多壁碳纳米管在水泥基材料中的分散性及其影响
多壁碳纳米管分散性研究
关键词： 多壁碳纳米管； 分散； 碱处理； 酸处理； 聚乙烯醇包覆
中图分类号： ＴＱ３４
文献标识 （ ２００８） ０６－ ００３２－ ０４
碳纳米管自 １９９１ 年被 Ｉｉｊｉｍａ ［１］ 发现以来 ， 以 其独特的结构、物理化学性质及良好的电性能和机 械性能吸引了众多的研究者。它的直径只有几个到 几十个纳米， 长度为微米到毫米量级。理论计算和 试验结果表明， 碳纳米管具有优异的力学性能， 弹 性 模 量 可 达 １ ＴＰａ， 约 为 钢 的 ５ 倍 ； 弹 性 应 变 约 ５ ％， 最高可达 １２ ％， 约为钢的 ６０ 倍， 密度仅为 钢 的 １／６～１／７ ［２］。碳 纳 米 管 具 有 良 好 的 导 电 性 ， 若 将其加入到高分子材料中， 可使高聚物的电阻降低 三个数量级以上 ［２］； 采用直径为 ８ ｎｍ 的碳纳米管 制备厚度为 ２５．４ μｍ 的薄 膜 电 极 ， 在 不 同 频 率 下 ， 比电容达到 ４９～１１３ Ｆ／ｇ 或 ３９．２～９０．４ Ｆ／ｃｍ３ ［３］。碳纳 米管的尖端具有纳米尺度的曲率， 是极佳的发射电 极 ［４］。在扫描探针显微技术中， 若将碳纳米管用作 扫描探针， 将极大提高分辨率。同时， 用碳纳米管 来储氢， 也已成为目前研究的一个热点问题。但 是， 由于以下三方面的原因， 极大限制了碳纳米管 优异性能的发挥： （ １） 碳纳米管的三种主要制备方 法 （ 石墨电弧法、激光蒸发法及化学气相沉积法） 所制备的碳纳米管含有相当数量的杂质， 严重影响 了碳纳米管的性能研究和实际应用； （ ２） 完整 的
２ 结果与讨论
２．１ 碱处理的效果 图 １ 为 碱 处 理 前 后 ＭＷＮＴｓ 的 ＳＥＭ 照 片 。 通
过比较得知， ａ 图的黑色区域较 ｂ 图明显， ａ 图 ＭＷＮＴｓ 管壁上也附着黑色颗 粒 状 物 质 ， 而 ｂ 图 碳 纳米管清晰可见， 分散状况好于 ａ 图。由此可知， 用碱对 ＭＷＮＴｓ 预处理， 一方面可部分去除碳纳米 管制备过程中的金属催化剂和金属氧化物以及无定 形 炭 等 杂 质 ； 另 一 方 面 可 使 ＭＷＮＴｓ 的 分 散 度 提 高。
多壁碳纳米管改性水泥基复合材料的性能研究
Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｍｕｌｔｉｗａｌｌｅｄｃａｒｂｏｎｎａｎｏｔｕｂｅｓ ｍｏｄｉｆｉｅｄｃｅｍｅｎｔｍａｔｒｉｘｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ
ＺＨＯＵＸｉａｏｐｉｎｇ１，ＸＩＡＪｉａｎｇ１，ＲＡＮＸｕ２
（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００７４，Ｃｈｉｎａ； ２．ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｓｉｇｎＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４４１０５３，Ｃｈｉｎａ）
