碳納米管的分散性及其水泥基復合材料力學性能.pdf

1、碳納米管是一種納米級纖維，根據碳原子層數(shù)的不同分為單壁碳納米管(SWCNTs)和多壁碳納米管(MWCNTs)兩種。1991年日本電鏡學家Iijima S在制備C60的過程中發(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)在世界范圍內掀起了研究熱潮。目前，針對碳納米管改善復合材料各方面性能的研究已成為一個熱點，碳納米管的各項性能優(yōu)于傳統(tǒng)纖維材料，大量研究表明，其超強的力學性能可以很大程度地提高水泥基復合材料的

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

3、材料高脆、低韌的缺點。因此具有高強度、高彈性模量、高耐久性的新型納米級纖維碳納米管已經成為當前迫切需要的增強增韌材料。
　　然而，碳納米管具有極大的長徑比，而且管間存在強的van der Waals吸引力，其一般呈束狀纏繞及團聚狀態(tài)，幾乎不溶于水及有機溶劑。對于復合材料而言，添加相在基體中的分散均勻性是影響材料性能的一個相當重要的指標，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，消除其團聚，成為制備

4、碳納米管復合材料的前提條件。針對碳納米管的分散性問題，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。結合靜置離心法研究了不同種類SAA單摻的分散效果，結果表明:單摻GA對MWCNTs分散效果最好，離心170min后才開始分層。采用紫外分光光譜吸光度法評價了

5、不同種類SAA復摻及SAA摻量變化對MWCNTs分散性能的影響，測試結果表明:復摻Tx100與GA效果最好;當GA摻量為0.45g/L時效果最好;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)檢測混酸氧化后MWCNTs表面的基團，分析可知:經混酸處理后，MWCNTs表面成功引入了羥基和羧基等官能團。
　　(2)為了探討MWCNTs在水性體系中的分散性及分散機理，以阿拉伯膠為分散劑

6、，采用SAA超聲處理法對MWCNTs進行表面修飾，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測試表征了GA對MWCNTs分散性能的影響，結果表明:當GA濃度為0.45g/L時，懸浮液中MWCNTs濃度達到最大值，為初始濃度的90.67％;且懸浮液相當穩(wěn)定，靜置80h，MWCNTs濃度僅降低11.45％。通過測定等溫吸附曲線對GA的吸附分散機理進行了分析和討論，結果表明:GA在MWCN

7、Ts表面為典型的“SL”型兩階段吸附，當GA濃度為0.45g/L時，在MWCNTs表面達到吸附飽和狀態(tài)。GA能夠通過其分子長鏈的包覆作用改善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合材料，系統(tǒng)深入研究了碳納米管水泥基復合材料的力學性能，具體工作及研究成果如下:
　　(1)水泥凈漿試件的力學強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，隨齡期的變化呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢;隨水灰比的變化，凈漿試件的力學強度先增大后減小，且摻加碳納米管的凈漿試件的力學強度均高于空白試件;在養(yǎng)護齡期為28天時，水灰比為0.35，MWCNTs摻量為0.08wt.％的水泥凈漿試件的抗折強度提高43.6％，并達到最大值15.8MPa，當MWCNTs摻量為0.10wt.％時，水泥凈漿試件的抗壓強度達到最大值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、砂漿試件的抗壓強度和抗折強度。當MWCNTs摻量為水泥重量的0.1wt.％時，試件的抗壓強度達到最大值89.4MPa，與空白試件相比提高21.6％;當MWCNTs摻量為0.08wt.％時，試件的抗折強度提高38.5％;當MWCNTs的摻量達到最大值0.15wt.％時，試件的抗壓強度和抗折強度都沒有隨之增加反而呈現(xiàn)略微降低的趨勢;其力學強度隨養(yǎng)護齡期的增加而增大。
　　(3)采用三點彎曲試驗法，用高精度MTS318電液伺服萬能試驗機

10、對碳納米管水泥基復合材料的彎曲韌性進行了測試分析。結果表明，摻加碳納米管后水泥基復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試技術，結合復合材料理論，對碳納米管改善水泥基復合材料性能的微觀作用機理進行了分析。研究表明，碳納米管的作用機理為: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