一种石墨烯-水泥基导电复合材料及其制备方法

摘要

本发明公开了一种石墨烯‑水泥基导电复合材料及其制备方法，属于复合材料技术领域。所述制备方法包括以下步骤：制备石墨烯浆料；制备水泥浆料：将水泥、减水剂均匀分散于水溶剂中，即得水泥浆料；将石墨烯浆料采用混合装置，对所述水泥浆料搅拌的过程中均匀冲入所述水泥浆料中，即得复合浆料；将复合浆料置于模具中进行养护，即得所述石墨烯‑水泥基导电复合材料。本发明通过混合装置中的管体及管体上的圆弧管，将石墨烯浆料均匀的分散于水泥浆料中，提升了石墨烯在水泥浆料中的分散性，从而提升了石墨烯在水泥基材料中的整体性能。

说明书

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种石墨烯-水泥基导电复合材料及其制备方法。

背景技术

石墨烯(Graphene)是一种新型二维C材料，具有高导热、导电、高比表面积等优点；其表面存在大量的环氧基团、羟基、羧基等含氧官能团，使得石墨烯易于与其他材料充分接触。目前，将石墨烯应用于水泥基材料中，用于改善水泥材料的相关性能，但是，石墨烯化学性质稳定，化学反应活性低，使得其与水泥的结合能力下降，且不利于其在水泥浆料中的分散，同时，将单一的石墨烯添加至水泥材料中，难以凸显出石墨烯的整体性能。

为了实现上述目的，本领域技术人员在制备石墨烯-水泥及复合材料时，通常采用机械球磨的方式来提升石墨烯在水泥浆料中的分散性，但是，石墨烯在水泥浆料中分散性依然较差，且很难提升水泥基材料的整体性能。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种石墨烯-水泥基导电复合材料的制备方法，该方法利用石墨烯以浆料的形式，通过混合装置中的管体及管体上的圆弧管，将石墨烯浆料均匀的分散于水泥浆料中，提升了石墨烯在水泥浆料中的分散性，从而提升了石墨烯在水泥基材料中的整体性能。

本发明第一个目的是提供一种石墨烯-水泥基导电复合材料的制备方法，包括以下步骤：

制备石墨烯浆料：以石墨烯、金属粉、导电聚苯胺、分散剂为原料，以等体积比的水和乙醇溶液为溶剂，置于球磨机中，于 40～50℃进行混合球磨，即得所述石墨烯浆料；

制备水泥浆料：将水泥、减水剂均匀分散于水溶剂中，即得水泥浆料；

将石墨烯浆料采用混合装置，对所述水泥浆料搅拌的过程中均匀冲入所述水泥浆料中，即得复合浆料；

将复合浆料置于模具中进行养护，即得所述石墨烯-水泥基导电复合材料。

优选的，所述混合装置，包括：

混合筒体，其顶面和底面均为封闭口，所述混合筒体上设有进料口和出料口；

管体，设置于所述混合筒体内，其轴线与所述混合筒体的轴线重合，所述管体两端均延伸穿出所述混合筒体；所述管体与所述混合筒体侧壁转动连接；

多个圆弧管，从上至下等间隔设置位于所述混合筒体内的所述管体上，每个所述圆弧管一端均与所述管体连通，另一端环绕于所述管体周围；每个所述圆弧管环绕方向均相同；

两个投料管，分别与所述管体的两个延伸端连通，并转动连接；

驱动机构，用于驱动所述管体转动。

更优选的，每个所述圆弧管上等间隔设有搅拌叶片。

更优选的，所述混合装置，还包括：

用于存放石墨烯浆料的箱体，其底部与每个所述投料管连通；

增压泵，设置于所述投料管上。

更优选的，所述管体位于任一延伸端与所述驱动机构之间采用带传动。

优选的，所述养护为在20±5℃和相对湿度≥90％的环境下养护 28天。

优选的，原材由以下重量份数的材料组成：水泥100～150份，石墨烯15.5～23.4份，金属粉2～5份，导电聚苯胺5.5～10份，分散剂 0.5～2.5份，减水剂0.2～1.5份，水100～200份，乙醇40～80份。