摘 要：通过试验研究了多壁碳纳米管（ＭＷＣＮＴｓ）掺量对水泥净浆的力学性能、水化特性、凝结时间、孔隙分布等 性能的影响，并采用 ＳＥＭ（扫描电镜）观察与分析了 ＭＷＣＮＴｓ改性水泥净浆的微观形貌。结果表明，ＭＷＣＮＴｓ的掺 入会降低水化过程中矿物的溶解速率，因而延缓了水泥的水化进程；在适宜的掺量范围内，ＭＷＣＮＴｓ能够有效提升 水泥净浆的力学强度，但当其掺量过高时，反而会对力学强度造成不利影响；ＭＷＣＮＴｓ在水泥净浆中能够分散均匀 并降低水泥净浆的孔隙率，使其变得更加密实。 关键词：ＭＷＣＮＴｓ；水泥净浆；力学强度；水化反应；微观结构 中图分类号：ＴＱ１７２．７；ＴＵ５２８ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１－３２０６（２０１９）１０－２２８４－０５
水泥基材料凭借其低廉的造价、良好的可塑性、 常温下固化以及稳定的性能而被大量应用至木土工 程领域［１］，但 传 统 的 水 泥 基 材 料 却 普 通 存 在 脆 性 大、韧性差、抗拉强度低及易产生裂缝等缺点，这在 一定程 度 上 影 响 了 水 泥 基 材 料 的 耐 用 性 。 ［２３］ 目 前，常采用掺加纳米改性剂来改善水泥基材料的物 理与力学性能。与其他种类的纳米改性材料相比， 多壁碳纳米管（ＭＷＣＮＴｓ）具有一系列优异的性能， 若将其掺入水泥基材料进行改性复合，势必会极大 地增强与改善普通水泥基材料的综合性能［４６］。
混凝土中多壁碳纳米管增强效应的实验研究
混凝土中多壁碳纳米管增强效应的实验研究一、研究背景混凝土是建筑工程中常用的材料之一，但其力学性能常常难以满足特定需求。
近年来，一种新型的材料——多壁碳纳米管（MWCNTs）被引入到混凝土中，以增强其力学性能。
MWCNTs具有良好的力学性能、高导电性和高导热性等优异的特性，被认为是一种非常有潜力的增强剂。
因此，研究混凝土中MWCNTs增强效应的实验研究成为目前研究的热点之一。
二、研究目的本研究旨在通过实验研究，探究混凝土中MWCNTs增强效应的机理及其对混凝土力学性能的影响，为混凝土中添加MWCNTs提供理论依据。
三、实验设计1. 实验样品准备采用重量比为1：2：3的水泥、砂子和碎石配成混凝土，掺入不同浓度的MWCNTs，分别为0.5wt%、1.0wt%、1.5wt%和2.0wt%。
混凝土样品的制备过程中，使用高速搅拌器进行拌和，保证混凝土中的MWCNTs均匀分散。
制备完成后，将混凝土样品进行震实并保存至实验开始。
2. 实验方法（1）压缩强度测试使用万能试验机对混凝土样品进行压缩强度测试，测试过程中，按照ASTM C39标准进行试验。
每种混凝土样品均测试3次，取平均值作为实验结果。
（2）动态弹性模量测试使用声学测试仪对混凝土样品进行动态弹性模量测试，测试过程中，按照ASTM C215标准进行试验。
每种混凝土样品均测试3次，取平均值作为实验结果。
（3）扫描电子显微镜观察使用扫描电子显微镜（SEM）对混凝土中MWCNTs分散情况进行观察，以及分析MWCNTs与混凝土基质之间的相互作用。
四、实验结果及分析1. 压缩强度测试结果浓度（wt%）压缩强度（MPa）0 28.130.5 31.671.0 34.511.5 36.242.0 38.92由表格可知，随着MWCNTs浓度的增加，混凝土的压缩强度逐渐提高。
当MWCNTs浓度为2.0wt%时，混凝土的压缩强度相比未添加MWCNTs的混凝土提高了38.1%左右。
混凝土建筑结构中碳纳米管材料的应用
混凝土建筑结构中碳纳米管材料的应用随着科技的发展，碳纳米管作为一种新型材料，已经在各个领域得到了广泛的应用。
在建筑结构中，碳纳米管的应用也逐渐引起了人们的关注。
本文将探讨混凝土建筑结构中碳纳米管材料的应用。
一、碳纳米管的基本概念碳纳米管是一种由碳原子组成的纳米级管状结构。
它具有轻巧、高强度、高导电性、高导热性等优异的物理和化学性质，是一种具有广泛应用前景的新型材料。
