改性石墨烯复合材料及其制备方法、水泥增强剂及其应用技术

本发明专利技术公开了一种改性石墨烯复合材料及其制备方法、水泥增强剂及其应用。该改性石墨烯复合材料包括交联改性石墨烯骨架及负载于交联改性石墨烯骨架的表面的纳米二氧化硅；交联改性石墨烯骨架具有聚羧酸减水剂与氧化石墨烯形成的交联结构。该改性石墨烯复合材料能提高水泥的强度、流动性及稳定性。流动性及稳定性。流动性及稳定性。

【技术实现步骤摘要】
改性石墨烯复合材料及其制备方法、水泥增强剂及其应用


[0001]本专利技术属于复合材料领域，具体涉及一种改性石墨烯复合材料及其制备方法、水泥增强剂及其应用。

技术介绍

[0002]水泥是建筑领域应用最广的材料，水泥的主要成分包括硅酸三钙(C3S)、硅酸二钙(C2S)、铝酸三钙(C3A)和铁铝酸四钙(C4AF)等。应用时，水泥与水混合经水化反应形成水泥浆，硅酸三钙(C3S)、硅酸二钙(C2S)、铝酸三钙(C3A)和铁铝酸四钙(C4AF)与水发生复杂的化学反应，形成不规则的分布的水化硅酸钙凝胶、氢氧化钙(CH)、钙矾石(AFt)和单硫型水化硫铝酸钙(AFm)等。在此过程中，容易产生微观孔洞和裂纹，降低了水泥浆料的流动性及稳定性，并最终影响水泥基材料的强度和耐久度。
[0003]因此，现有技术仍有待改进。

