硅烷偶联剂对CNTs/聚合物薄膜及其改性水泥砂浆的影响

摘要

混凝土材料是当今世界上运用最广的材料之一，如何改善其高脆性及保障其使用全寿命周期中的可靠性显得尤为重要。CNTs作为水泥基材料的增强相，一方面可以提高其力学性能，另一方面可以实现水泥基材料的压敏性，进而有望实现混凝土结构的自监测和检测，目前已经成为国内外研究热点。但是由于碳纳米管远轻于水泥基材料，并且由于水泥基材料是一种多相材料，均匀性差，已有的研究表明碳纳米管在水泥基材料中分散困难，界面相容性差，CNTs的增强效果有待进一步提高。
　　本文拟基于工程聚合物具有质量轻、性能均匀、与CNTs以及水泥基材料相容性好的特点，同时利用硅烷偶联剂的桥梁作用，达到解决CNTs在水泥基材料中分散问题和相容性问题。本文研究了常用的两种聚合物乳液（丁苯橡胶乳液（SBR）及聚乙烯醇（PVA））复合硅烷偶联剂(SCA)对不同种类CNTs改性水泥砂浆性能的影响，并采用红外光谱（FTIR），扫描电镜（SEM），拉曼光谱（Raman），X射线衍射（XRD）等方法分析了复合改性水泥砂浆的微观性能。
　　首先，本文研究了CNTs/SBR改性水泥砂浆体系的力学性能。当水灰比为0.4，SBR掺量为5％时，复合材料的抗压与抗折强度趋势上随CNTs-COOH掺量的增加而增加，当CNTs-COOH掺量为0.5%时较参照组分别提高了97.7%和37.6%；当水灰比为0.32，SBR掺量为5%时，复合材料的抗压与抗折强度均随CNTs-COOH掺量的增加先增加后减小，抗折强度在CNTs-COOH掺量为0.1%时较参照组提高了20.6%；在流动度相同的水泥砂浆实验中，SBR为5%时的复合材料的抗压强度与抗折强度随CNTs-OH掺量的增加先增加后减小，当CNTs-OH掺量为0.05%时较参照组分别提高了25.3%和33.1%；龄期实验显示，SBR将一直与水泥发生反应，砂浆试块的力学性能在365天时较60天与120天的有显著提高，当普通CNTs掺量为0.1%，SBR为5%时，365天的抗压强度较60天和120天的分别提高了21.6%和17.2%，抗折强度则分别提高了9.6%和10.4%。当CNTs-OH掺量为0.1%，SBR为5%时，365天的抗压强度较60天和120天的分别提高了22.1%和11.7%，抗折强度则分别提高了17%和26.6%。含CNTs-OH的复合材料的力学性能要小于含普通CNTs的。微观实验显示SBR对水泥的水化反应能够起到一定的促进作用。
　　其次，本文研究了CNTs/PVA改性水泥砂浆体系的力学性能和吸水率。研究表明，当PVA掺量为0.2%时，含0.1%普通CNTs的复合材料抗压与抗折强度较参照组分别提高了24.3%与15.8%，而含0.1%CNTs-OH的复合材料抗压与抗折强度较参照组分别提高了4.5%与28%，两种CNTs在0.2%PVA含量的对比结果显示CNTs-OH越多越能发挥SCA的作用从而提高复合材料的力学性能。另外，普通CNTs砂浆试块的断裂性能随着CNTs含量的增加而提高，当PVA为0.5%时，掺有0.5%的普通CNTs的断裂韧度较不掺CNTs的提高了12.55%。
　　最后，为了分析SCA对复合改性水泥砂浆性能的影响原理，本文还对CNTs/PVA薄膜性能进行了系统研究。结果表明，通常SCA会降低CNTs/PVA薄膜的力学性能。但采用合适配比时，薄膜的力学性能会有所提高。对普通CNTs/PVA薄膜而言，当CNTs含量为5%时，SCA使得薄膜的抗拉强度及断裂伸长率提高了38%和29.1%；对CNTs-OH/PVA薄膜而言，当CNTs含量为5%时，SCA使得薄膜的抗拉强度及断裂伸长率提高了10.9%和11.7%；对CNTs-COOH/PVA薄膜而言，当CNTs-COOH掺量为15%时，SCA使得薄膜的抗拉强度提高了25.9%。吸水性实验表明，SCA能降低复合薄膜的吸水率。在薄膜的耐久性研究中发现，CNTs-OH/PVA薄膜不溶于H2O与Ca(OH)2溶液，因此PVA作为改性水泥基复合材料的聚合物相，能够长久的保持自身优异性能，耐久性良好。上述结果表明，硅烷偶联剂在CNTs/聚合物中的作用极其复杂，有待进一步深入研究。

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第1章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本课题的研究思路及内容

第2章 SBR/SCA/CNTs改性水泥砂浆性能研究

2.1 引言

2.2 同水灰比（0.4）情况下材料的力学性能研究

2.3 同水灰比（0.32）情况下材料的力学性能研究

2.4 同流动度情况下材料的力学性能研究

2.5 不同龄期材料的力学性能研究

2.6 微观分析

2.7 小结

第3章 PVA/SCA/CNTs改性水泥砂浆性能研究

3.1 引言

3.2 PVA/SCA/普通CNTs改性水泥砂浆性能研究

3.3 PVA/SCA/CNTs-OH改性水泥砂浆性能研究

3.4 不同CNTs（普通CNTs与CNTs-OH）对PVA/SCA/CNTs改性水泥

3.5 PVA/SCA/CNTs-COOH改性水泥砂浆性能研究

3.6 PVA/SCA/CNTs-OH水泥砂浆的毛细孔吸水率及力学性能研究

3.7 PVA/SCA/普通CNTs砂浆试块断裂性能研究

3.8 微观分析

3.9 小结

第4章 PVA/SCA/CNTs薄膜性能研究

4.1 引言

4.2 PVA/SCA/普通CNTs薄膜性能研究

4.3 PVA/SCA/CNTs-OH薄膜性能研究

4.4 PVA/SCA/CNTs-COOH薄膜性能研究

4.5 PVA/SCA/CNTs薄膜吸水率

4.6 PVA/SCA/CNTs薄膜耐久性的研究

4.7 微观分析

4.8 小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