二、混凝土建筑结构中碳纳米管的应用1.提高混凝土的力学性能混凝土是一种广泛应用于建筑结构中的材料，但其强度和耐久性有限。
通过添加碳纳米管，可以显著提高混凝土的力学性能，使其具有更高的强度和更好的耐久性。
研究表明，添加0.05%的碳纳米管可以将混凝土的强度提高约20%。
2.提高混凝土的导电性能在某些建筑结构中，需要将电力传输到不同的位置。
通过添加碳纳米管，可以将混凝土的导电性能提高数倍，从而实现电力传输的目的。
此外，碳纳米管还能够吸收电磁波，对于一些特殊的建筑结构也有一定的应用价值。
3.提高混凝土的防水性能混凝土在长期的使用过程中，往往会出现渗水现象，影响建筑结构的稳定性。
通过添加碳纳米管，可以提高混凝土的防水性能，从而减少渗水的发生。
研究表明，添加1%的碳纳米管可以将混凝土的渗透系数降低约60%。
4.提高混凝土的耐化学性能混凝土在长期的使用过程中，会受到酸碱等化学物质的侵蚀，影响其力学性能和耐久性。
通过添加碳纳米管，可以提高混凝土的耐化学性能，从而减少化学侵蚀的损害。
研究表明，添加碳纳米管可以将混凝土的耐化学性能提高约50%。
5.提高混凝土的抗震性能地震是一种常见的自然灾害，对于建筑结构的稳定性有着巨大的影响。
通过添加碳纳米管，可以提高混凝土的抗震性能，从而减少地震对建筑结构的影响。
研究表明，添加碳纳米管可以将混凝土的抗震性能提高约30%。
三、碳纳米管的应用案例1.碳纳米管加强混凝土桥梁碳纳米管可以加强混凝土桥梁的抗震性能和耐久性，从而提高其使用寿命和安全性。
多壁碳纳米管分散性对水泥基材料导电性能和电热特性的影响
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多壁碳纳米管在水溶液中的分散性研究
多壁碳纳米管在水溶液中的分散性研究作者：张宝明来源：《科技视界》 2014年第36期张宝明（盐城工业职业技术学院，江苏盐城 224005）【摘要】碳纳米管以其卓越的性能及其光明的应用前景而受到科学界的广泛关注。
然而，碳纳米管在水溶液及有机溶剂中的团聚问题限制了碳管的大规模应用。
笔者选用聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、十二烷基苯磺酸钠（SDBS）、十二烷基磺酸钠（SBS）三种常用表面活性剂来提高多壁碳纳米管(MWNT)在水溶液中的分散性，并通过离心沉降、紫外光谱、粒径分析等方法对分散效果进行测量与分析，找出最佳的表面活性剂及其最合理用量。
【关键词】多壁碳纳米管；水溶液；分散；表面活性剂0 引言碳纳米管（CNT）具有很多优异的性能，如物理性能、热力学性能、光学性能、电学性能等[1-3]，碳纳米管复合材料的研究也成为近年来的热点。
然而，碳纳米管有极大的比表面积和很高的表面能，在水溶液和有机溶剂中的分散性很差，在加工过程中极易发生团聚，极大的限制了碳纳米管的大规模应用。
目前，增强碳纳米管分散性的方法主要有化学改性与物理改性两种。
化学改性法主要用混酸将羧基、羟基等官能团连到碳管表面，利用这些活性基团来提高碳管的亲水性和亲油性。
物理改性法主要用表面活性剂例如配合物或嵌段共聚物[4-5]对碳管进行改性，让表面活性剂分子包裹住碳管，从而提高碳管在溶液中的溶解性。
与化学改性相比，物理改性不会破坏碳管结构与性能，也更加简便易行。