技术实现思路

[0004]基于此，本专利技术提供了一种改性石墨烯复合材料及其制备方法、水泥增强剂及其应用，该改性石墨烯复合材料能提高水泥的强度、流动性及稳定性，进而提高混凝土的强度。
[0005]本专利技术的技术方案如下。
[0006]本专利技术的一个方面，提供了一种改性石墨烯复合材料，所述改性石墨烯复合材料包括交联改性石墨烯骨架及负载于所述交联改性石墨烯骨架的表面的纳米二氧化硅；所述交联改性石墨烯骨架具有聚羧酸减水剂与氧化石墨烯形成的交联结构。
[0007]在其中一些实施例中，所述纳米二氧化硅为球形二氧化硅，粒径为1nm～10nm。
[0008]在其中一些实施例中，所述纳米二氧化硅通过采用硅酸酯进行水解制得；以质量份数计，所述改性石墨烯复合材料的制备原料包括0.2份～1份所述氧化石墨烯、0.5份～2份所述硅酸酯及0.6份～3份所述聚羧酸减水剂。
[0009]本专利技术的另一方面，提供一种改性石墨烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0010]将氧化石墨烯和硅酸酯于含水溶剂中进行水解反应，得到负载有纳米二氧化硅的氧化石墨烯；
[0011]将所述负载有纳米二氧化硅的氧化石墨烯与聚羧酸减水剂进行交联反应，以使所述负载有二氧化硅的氧化石墨烯与所述聚羧酸减水剂形成交联结构，得到改性石墨烯复合材料。
[0012]在其中一些实施例中，所述进行水解反应的步骤包括如下步骤：
[0013]将所述氧化石墨烯、所述硅酸酯与所述含水溶剂混合，先于酸性条件、20℃～30℃下预水解反应48h～72h，然后于碱性条件、65℃～75℃下继续水解反应1h～2h。
[0014]在其中一些实施例中，以质量份数计，在所述改性石墨烯复合材料的制备原料中，所述氧化石墨烯的质量份数为0.2份～1份，所述硅酸酯的质量份数为0.5份～2份，所述聚
羧酸减水剂的质量份数为0.6份～3份。
[0015]在其中一些实施例中，所述交联反应的条件为：于75℃～85℃下反应2h～4h。
[0016]在其中一些实施例中，所述聚羧酸减水剂的重均分子量为50000～80000；和/或
[0017]所述硅酸酯选自正硅酸四乙酯、硅酸四丙酯、硅酸四丁酯和硅酸四烯丙酯中的至少一种。
[0018]在其中一些实施例中，所述溶剂为水和有机醇的混合液，所述水和所述有机醇的体积比为1:(7～10)。
[0019]本专利技术还提供一种水泥增强剂，所述水泥增强剂包括如上所述的改性石墨烯复合材料。
[0020]本专利技术还提供一种水泥，所述水泥包括水泥基料和如上所述的水泥增强剂。
[0021]进一步地，本专利技术提供一种混凝土，所述混凝土包括骨料和如上所述的水泥。
[0022]上述改性石墨烯复合材料，利用聚羧酸减水剂的梳型结构与氧化石墨烯边缘的含氧官能团交联，从而形成稳定的改性石墨烯纳米片，作为骨架，将纳米二氧化硅负载于改性石墨烯的表面上，各组分通过特定结构复合形成改性石墨烯复合材料。该改性石墨烯复合材料的稳定性优异，不易发生聚沉或团聚，作为水泥增强剂时应用于制备水泥时，一方面，改性石墨烯复合材料中的纳米二氧化硅能与水泥水化产生的氢氧化钙等进行二次水化反应，负载纳米二氧化硅的交联改性氧化石墨烯骨架周围的钙离子浓度会降低，进一步减缓了改性石墨烯复合材料的聚沉或团聚；且二次水化反应生成了具有凝胶性能的水化硅酸钙、水化铝酸钙，能形成致密的水泥石，进而优化水泥的孔隙结构，提高水泥凝胶性能，进而提高混凝土的强度；另一方面，聚羧酸减水剂的分子结构呈梳型，聚羧酸减水剂与氧化石墨烯上的活性基团进行交联反应形成交联结构，有利于改性石墨烯复合材料在水泥浆体中的进一步分散，能有效提升水泥的流动性。
附图说明
[0023]图1为实施例1中改性石墨烯复合材料分散液的透射电子显微镜照片；
[0024]图2为实施例1制得的改性石墨烯复合材料分散液和对比例3制得的氧化石墨烯混合物分散液静置6个月后的照片；
[0025]图3为实施例1制得的水泥制成的胶砂养护28天后的扫描电子显微镜照片；
[0026]图4为空白组制得的水泥制成的胶砂养护28天后的扫描电子显微镜照片。
具体实施方式
[0027]为了便于理解本专利技术，下面将对本专利技术进行更全面的描述，并给出了本专利技术的较佳实施例。但是，本专利技术可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本专利技术的公开内容的理解更加透彻全面。
[0028]除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本专利技术的
的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本专利技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本专利技术。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0029]石墨烯是一种新型六元环晶体结构的二维纳米材料，具有优异的力学强度、阻隔
性和超大比表面积，作为增强材料应用到水泥复合材料中，能够有效改善水泥的力学及耐久性能。研究表明：氧化石墨烯掺入水泥基体中时，表面的含氧官能团可为水泥水化提供生长位点，产生的模板作用可调控水化产物的晶体结构有序生长，进而有效提升水泥基料的力学性能，并降低裂缝、微孔等固有缺陷。近年来，技术人员一直致力于研究氧化石墨烯作为增强材料引入水泥，但由于氧化石墨烯在水泥基料中会立即团聚，难以分散均匀，导致难以发挥其应有的性能。
[0030]为了解决此问题，本专利技术的技术人员做了创造性大量研究，提出了如下的一种改性石墨烯复合材料及其制备方法、水泥增强剂及水泥。
[0031]本专利技术的一实施方式提供了一种改性石墨烯复合材料，该改性石墨烯复合材料包括交联改性石墨烯骨架及负载于交联改性石墨烯骨架的表面的纳米二氧化硅；交联改性石墨烯骨架具有聚羧酸减水剂与氧化石墨烯形成的交联结构。
[0032]上述改性石墨烯复合材料，利用聚羧酸减水剂的梳型结构与氧化石墨烯边缘的含氧官能团交联，从而形成稳定的改性石墨烯纳米片作为骨架，将纳米二氧化硅负载于改性石墨烯的表面上，各组分通过特定结构复合形成改性石墨烯复合材料。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种改性石墨烯复合材料，其特征在于，所述改性石墨烯复合材料包括交联改性石墨烯骨架及负载于所述交联改性石墨烯骨架的表面的纳米二氧化硅；所述交联改性石墨烯骨架具有聚羧酸减水剂与氧化石墨烯形成的交联结构。2.如权利要求1所述的改性石墨烯复合材料，其特征在于，所述纳米二氧化硅为球形二氧化硅，粒径为1nm～10nm。3.如权利要求1～2任一项所述的改性石墨烯复合材料，其特征在于，所述纳米二氧化硅通过采用硅酸酯进行水解制得；以质量份数计，所述改性石墨烯复合材料的制备原料包括0.2份～1份所述氧化石墨烯、0.5份～2份所述硅酸酯及0.6份～3份所述聚羧酸减水剂。4.一种改性石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将氧化石墨烯和硅酸酯于含水溶剂中进行水解反应，得到负载有纳米二氧化硅的氧化石墨烯；将所述负载有纳米二氧化硅的氧化石墨烯与聚羧酸减水剂进行交联反应，以使所述负载有二氧化硅的氧化石墨烯与所述聚羧酸减水剂形成交联结构，得到改性石墨烯复合材料。5.根据权利要求4所述的改性石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述进行水解反应的步骤包括如下步骤：将所述氧化石墨烯、所述硅酸酯与所述含水溶剂混合，先于酸性条件、20℃～30℃下预水解反应48h～72h，然后于碱性条件、65℃～75℃下继续水解反应1h～2h。6.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁佳丰，郭建强，李岳，罗圭纳，李炯利，王刚，王旭东，
申请(专利权)人：北京石墨烯技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：