一种具有核壳结构的纳米二氧化硅-碳纳米管复合材料、含有该材料的水泥及制备方法技术

本发明专利技术利用纳米二氧化硅、碳纳米管与三氟丙基三甲基硅氧烷制备出弹性纳米二氧化硅‑碳纳米管核壳结构；利用该结构加入到现有水泥材料中制备高性能水泥基复合材料。主要机理为：活化后的纳米二氧化硅可以促进三氟丙基三甲基硅氧烷水解并与其发生缩合反应，进而在碳纳米管表面均匀附着形成纳米二氧化硅‑碳纳米管核壳结构，形状为长3‑12μm、直径2‑10μm左右的不规则椭球体。含有活化纳米二氧化硅‑碳纳米管核壳结构的水泥基复合材料表现出更高的力学强度、介电常数和接触角、更好的耐久性、耐腐蚀性以及更低的电阻率；化学表征揭示了该核壳结构的形貌、成核方式及其对水泥水化结构以及水化产物的影响机理。

Nano silica carbon nanotubes composite with core-shell structure, cement containing the material and preparation method

The invention uses nano silicon dioxide, carbon nanotubes and trifluoropyltrimethylsiloxane to prepare an elastic nano silicon dioxide \u2011 carbon nanotubes core-shell structure, and adds the structure to the existing cement material to prepare a high-performance cement-based composite material. The main mechanism is that the activated nano-SiO2 can promote the hydrolysis of trifluoropyltrimethylsiloxane and its condensation reaction, and then form the core-shell structure of nano-SiO2 \u2011 carbon nanotubes uniformly on the surface of the carbon nanotubes, which is an irregular ellipsoid with a length of 3 \u2011 12 \u03bc m and a diameter of 2 \u2011 10 \u03bc M. The cement-based composite with activated nano-SiO2 \u2011 carbon nanotubes core-shell structure shows higher mechanical strength, dielectric constant and contact angle, better durability, corrosion resistance and lower resistivity; the chemical characterization reveals the morphology of the core-shell structure, nucleation mode and its influence mechanism on cement hydration structure and hydration products.