1 实验１．１材料多壁碳纳米管（MWNT），纯度>95%，碳管长度10-20 nm，深圳纳米港；浓硫酸（H2SO4），分析纯，上海试剂四厂；浓硝酸（HNO3），分析纯，上海试剂四厂；聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，K30，固性物含量>95%，国药集团；十二烷基苯磺酸钠（SDBS)，含量>90%，国药集团；十二烷基硫酸钠（SDS)，活性物>86%，国药集团。
1.2 碳纳米管/表面活性剂溶液的制备配置0.1wt%浓度的MWNT水溶液，分别加入与MWNT相同质量的表面活性剂PVP（K30）、SDBS、SDS。
多壁碳纳米管分散性研究
纯 ；过硫 酸钾 （ ２８ Ｋｓ（） ） ：天 津标 准科 技 有 限公 司 ，
分析纯 ，重结 晶后使用 。
和 ３ Ｖ ，在 ６ ． ｇＰ Ａ ２ ８℃下充 分搅 拌 溶 解 后 ，加入
Ｓ Ｓ １ ６ｇ Ｐ １ ． 充 分搅 拌至 透 明胶 状液 Ｄ ． － 一 ０ １ ４ｇ ５ ，Ｏ ０ 后 ，先加入 ０ ． ｇＭＷＮ ｓ 再加入 ８ Ａ 搅拌 ５ Ｔ， ， ｇＶ ｃ ６
至 均 匀 溶 解 ，最 后 加 入 ０ ６ ｇＫＳＯ 缓 慢 搅 拌 ． ： 。 ２ １ ｉ，形 成预 聚体 。升 温至 ５ ０ｍ ｎ ５℃，并缓慢 滴加 入 ７ ． ｍ Ａ ，同时 补加 １ Ｌ蒸馏 水 ，最后将 ７３ ＬＶ ｃ ０ｍ
将新 配制的 Ｎ Ｏ （ ｏ Ｌ ０ｍ ａ Ｈ ４ｔ ｌ ）５ Ｌ缓慢 倒入 ｏ ／ 盛有 ２ｇＭ Ｔ 的圆 底烧瓶 中 ，加 热 回流 ２ｈ后 ＷＮ ｓ
Ｆ Ｉ 外光谱 仪 ：Ｔ Ｎ Ｏ ３ ＴＲ红 Ｅ Ｓ Ｒ ７德 国 Ｂ Ｕ Ｅ ＲＫＲ 公 司 ；综合 热分 析 仪 ：Ｓ Ａ ０ Ｐ Ｔ ４ ９ Ｃ德 国 Ｎ Ｔ Ｓ Ｈ ＥＺＣ
公司 ；日立扫描 电子显微镜 。 １ ＭＷＮ ｓ ． ２ Ｔ 纯化处 理
１、 ．１ ２ ＭＷ ＮＴ 碱 处 理 ｓ
20 8~ 1 1 1
—
严重影响
烯醇 (P V A ) 聚合度
1 700
天 津市标 准科 技有 限公 司
1 800
；
，
化 学纯
(2 ) 完整 的
～
乙 酸 乙 烯 酯 (V A e ) ： 天 津市光
修 回 日期 ：
～
200 8 02
—
—
28
复 精 细 化 工 研 究所
多壁碳纳米管分散剂
多壁碳纳米管分散剂多壁碳纳米管（Multi-walled carbon nanotubes, MWNTs）是由多个同心圆形石墨层通过van der Waals力相互叠加而成的管状结构。
由于其独特的结构和优异的性能，MWNTs在许多领域都具有广泛的应用前景，但由于其高度聚集性和亲水性差的特点，MWNTs往往难以在溶液中均匀分散。
为了克服这一困难，研究人员开发了多壁碳纳米管分散剂，通过分散剂的作用，可以将MWNTs均匀分散在溶液中，为其后续的应用提供了便利。
多壁碳纳米管分散剂是一种能够与MWNTs表面相互作用的物质，通过吸附、包覆或表面修饰等方式，改变MWNTs的亲水性和表面性质，从而实现其在溶液中的分散。
常见的分散剂包括表面活性剂、聚合物、有机小分子等。
表面活性剂是一类具有亲水性和亲油性的分子，其亲水基团与MWNTs表面形成相互作用，亲油基团与溶剂形成相互作用，从而在MWNTs表面形成一层分散剂分子的包围层，防止MWNTs的聚集。
聚合物分散剂通过与MWNTs表面形成物理或化学结合，增加MWNTs与溶剂之间的相容性，从而实现分散。
有机小分子分散剂则通过与MWNTs表面形成氢键、范德华力等相互作用，改变MWNTs的表面性质，使其能够与溶剂相容。
多壁碳纳米管分散剂的选择对MWNTs的分散效果起着至关重要的作用。
一方面，分散剂需要具有良好的分散性能，能够有效地将MWNTs分散在溶液中，避免其聚集现象的发生。
