碳納米管的分散性及其水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能.pdf

1、碳納米管是一種納米級(jí)纖維，根據(jù)碳原子層數(shù)的不同分為單壁碳納米管(SWCNTs)和多壁碳納米管(MWCNTs)兩種。1991年日本電鏡學(xué)家Iijima S在制備C60的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了單壁碳納米管，兩年之后Iijima又成功制備了多壁碳納米管，其研究和發(fā)現(xiàn)在世界范圍內(nèi)掀起了研究熱潮。目前，針對(duì)碳納米管改善復(fù)合材料各方面性能的研究已成為一個(gè)熱點(diǎn)，碳納米管的各項(xiàng)性能優(yōu)于傳統(tǒng)纖維材料，大量研究表明，其超強(qiáng)的力學(xué)性能可以很大程度地提高水泥基復(fù)合材料的

2、力學(xué)性能;優(yōu)異的電學(xué)和光電特性可以提高聚合物材料的電導(dǎo)率以及制備新型光電聚合物復(fù)合材料;其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)可以用來(lái)制備金屬或金屬氧化物填充的一維納米復(fù)合材料。
　　水泥混凝土是目前世界上應(yīng)用量最大的建筑材料，它具有成本低，原料豐富，造價(jià)低廉，施工方便，工藝簡(jiǎn)單，可按需成型等優(yōu)點(diǎn)。然而，普通水泥混凝土同樣具有自重大，抗拉、抗折強(qiáng)度低，脆性大，抗裂性差等缺點(diǎn)，為了克服這些問(wèn)題，目前普遍采用的方法是纖維復(fù)合水泥基材料，這種方法克服了普通混凝土

3、材料高脆、低韌的缺點(diǎn)。因此具有高強(qiáng)度、高彈性模量、高耐久性的新型納米級(jí)纖維碳納米管已經(jīng)成為當(dāng)前迫切需要的增強(qiáng)增韌材料。
　　然而，碳納米管具有極大的長(zhǎng)徑比，而且管間存在強(qiáng)的van der Waals吸引力，其一般呈束狀纏繞及團(tuán)聚狀態(tài)，幾乎不溶于水及有機(jī)溶劑。對(duì)于復(fù)合材料而言，添加相在基體中的分散均勻性是影響材料性能的一個(gè)相當(dāng)重要的指標(biāo)，分散越均勻，作用越明顯，材料的整體性能越好。因此如何提高碳納米管的分散性能，消除其團(tuán)聚，成為制備

4、碳納米管復(fù)合材料的前提條件。針對(duì)碳納米管的分散性問(wèn)題，本文做了如下研究:
　　(1)以阿拉伯膠(GA)、曲拉通(Tx100)、十六烷基三甲基溴化銨(TB)、十二烷基磺酸鈉(SDS)4種表面活性劑(SAA)為MWCNTs的分散劑，采用SAA超聲分散法及酸處理法制備了11種分散液。結(jié)合靜置離心法研究了不同種類(lèi)SAA單摻的分散效果，結(jié)果表明:單摻GA對(duì)MWCNTs分散效果最好，離心170min后才開(kāi)始分層。采用紫外分光光譜吸光度法評(píng)價(jià)了

5、不同種類(lèi)SAA復(fù)摻及SAA摻量變化對(duì)MWCNTs分散性能的影響，測(cè)試結(jié)果表明:復(fù)摻Tx100與GA效果最好;當(dāng)GA摻量為0.45g/L時(shí)效果最好;比較二者分散效果后知:GA摻量為0.45g/L的懸浮液分散效果最佳。采用傅里葉紅外光譜(FTIR)檢測(cè)混酸氧化后MWCNTs表面的基團(tuán)，分析可知:經(jīng)混酸處理后，MWCNTs表面成功引入了羥基和羧基等官能團(tuán)。
　　(2)為了探討MWCNTs在水性體系中的分散性及分散機(jī)理，以阿拉伯膠為分散劑

6、，采用SAA超聲處理法對(duì)MWCNTs進(jìn)行表面修飾，制備了分散性能良好的MWCNTs懸浮液。采用紫外分光光譜吸光度法(UV-vis)定量分析及TEM測(cè)試表征了GA對(duì)MWCNTs分散性能的影響，結(jié)果表明:當(dāng)GA濃度為0.45g/L時(shí)，懸浮液中MWCNTs濃度達(dá)到最大值，為初始濃度的90.67％;且懸浮液相當(dāng)穩(wěn)定，靜置80h，MWCNTs濃度僅降低11.45％。通過(guò)測(cè)定等溫吸附曲線對(duì)GA的吸附分散機(jī)理進(jìn)行了分析和討論，結(jié)果表明:GA在MWCN

7、Ts表面為典型的“SL”型兩階段吸附，當(dāng)GA濃度為0.45g/L時(shí)，在MWCNTs表面達(dá)到吸附飽和狀態(tài)。GA能夠通過(guò)其分子長(zhǎng)鏈的包覆作用改善MWCNTs的親水性和分散性。
　　在以上分散性研究的基礎(chǔ)上，本文以GA為分散劑，制備了分散性能良好的碳納米管懸浮液及碳納米管水泥基復(fù)合材料，系統(tǒng)深入研究了碳納米管水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能，具體工作及研究成果如下:
　　(1)水泥凈漿試件的力學(xué)強(qiáng)度隨碳納米管摻量的增加呈現(xiàn)先增大后逐漸減小

8、的趨勢(shì)，隨齡期的變化呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì);隨水灰比的變化，凈漿試件的力學(xué)強(qiáng)度先增大后減小，且摻加碳納米管的凈漿試件的力學(xué)強(qiáng)度均高于空白試件;在養(yǎng)護(hù)齡期為28天時(shí)，水灰比為0.35，MWCNTs摻量為0.08wt.％的水泥凈漿試件的抗折強(qiáng)度提高43.6％，并達(dá)到最大值15.8MPa，當(dāng)MWCNTs摻量為0.10wt.％時(shí)，水泥凈漿試件的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值84.5MPa，與空白試件相比提高了9.2％。
　　(2)碳納米管的摻入提高了水泥

9、砂漿試件的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。當(dāng)MWCNTs摻量為水泥重量的0.1wt.％時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值89.4MPa，與空白試件相比提高21.6％;當(dāng)MWCNTs摻量為0.08wt.％時(shí)，試件的抗折強(qiáng)度提高38.5％;當(dāng)MWCNTs的摻量達(dá)到最大值0.15wt.％時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度都沒(méi)有隨之增加反而呈現(xiàn)略微降低的趨勢(shì);其力學(xué)強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增大。
　　(3)采用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)法，用高精度MTS318電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)

10、對(duì)碳納米管水泥基復(fù)合材料的彎曲韌性進(jìn)行了測(cè)試分析。結(jié)果表明，摻加碳納米管后水泥基復(fù)合材料的韌性顯著提高，其中，水灰比為0.35，碳納米管摻量為0.08wt.％的凈漿試件的斷裂能相比空白試件提高165.1％，韌度指數(shù)提高52.8％。
　　采用多種材料微觀測(cè)試技術(shù)，結(jié)合復(fù)合材料理論，對(duì)碳納米管改善水泥基復(fù)合材料性能的微觀作用機(jī)理進(jìn)行了分析。研究表明，碳納米管的作用機(jī)理為:MWCNTs在懸浮液及水泥漿基體中具有較好的分散性，碳納米管能夠