【技术实现步骤摘要】
一种具有核壳结构的纳米二氧化硅-碳纳米管复合材料、含有该材料的水泥及制备方法
本专利技术涉及硅酸盐材料
，具体涉及一种含有纳米二氧化硅—碳纳米管弹性核壳结构的高性能水泥基复合材料及成型方法。
技术介绍
目前，混凝土材料作为世界上用量最大、使用范围最广的建筑材料，以其优良的结构性能在桥梁，隧道，水坝，铁路和码头等工程建设中得到了广泛的应用。利用混凝土制备高环保性能和智能材料越来越受到科学界的关注，材料的强度、耐久性、耐腐蚀性以及导热导电性能已经成为亟待解决的技术问题、其中高寒地区针对混凝土的抗冻融性提出了更高的要求。纳米材料具有提高上述性能的特性,粒径在1-100nm范围内的纳米材料现在在许多应用中被商业使用。纳米材料的大表面积使其具有高反应性和高冲击性，以改善水泥浆性能，例如良好的早期强度，降低渗透性，加速水泥水化和控制流体损失。实际上，由于纳米颗粒的大表面积，在纳米颗粒的存在下促进产生更多硅酸钙水合物(CSH)和更少氢氧化钙。这种效应使得混凝土材料更加致密且紧凑。早在20世纪90年代著名的水泥混凝土专家Mehta教授曾经指出，来自海洋环境、盐渍土地区和除冰造成的氯离子侵蚀是导致混凝土钢筋锈蚀的主要原因之一。氯离子侵蚀会破坏钢筋钝化膜导致钢筋锈蚀，使钢筋性能退化，进而缩短钢筋混凝土结构的使用寿命。目前，比较成熟的提高氯盐侵蚀环境下混凝土结构耐久性的主要技术包括采用低水胶比、高性能混凝土等，提高混凝土保护层厚度，在混凝土面层喷涂保护层，使用耐腐蚀钢筋。此外，碳纳米管具有高导热率和相对低的密度，这使得混凝土材料的热性能也引起了研究人员的注意，旨在优化建筑物的热能性能和室外热舒适条件。在寒冷地区，混凝土孔隙中残留水的冻融会导致道路混凝土的膨胀、开裂、结垢和破碎。在冰冻环境中由降雨形成的道路冰对于车辆轮胎产生几乎零摩擦条件，增加了伤害和死亡率，由此来看，混凝土材料的抗冻融性显的尤为重要。此外，这些材料的进一步潜力，例如用于应变检测应用的电气特性，能够实现直接裂缝检测能力，并为结构健康监测(SHM)提供分布式应变数据，目前正在快速发展。纳米材料的体积很小，很多研究人员报告说，添加纳米二氧化硅(纳米SiO2)和纳米二氧化钛(纳米TiO2)、纳米铁(纳米Fe2O3)、纳米氧化铝(纳米Al2O3)、碳纳米管以及纳米粘土颗粒等纳米材料具有改善上述混凝土性能的作用。在上述材料中纳米二氧化硅和碳纳米管的作用尤为显著。纳米二氧化硅是油田，建筑和民用工业中最常见和最重要的水泥掺合料之一。纳米二氧化硅是极细的二氧化硅颗粒；它由高度细小的玻璃质颗粒组成，比普通水泥颗粒小近1000倍，而且具有高的火山灰活性。因此，纳米二氧化硅被广泛用于改善浆料的不渗透性和硬化材料的机械性能。此外，纳米二氧化硅固化浆料的加入可缩短凝固时间；因此，它已被用作油田工业中的流行添加剂。碳纳米管作为纳米材料，质量轻，由于具备超强力学性能(拉伸强度50-200GPa；弯曲强度可达14Gpa)、极高的纵横比(直径纳米级，长度微米级，长径比达100-1000)、高的机敏性和良好的导电性能(电导率可以达到1000-2000S/cm，电流密度可达106A/cm2)及能无损改性等特点，使用这些材料非常有希望用于生产下一代高性能结构和多功能纳米复合材料。由于碳纳米管的尺寸效应、填充作用，在各基体中能更好地发挥桥联等作用，少量碳纳米管的掺入就能使得水泥基复合材料孔隙改善、力学性能提高。它们对水泥基复合材料性能的积极影响主要受两种现象的影响：水合成核效果和填充效果。但纳米材料和水泥的相容性以及分散性问题一直是缠绕在纳米材料应用到水泥中的重要问题。现有方法多是采用物理方法：主要有机械力分散和超声波分散,以及化学方法：主要是添加改性剂,使其与纳米SiO2表面的经基发生化学作用,降低SiO2表面的羟基数量,减少团聚,从而使纳米粒子分散开。此外，在纳米二氧化硅和CNT表面上接枝某些官能团使它们与水泥颗粒发生化学相互作用，从而对水合过程产生积极影响。然而，一些作者报道，通过化学改性对CNT进行表面处理可能会降低CNT的机械强度，从而降低复合材料的最终性能。这是因为用于CNT官能化的化学品会对水合过程的动力学产生负面影响。CNT与NS的结合对水合动力学具有加速作用，因此导致更高的C-S-H产生。由于纳米二氧化硅和C-S-H基质的化学相容性，位于碳纳米管表面的二氧化硅分子可参与基质形成聚合。因此，由于改善了基质中CNT和NS之间的键合，可以实现增强的负载转移能力。
技术实现思路