另一方面，分散剂对MWNTs的性能也会产生一定的影响，如改变MWNTs的导电性、机械性能等。
因此，在选择分散剂时需要综合考虑MWNTs的应用需求和分散剂的性能特点。
多壁碳纳米管分散剂的应用涵盖了许多领域。
在材料科学领域，MWNTs分散剂常用于制备MWNTs基复合材料，如MWNTs增强的聚合物复合材料、MWNTs基导电材料等。
分散剂的加入能够有效地改善MWNTs与基体材料之间的相容性，提高复合材料的力学性能和导电性能。
多壁碳纳米管的共价修饰及分散性研究
多壁碳纳米管的共价修饰及分散性研究近年来，随着人们对新技术的日益关注，多壁碳纳米管（MWCNTs）在材料学研究领域备受重视。
MWCNTs具有良好的机械性能、高比表面积和热传导性等特点，适用于多种领域。
然而，MWCNTs存在着分散性差的主要问题，这是其应用的关键限制。
因此，提高MWCNTs分散性及改善其相关性能一直是当前研究的热点课题。
MWCNTs分散性可以通过共价修饰来改善。
共价修饰技术是一种可以改变MWCNTs表面性质与表面能的化学改性方法，从而改变水系统中MWCNTs的分散性。
具体而言，在MWCNTs表面通过共价修饰，可以给其表面附加有机分子，使其表面电荷变化，有利于其在水溶液中分散性的改善。
此外，共价修饰可以使MWCNTs更容易与其他材料相互结合，这有助于改善MWCNTs的润湿性和粘附性。
现有研究表明，不同共价修饰剂可以有效地改善MWCNTs的分散性，其中有些可以达到良好的稳定性水平，甚至不会因时间的流逝而变化。
具体来说，对于蛋白质的共价修饰，可以有效地将MWCNTs中的蛋白质结合起来，并且其分散性可以持续很长时间。
此外，糖的共价修饰可以显著改善MWCNTs的溶水性和分散性，同时可以有效地提高其热稳定性和机械性能。
另外，有机醇的共价修饰也可以改善MWCNTs的分散性，但它对MWCNTs热稳定性的影响比较小。
因此，对于MWCNTs的分散性改善，公价修饰是一个重要的方法。
然而，这项研究还有很多值得深入研究的方面，例如，如何确定有效的共价修饰剂，如何控制修饰后MWCNTs的性能和表面电荷等。
另外，研究人员还需要更多的实验数据来支持他们的研究发现。
本文讨论了多壁碳纳米管的共价修饰及分散性研究。
共价修饰可以改变MWCNTs的表面性质和表面能，而这有助于提高MWCNTs的分散性。
各种共价修饰剂可以有效地增加MWCNTs的分散性，为改善MWCNTs 的性能提供了一条可取之路。
然而，关于如何确定有效的共价修饰剂，如何控制修饰后MWCNTs的性能和表面电荷等，仍有待进一步深入研究。
多壁碳纳米管在水溶液中的分散性研究
多壁碳纳米管在水溶液中的分散性研究多壁碳纳米管在水溶液中的分散性研究如下：
多壁碳纳米管在水溶液中的分散性研究，其特征是：将多壁碳纳米管和笼形倍半硅氧烷衍生物同时加入球磨罐中形成混合物，滴入少量有机溶剂，按一定的转速和时间在球磨机中进行湿法球磨，球磨后的样品按一定浓度加入水中，超声后获得均匀分散的碳纳米管水溶液；所述笼形倍半硅氧烷衍生物通过范德华力、疏水力结合到多壁碳纳米管表面；所述多壁碳纳米管与笼形倍半硅氧烷衍生物混合物中多壁碳纳米管的质量分数为50％；所述笼形倍半硅氧烷衍生物的结构简式为[RSiO]，其中n为6、8、10或12，顶角Si原子上的R官能团为烃类或芳香类非极性或弱极性基团；所述球磨速度100rpm～300rpm，球磨时间20min～60min，球磨温度10℃～60℃。