[发明专利]GO及纳米矿粉协同分散CNT改性纳米建筑材料及其制备方法与应用

说明书

本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及GO及纳米矿粉协同分散CNT改性纳米建筑材料及其制备方法与应用。所述GO及纳米矿粉协同分散CNT改性纳米建筑材料包括CNT粉剂或CNT分散液、GO粉剂或GO分散液、纳米矿粉、高效减水剂、水、水泥和消泡剂。所制得的纳米建筑材料能实现GO及纳米矿粉协同分散CNT效能，并解决GO处于碱性体系中易脱氧团聚的问题。所制得的基于纳米建筑材料的压阻型传感器具有良好的压阻感知效能，且力学韧性佳，与混凝土基体兼容性强，在高层建筑框剪联梁、耗能节点、交通桥梁与路面结构高强/高韧拼接缝处以及大型工程结构健康监测传感器领域均具有良好的应用前景。

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及GO及纳米矿粉协同分散CNT改性纳米建筑材料及其制备方法与应用。

背景技术

水泥基复合材料因取材方便、浆体可塑性好、硬化体抗压性能高、耐久性佳等优点成为目前基础设施建设中使用最为广泛的建筑材料。然而，其存在诸如抗拉强度偏低、断裂韧性差等缺点，易使相应基于水泥基复合材料的结构体系失效。解决这些问题有着非常重要的应用与经济价值，也将进一步拓宽其应用范围。上世纪，人们主要是通过复合诸如钢纤维、玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、聚乙烯醇纤维等微米级纤维来提高水泥基材料的抗拉强度及断裂韧性等性能。大量的科学研究及工程应用表明，这些微观纤维对抑制水泥基材料宏观裂缝的扩展具有良好的效果，相应力学韧性也得到有效改善。并且，同时还使相应水泥基复合材料呈现一定的智能自感知功能特性。然而，由于水泥的主要水化产物C-S-H凝胶含有大量凝胶孔，处于纳米尺度，采用微观纤维难以有效桥联微孔，抑制相应微裂缝的扩展。

1991年发现的碳纳米管(CNT)带有SP²杂化结构，长径比达几百，具有优良的化学稳定性、力学性能、热稳定性，良好的微波吸收及热/电学性能等特性，进而基于CNT改性的各类复合材料研究得到持续关注。然而，CNT在纳米尺度上的优异性能常常难以转移到相关复合材料的宏观尺度上的相关性能上。这是因为CNT表面固有的疏水性和存在强大的分子间范德华力，使得CNT极易相互缠绕，相聚成团，在水泥基体内部分散性极差。因此，为了有效发挥CNT的增强改性效果，采用合理的分散方法将CNT引入水泥基材料体系，实现纳米尺度优异性能转移至宏观尺度尤为关键。

同济大学的王培铭教授等用强酸氧化共价修饰CNT，有效改善了CNT表面官能团，使CNT在水中分散性提高，并提升了CNT水泥基复合材料的强度，实现了桥联微裂缝功能，但共价修饰法会削弱CNT的结构与电子性能。中国专利ZL200810064075.0、ZL200810064522.2、ZL200810064501.0分别尝试用表面活性剂通过超声、高速剪切、电场诱导工艺将CNT分散在水泥基材料中；然而，表面活性剂常会带大量气泡，可能会影响水泥水化，同时使CNT与水泥粘结界面薄弱；高速剪切法一方面可能会剪断CNT，另一方面，样品处理量偏少；电场诱导法一方面会消耗大量有机溶剂，另一方面相应CNT沉积层与水泥基层粘结面薄弱。中国专利CN106007553A、CN105268339A分别首次公开了一种先将CNT均匀分散于聚乙烯醇胶体、纳米硅胶中，然后将制备的CNT/聚乙烯醇预聚合溶液、CNT/纳米硅胶溶液作为复合改性剂掺入到水泥砂浆中，有效阻止CNT产生团聚，并充分发挥CNT、聚乙烯醇或纳米硅胶在水泥基材料中的韧性及耐久性增强效果，并且能够通过内部电阻变化反映出基材内部应力变化，拥有一定智能传感效应；然而，CNT在聚乙烯醇胶体、纳米硅胶中良好分散，并不代表在水泥基体中继续良好的分散。国际专利ZL200980125145.1用水泥熟料作为锚固过渡金属的纳米颗粒的基底，允许在水泥熟料和晶粒上连续、大规模合成生长CNT，进而形成后续CNT/水泥熟料复合物及结构产品；然而，这种方法由于水泥熟料为微米级，仍难实现CNT在纳米尺度上的充分分散。中国专利CN106277876A公开了采用原位聚合法，在CNT表面负载上具有良好导电及亲水性能的聚吡咯导电高分子，并将其作为导电填料添加到水泥基体中，制成了具有良好导电性能、自感知性能和力学性能的水泥基导电复合材料；然而聚吡咯在碱性水泥基水化体系中会降解，难以持续保持其分散性。