更优选的，所述金属粉为铁粉或铝粉，其粒径为≥100目。

更优选的，所述分散剂为聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基苯磺酸钠、或木质素磺酸钠。

本发明第二个目的是提供一种一种石墨烯-水泥基导电复合材料

本发明第三个目的是提供一种石墨烯-水泥基导电复合材料在水泥基材料中的应用。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果:

本发明提供的一种石墨烯-水泥基导电复合材料制备方法，利用石墨烯以浆料的形式，通过混合装置中的管体及管体上的圆弧管，将石墨烯浆料均匀的分散于水泥浆料中，提升了石墨烯在水泥浆料中的分散性，从而提升了石墨烯在水泥基材料中的整体性能；另外，将石墨烯及导电聚苯胺和金属粉同时冲入水泥浆料中，能够使导电聚苯胺及金属粉与石墨烯在水泥浆料中形成网装架构，进一步形成导电通路，有效提高了复合材料整体导电性能、导热性能及力学性能。

本发明提供了一种石墨烯-水泥基导电复合材料，以水泥为基材，充分利用了石墨烯的高导电性及导热性，且在导电聚苯胺的复掺，及在金属粉的辅助下，石墨烯在水泥中的分散，形成导电通路，提高了复合材料的导电性能。

附图说明

图1为本发明提供的一种混合装置结构示意图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但所举实施例不作为对本发明的限定。

需要说明的是，下述各实施例中所述实验方法如无特殊说明，均为常规方法；其中，主要采用的原材料有：

水泥：性能指标符合国标标准GB/T175-2007《通用硅酸盐水泥》中P.O42.5水泥指标要求。

石墨烯：购自德阳烯碳科技有限公司生产的导电性石墨烯粉体。

导电聚苯胺：购自绍兴佳华高分子材料股份有限公司。

减水剂：聚羧酸高性能减水剂，干粉状。

金属粉为纯的铁粉或铝粉，其粒径为≥100目。

下述实施例中使用的混合装置，参见图1所示，包括：

混合筒体1，其顶面和底面均为封闭口，混合筒体1上设有进料口和出料口；

管体10，设置于混合筒体1内，其轴线与混合筒体1的轴线重合，管体10两端均延伸穿出混合筒体1；管体10与混合筒体1侧壁转动连接；

多个圆弧管101，从上至下等间隔设置位于混合筒体1内的管体 10上，每个圆弧管101一端均与管体10连通，另一端环绕于管体 10周围；每个圆弧管101环绕方向均相同；

两个投料管201，分别与管体10的两个延伸端连通，并转动连接；需要说明的是，其管体与管体的转动连接，均采用现有技术，不涉及创新；

驱动机构3，用于驱动管体10转动。

为此，将水泥浆料装入混合筒体中，在通过投料管将石墨烯浆料冲入旋转的管体中，并经圆弧管冲入水泥浆料中，能够有效的将石墨烯浆料均匀分散与水泥浆料中。

具体在管体10位于任一延伸端与驱动机构3之间采用带传动 31。需要说明的是，驱动机构为伺服电机，通过皮带31对管体的任一延伸端的带式传动；

为实现每个圆弧管101，在转动的过程中，对装入筒体内的水泥浆体进行搅拌，在每个圆弧管101上等间隔设有搅拌叶片102。

其中，混合装置，还包括：

用于存放石墨烯浆料的箱体2，其底部与每个投料管201连通；

增压泵20，设置于投料管201上；其增压泵进口端通过管体与石墨烯浆料的箱体内连通，出口端通过三通管，分别与两个投料管201的进口端连通，为此，利用一个增压泵将箱体内的石墨烯浆料通入管体内，并且附加一定的压力，容易将石墨浆料冲入水泥浆料中。

实施例1

一种石墨烯-水泥基导电复合材料，原材由以下重量份数的材料组成：水泥120份，石墨烯20.3份，铁粉3份，导电聚苯胺6.7份，聚乙烯吡咯烷酮1份，减水剂1.1份，水150份，乙醇50份。