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所使用的多壁碳纳米管外径为8nm～50nm，内径为2nm～15nm，长度为0.5μm～30μm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是球磨前滴入球磨罐中的有机溶剂为四氢呋喃、氯仿、甲醇、正己烷、二氯甲烷、乙酸乙酯、丙酮、甲苯中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是滴入的有机溶剂体积由多壁碳纳米管与笼形倍半硅氧烷衍生物混合物总质量确定，范围为5mL/g～80mL/g。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征是所使用的超声时间为10min～2h，超声温度为10℃～25℃，超声功率为50W～500W。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述笼形倍半硅氧烷衍生物为异丁基笼形倍半硅
氧烷、氨丙基异丁基笼形倍半硅氧烷或八苯基笼形倍半硅氧烷。
多壁碳纳米管的共价修饰及分散性研究
多壁碳纳米管的共价修饰及分散性研究多壁碳纳米管（MWCNTs）由于其自身的优异性能，在电子材料，光学材料，气体检测器，生物传感器，电池电容器等领域广泛应用。
然而，多壁碳纳米管的应用受到了其分散性和溶解性的限制。
为了改善多壁碳纳米管的分散性和溶解性，往往需要用某种共价修饰剂进行表面修饰。
一般来说，共价修饰多壁碳纳米管的方法包括分散型共价修饰和直接共价修饰两种。
分散型共价修饰是通过在催化剂（如NaOH）的作用下将共价修饰剂（如乙醇胺）加到多壁碳纳米管表面，从而形成一个分散的共价修饰层，从而改善其分散性和溶解性。
直接共价修饰是通过将共价修饰剂直接加到多壁碳纳米管表面，形成一个薄膜层，从而改善其分散性和溶解性。
共价修饰多壁碳纳米管时，需要考虑到某些关键因素，如修饰过程中所使用的共价修饰剂。
所选共价修饰剂应具有良好的抗氧化性，长期稳定性和耐腐蚀性，以及良好的生物相容性。
此外，在修饰过程中要考虑共价修饰剂的浓度，修饰温度，修饰时间，以及离子表面张力对多壁碳纳米管的影响。
共价修饰多壁碳纳米管的优势在于可以显著改善多壁碳纳米管的分散性和溶解性。
此外，共价修饰多壁碳纳米管还具有良好的抗氧化性和耐电化学性，可以有效抑制电极消耗，延长电池寿命。
共价修饰多壁碳纳米管的研究近年来迅速发展，取得了许多重要的进展。
例如，研究人员利用聚乙烯醇（PEG）共价化多壁碳纳米管，从而改善其稳定性，抗氧化性和抗腐蚀性，从而使其在电镀表面涂覆中发挥重要作用。
此外，利用碳酸酯共价修饰的MWCNTs，可以有效地抑制相互作用，提高其分散性，使用乙醇胺共价修饰的MWCNTs，可以改善其分散性和溶解性，使其在药物新剂型中发挥重要作用。
共价修饰多壁碳纳米管是当前研究热点之一，其研究取得了一定的成就。
但是，在共价修饰多壁碳纳米管的研究中，仍有一些值得改进的问题需要进一步研究，如多壁碳纳米管和共价修饰剂之间的相互作用机制，以及不同共价修饰剂对多壁碳纳米管性能的影响。
碳纳米管对水泥基复合材料性能影响综述
碳纳米管对水泥基复合材料性能影响综述摘要：碳纳米管具有优异的力学性能、韧性、耐酸碱和化学稳定性，是一种具有广阔前景的新型纳米材料。
本文对碳纳米管在水泥基复合材料体系其分散方法和研究成果进行阐述，并对碳纳米管作为水泥基复合材料性能增强体的研究成果进行总结分析。
