)電性和壓敏性良好的靜電自組裝碳 納米管/納米炭黑復(fù)合砂漿。技術(shù)方案如下：
[0004] 靜電自組裝碳納米管/納米炭黑復(fù)合砂漿，所述砂漿的原材料包括水泥、硅灰、靜 電自組裝碳納米管/納米炭黑、減水劑、砂和水。
[0005] 作為優(yōu)選的技術(shù)方案，原材料包括以下重量比的：水泥80-90份；硅灰10-20份； 靜電自組裝碳納米管/納米炭黑1-10份；減水劑0. 1-3份；砂100-200份；水40-80份。
[0006] 本發(fā)明所述減水劑優(yōu)選為聚羧酸減水劑。
[0007] 本發(fā)明所述水泥優(yōu)選為普通硅酸鹽水泥。
[0008] 本發(fā)明所述砂為河砂或標(biāo)準(zhǔn)砂（水泥領(lǐng)域的通用材料）。
[0009] 作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述砂漿的靜態(tài)電阻率最小達(dá)0. 45 Ω · m，在彈性范圍內(nèi)循 環(huán)壓應(yīng)力/應(yīng)變作用下，最大電阻率變化率絕對值的變化范圍為3. 3% -22. 1%、應(yīng)力靈敏 度的變化范圍為0. 40-2. 69% /MPa、應(yīng)變靈敏度的變化范圍為105-704。
[0010] 本發(fā)明使用的靜電自組裝碳納米管/納米炭黑，具有良好的導(dǎo)電性和穩(wěn)定 性，其形貌為葡萄串結(jié)構(gòu)，其中碳納米管為"梗"，納米炭黑為"葡萄粒"，具體采用文 獻(xiàn)1(盧浩，董立，徐磊，等.靜電組裝法制備CB/CNTs導(dǎo)電復(fù)合材料[J].科技創(chuàng)新導(dǎo) 報.2014(11) :74-76.)所述方法制備。在砂漿中仍然可以看到這種"葡萄串"結(jié)構(gòu)（如圖 1)，這說明在制備砂漿試件過程中攪拌、振動不會破壞原材料靜電自組裝碳納米管/納米 炭黑的"葡萄串"結(jié)構(gòu)。這種"葡萄串"結(jié)構(gòu)有利于靜電自組裝碳納米管/納米炭黑在砂漿 中進行分散（如圖2)。當(dāng)復(fù)合砂漿處于無荷載狀態(tài)時，通過靜電自組裝碳納米管/納米炭 黑之間的場致發(fā)射效應(yīng)和隧道效應(yīng)導(dǎo)電，其良好的分散性和導(dǎo)電性以及碳納米管和納米炭 黑的協(xié)同導(dǎo)電作用，使得小摻量的靜電自組裝碳納米管/納米炭黑復(fù)合砂漿的靜態(tài)電阻率 就很小。當(dāng)復(fù)合砂漿處于受壓狀態(tài)時，碳納米管與碳納米管之間的平均距離、納米炭黑和納 米炭黑之間的平均距離、碳納米管與納米炭黑之間的平均距離都會縮小，這會使隧道效應(yīng) 發(fā)生的幾率變大。宏觀表現(xiàn)為復(fù)合砂漿的體積電阻率變小。當(dāng)卸載時，則相反，復(fù)合砂漿的 體積電阻率變大。由于存在多個不同導(dǎo)電材料之間的距離變化，復(fù)合砂漿的電阻率變化率 更明顯，靈敏度更高。
[0011] 本發(fā)明還提供所述靜電自組裝碳納米管/納米炭黑復(fù)合砂漿的制備方法，壓敏性 穩(wěn)定、重復(fù)性好、靈敏度高，制備工藝簡單、能耗小，技術(shù)方案包括以下步驟：
[0012] (1)取所述重量比的原材料；
[0013] (2)在水泥膠砂攪拌機中依次加入靜電自組裝的碳納米管/納米炭黑、硅灰、水、 減水劑、水泥和砂，攪拌均勻，得到拌合物；
[0014] (3)把所述的拌合物澆筑到模具中，再將模具置于振動臺上，振動至模具內(nèi)的拌合 物的表面冒漿；
[0015] (4)根據(jù)模具內(nèi)拌合物的尺寸，插入用于連接外部電路的電極，再稍微振動，確保 電極和拌合物接觸良好即可；
[0016] (5)將模具放入膠砂養(yǎng)護箱中，在溫度20 ± I °C，濕度>95 %的條件下，養(yǎng)護24小時 后脫模，得砂漿試件。
[0017] 本發(fā)明所述的電極為導(dǎo)電的網(wǎng)狀電極，優(yōu)選不銹鋼絲網(wǎng)。