上述的石墨烯-水泥基导电复合材料的制备方法，包括以下步骤：

制备石墨烯浆料：以石墨烯、铁粉、导电聚苯胺、聚乙烯吡咯烷酮为原料，以等体积比的水和乙醇溶液为溶剂，置于球磨机中，于45℃进行混合球磨，即得所述石墨烯浆料；

制备水泥浆料：将水泥、减水剂均匀分散于水溶剂中，即得水泥浆料；

将石墨烯浆料采用混合装置，对所述水泥浆料搅拌的过程中均匀冲入所述水泥浆料中，即得复合浆料；

将复合浆料置于模具中在20℃和相对湿度≥90％的环境下养护 28天，即得所述石墨烯-水泥基导电复合材料。

实施例2

一种石墨烯-水泥基导电复合材料，原材由以下重量份数的材料组成：水泥100份，石墨烯15.5份，铁粉2份，导电聚苯胺5.5份，木质素磺酸钠0.5份，减水剂0.2份，水100份，乙醇40份。

上述的石墨烯-水泥基导电复合材料的制备方法，包括以下步骤：

制备石墨烯浆料：以石墨烯、铁粉、导电聚苯胺、木质素磺酸钠为原料，以等体积比的水和乙醇溶液为溶剂，置于球磨机中，于 40℃进行混合球磨，即得所述石墨烯浆料；

制备水泥浆料：将水泥、减水剂均匀分散于水溶剂中，即得水泥浆料；

将石墨烯浆料采用混合装置，对所述水泥浆料搅拌的过程中均匀冲入所述水泥浆料中，即得复合浆料；

将复合浆料置于模具中在23℃和相对湿度≥90％的环境下养护 28天，即得所述石墨烯-水泥基导电复合材料。

实施例3

一种石墨烯-水泥基导电复合材料，原材由以下重量份数的材料组成：水泥150份，石墨烯23.4份，铝粉5份，导电聚苯胺10份，十二烷基苯磺酸钠2.5份，减水剂1.5份，水200份，乙醇80份。

上述的石墨烯-水泥基导电复合材料的制备方法，包括以下步骤：

制备石墨烯浆料：以石墨烯、铝粉、导电聚苯胺、十二烷基苯磺酸钠为原料，以等体积比的水和乙醇溶液为溶剂，置于球磨机中，于50℃进行混合球磨，即得所述石墨烯浆料；

制备水泥浆料：将水泥、减水剂均匀分散于水溶剂中，即得水泥浆料；

将石墨烯浆料采用混合装置，对所述水泥浆料搅拌的过程中均匀冲入所述水泥浆料中，即得复合浆料；

将复合浆料置于模具中在25℃和相对湿度≥90％的环境下养护 28天，即得所述石墨烯-水泥基导电复合材料。

对比例1

与实施例1相同，不同之处在于，原料中未添加石墨烯。

对比例2

与实施例1相同，不同之处在于，原料中未添加铁粉。

为了说明本发明提供的一种石墨烯-水泥基导电复合材料的各项性能，仅对实施例1～3及对比例1～2进行相关性能的检测。

其中，将复合材料浇筑成尺寸为20×20×20mm

将复合材料浇筑成尺寸为150×150×20mm水泥板在导热仪进行导热测试；

将复合材料浇筑成尺寸为20×20×20mm

表1实施例1～3及对比例1～2进行相关性能的检测

从表1可知，实施例1～3提供的石墨烯-水泥基导电复合材料，其抗压性能及导热率和电阻率，均优于未添加石墨烯及金属粉的复合材料，其中，对比例2提供的复合材料其电阻率均要高于实施例 1～3，则说明石墨烯，在导电聚苯胺的复掺，及在金属粉的辅助下，石墨烯在水泥中的分散，形成导电通路，提高了复合材料的导电性能。

综上，本发明提供了一种石墨烯-水泥基导电复合材料，以水泥为基材，充分利用了石墨烯的高导电性及导热性，且在导电聚苯胺的复掺，及在金属粉的辅助下，石墨烯在水泥中的分散，形成导电通路，提高了复合材料的导电性能。

本发明提供的一种石墨烯-水泥基导电复合材料制备方法，利用石墨烯以浆料的形式，通过混合装置中的管体及管体上的圆弧管，将石墨烯浆料均匀的分散于水泥浆料中，提升了石墨烯在水泥浆料中的分散性，从而提升了石墨烯在水泥基材料中的整体性能；另外，将石墨烯及导电聚苯胺和金属粉同时冲入水泥浆料中，能够使导电聚苯胺及金属粉与石墨烯在水泥浆料中形成网装架构，进一步形成导电通路，有效提高了复合材料整体导电性能、导热性能及力学性能。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内也意图包含这些改动和变型在内。