本研究首先利用纳米二氧化硅在80℃情况下进行活化，活化后的纳米二氧化硅可以加速三氟丙基三甲基硅氧烷水解形成更多的硅醇，纳米二氧化硅表面的-OH与硅醇进行脱水缩合反应，加入碳纳米管与碳纳米管形成纳米二氧化硅-碳纳米管核壳结构，硅醇可以继续与水泥水化产物氢氧化钙发生脱水缩合反应，从而使纳米二氧化硅-碳纳米管核壳结构与氢氧化钙结合更为紧密达到填充孔隙的作用。此外，通过NMR(NuclearMagneticResonancespectroscopy)、FT-IR(FourierTransforminfraredspectroscopy)证明水热活化纳米二氧化硅会加速三氟丙基三甲基硅氧烷水解并与其发生脱水缩合；通过XPS证明表面元素分布；通过XRD(X-raydiffraction)、水化热(TA/TAM-AIR-8)实验证实纳米二氧化硅—碳纳米管核壳结构促进水化产物CaOH进一步与纳米二氧化硅反应生成水化硅酸钙；通过TG(Thermogravimetric)热重分析证明活化后的纳米二氧化硅—碳纳米管核壳结构可以加速水化产物CaOH转化成水化硅酸钙并且使混凝土材料具有更好的耐温性；通过SEM(ScanningElectronMicroscope)、BET物理吸附方法证实纳米二氧化硅均分附着在CNT表面上并且填充水泥水化产物之间的空隙形成更紧密的界面。通过介电常数-电阻率测试证明二氧化硅-碳纳米管核壳结构可以极大的降低混凝土材料的电阻率，提高介电常数；通过水泥冻融-电化学腐蚀实验证实二氧化硅-碳纳米管核壳结构对混凝土材料具有良好的耐腐蚀、耐冻融作用，提高了混凝土的耐久性；通过力学性能测试证明抗压强度和抗拉强度较比对照组分别提高为102.04％、140.47％，较比非水热活化处理组分别提高为53.51％、71.43％。本专利技术的主要机理为：本研究首先利用纳米二氧化硅在80℃情况下进行活化，活化后的纳米二氧化硅可以加速三氟丙基三甲基硅氧烷水解形成更多的硅醇，纳米二氧化硅表面的-OH与硅醇进行脱水缩合反应，加入碳纳米管与碳纳米管形成纳米二氧化硅-碳纳米管核壳结构，纳米二氧化硅表面的硅醇可以继续与水泥水化产物氢氧化钙发生脱水缩合反应，从而使纳米二氧化硅-碳纳米管核壳结构与氢氧化钙结合更为紧密达到填充孔隙的作用，提高了水泥基复合材料的力学性能、抗冻融性、耐腐蚀性、防水性以及导电性。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：目前现有水泥基复合材料均具有力学性能低、抗冻融性、耐腐蚀性、防水性差以及导电性低等特点，在可持续使用以本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有核壳结构的纳米二氧化硅-碳纳米管复合材料，其特征在于，由三氟丙基三甲基硅氧烷的水解物与活性纳米二氧化硅、碳纳米管反应，在碳纳米管核外形成纳米二氧化硅层，得到一种具有纳米二氧化硅-碳纳米管核壳结构的复合材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种具有核壳结构的纳米二氧化硅-碳纳米管复合材料，其特征在于，由三氟丙基三甲基硅氧烷的水解物与活性纳米二氧化硅、碳纳米管反应，在碳纳米管核外形成纳米二氧化硅层，得到一种具有纳米二氧化硅-碳纳米管核壳结构的复合材料。


2.根据权利要求1所述的一种具有核壳结构的纳米二氧化硅-碳纳米管复合材料，其特征在于，由包括以下质量配方的组分得到：
碳纳米管3.6-14.4份
纳米二氧化硅3.6-14.4份
三氟丙基三甲基硅氧烷13.5份。


3.一种具有核壳结构的纳米二氧化硅-碳纳米管复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
活化纳米二氧化硅与三氟丙基三甲基硅氧烷的水解物充分反应后，加入碳纳米管、反应形成具有核壳结构的纳米二氧化硅-碳纳米管复合材料。


4.根据权利要求3所述的一种具有核壳结构的纳米二氧化硅-碳纳米管复合材料的制备方法，其特征在于，所述活化纳米二氧化硅与三氟丙基三甲基硅氧烷的水解物的反应，是由纳米二氧化硅与三氟丙基三甲基硅氧烷在纳米二氧化硅的活化温度下充分反应实现的。


5.根据权利要求3所述的一种具...

【专利技术属性】
技术研发人员：李浩，师永民，陈佳辉，焦智奕，王忠宇，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61