[0018] 本發(fā)明還提供所述靜電自組裝碳納米管/納米炭黑復(fù)合砂漿在發(fā)熱材料、電磁材 料或混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測材料中應(yīng)用。
[0019] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的靜電自組裝碳納米管/納米炭黑復(fù)合砂漿及其制 備方法，較好地解決了納米級填料在砂漿中的分散問題，且碳納米管和納米炭黑之間存在 協(xié)同導(dǎo)電效應(yīng)，這使得小摻量的靜電自組裝碳納米管/納米炭黑就可以使砂漿獲得較小 靜態(tài)電阻率和良好的壓敏性，具體包括以下有益效果：
[0020] 1、采用較小摻量的靜電自組裝碳納米管/納米炭黑，砂漿的靜態(tài)電阻率大幅度地 降低；
[0021] 2、采用小摻量的靜電自組裝碳納米管/納米炭黑，獲得了具有優(yōu)越壓敏性的砂 漿，這種砂漿的靈敏度高，壓敏性的重復(fù)性和穩(wěn)定性好；
[0022] 3、與單摻碳納米管或單摻納米炭黑相比，靜電自組裝碳納米管/納米炭黑可以很 好的在砂漿基體中分散，在一定程度上解決了納米材料在砂漿中的分散問題；
[0023] 4、與納米炭黑相比，靜電自組裝碳納米管/納米炭黑的摻量小，在相同水灰比的 條件下對力學(xué)性能沒損害，甚至?xí)岣邚?fù)合砂漿的抗折強度；
[0024] 5、靜電自組裝碳納米管/納米炭黑的價格是碳納米管的一半，具有很好的經(jīng)濟 性；
[0025] 6、制備方法簡單，不需要超聲，節(jié)約能源。
[0026] 從性能上看，靜電自組裝碳納米管/納米炭黑復(fù)合砂漿靜態(tài)電阻率低、壓敏性穩(wěn) 定且靈敏度高，力學(xué)性能優(yōu)良。從經(jīng)濟上看，大大的降低了復(fù)合砂漿的成本，拓寬了其應(yīng)用 范圍。
【附圖說明】
[0027] 本發(fā)明附圖8幅，
[0028] 圖1靜電自組裝碳納米管/納米炭黑在砂漿中的存在狀態(tài)；
[0029] 圖2靜電自組裝碳納米管/納米炭黑在砂漿中的分散情況；
[0030] 圖3試件1壓應(yīng)力與電阻變化率的關(guān)系；
[0031] 圖4試件1壓應(yīng)變與電阻變化率的關(guān)系；
[0032] 圖5試件2壓應(yīng)力與電阻變化率的關(guān)系；
[0033] 圖6試件2壓應(yīng)變與電阻變化率的關(guān)系；
[0034] 圖7試件3壓應(yīng)力與電阻變化率的關(guān)系；
[0035] 圖8試件3壓應(yīng)變與電阻變化率的關(guān)系。
【具體實施方式】
[0036] 下述非限制性實施例可以使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員更全面地理解本發(fā)明，但不以 任何方式限制本發(fā)明。
[0037] 養(yǎng)護方法：將制得的砂漿體試件放到20± 1°C的水中養(yǎng)護。測試時，從養(yǎng)護池中把 試件拿出，擦干試件表面的水，并在室內(nèi)自然晾3小時。
[0038] 靜態(tài)電阻的測試方法為：用萬用表進行測試，測試方法為，直流，四電極。
[0039] 靜態(tài)電阻率，通過公式P = RS/1計算得到。
[0040] 壓敏性的測試方法：采用萬用表連接電極對試件的電阻進行采集；動態(tài)應(yīng)變采集 儀采集應(yīng)變信息；萬能試驗機用于施加荷載。
[0041] 實施例1
[0042] 靜電自組裝碳納米管/納米炭黑復(fù)合砂漿按以下步驟制備：
[0043] (1)取原材料水泥90份；硅灰10份；靜電自組裝碳納米管/納米炭黑4份；減水 劑2. 5份；標(biāo)準(zhǔn)砂150份；水42份；
[0044] (2)在水泥膠砂攪拌機中依次加入靜電自組裝的碳納米管/納米炭黑、硅灰、水、 減水劑、水泥和標(biāo)準(zhǔn)砂，攪拌均勻，得到拌合物；
[0045] (3)把得到的拌合物澆注到模具中，再將模具置于振動臺上，振動至模具內(nèi)的拌合 物的表面冒漿；
[0046] (4)根據(jù)模具內(nèi)拌