关键词：碳纳米管，分散方法，水泥基复合材料，力学性能1.引言碳纳米管（Carbon nanotubes，CNTs）于1991年首次由Iijima[1]制备C60过程中发现。
CNTs是一种一维纳米材料，其径向尺寸为纳米级，轴向尺寸为微米级，其结构为数层到数十层石墨烯片层卷曲闭合形成的同轴圆管，其结构示意图见图1。
又因CNTs的石墨烯片卷曲层数不同，可将其分为单壁碳纳米管（CNTs）和多壁碳纳米管（MWCNTs）[2]。
CNTs 具有优越的物理力学性能源自它的碳原子以SP2原子轨道杂化为主，CNTs抗拉强度可达到50~200GPa，而常用的Q235钢的抗拉强度仅有370~500 MPa，密度仅为钢的1/6，延伸率可达到20%，长径比可达到500~1000[3-4]。
CNTs作为纳米材料，其具有尺寸效应和边界效应，能够有效水改善泥基复合材料的孔隙结构，提高水泥混凝土的整体性、力学性能和耐久性，是一种性能优异的复合材料增强组分。
将CNTs用于改性水泥基复合材料性能已成为研究热点。
1.CNTs的分散方法CNTs的长径比大，表面具有很高的自由能，且管与管之间的范德华力强，易聚集成束或缠绕，形成团聚的状态，导致其难以在基体材料中有效分散，无法有效发挥增强作用。
为提高CNTs在水泥基复合材料中的分散性能，大量学者进行了相关研究，并取得了相应成果。
目前，可用以提高CNTs在水泥基复合材料分散性的主要分为物理分散和化学分散两大类,其中物理分散有机械搅拌法、超声波分散法以及球磨法等;化学分散方法有表面修饰法、添加分散剂等方法[1-5]。
目前研究表明，单一的分散方法很难使CNTs达到良好的分散效果，而不同分散技术结合时，CNTs的分散效果更好[3-5]。
多壁碳纳米管的分散性研究
多壁碳纳米管的分散性研究发表时间：2008-12-11T09:31:23.420Z 来源：《中小企业管理与科技》供稿作者：胡金平闵凡飞王静[导读] 摘要：利用高温下硝酸强氧化性的特点，研究了同一温度不同回流时间对多壁碳纳米管影响。
采用SEM、 FTIR、UV-Vis Spetrophotometry等分析手段对处理后碳纳米管的微观结构进行了分析。
结果表明：经热硝酸处理的碳纳米管表面带上了-OH，-COO等活性基团，碳纳米管缠绕程度降低，分散性改善，且有单根碳纳米管存在，回流6h碳纳米管在水中能稳定分散，30d而无明显沉降。
摘要：利用高温下硝酸强氧化性的特点，研究了同一温度不同回流时间对多壁碳纳米管影响。
采用SEM、 FTIR、UV-Vis Spetrophotometry等分析手段对处理后碳纳米管的微观结构进行了分析。
结果表明：经热硝酸处理的碳纳米管表面带上了-OH，-COO等活性基团，碳纳米管缠绕程度降低，分散性改善，且有单根碳纳米管存在，回流6h碳纳米管在水中能稳定分散，30d而无明显沉降。
关键词：多壁碳纳米管纯化回流时间分散性自从1991年日本NEC的Iijima[1]发现多壁碳纳米管（MWNTs）以来，它以独特的结构以及由此而来优异的力学、物理化学、电学等性能，使其成为国际上众多科学家关注和研究的热点，它被认为是复合材料的理想添加相[2,3,4]。
但实际应用过程中由于碳纳米管在制备过程中存在的缺陷、杂质，以及碳纳米管的表面效应，易形成大的团聚体，这些团聚形态往往会破坏碳纳米管所表现出的优异力学、电学特性，限制其应用。
因此，碳纳米管的分散已成为实际应用中必不可少的步骤之一。
目前，碳纳米管的纯化和分散通常用浓硝酸、浓硫酸、混合酸、煅烧以及其它强氧化剂等方法对其进行氧化纯化处理，使其侧面及开口端带上羟基和羧基等活性基团，从而改善碳纳米管分散性。
但是对多壁碳纳米管的纯化氧化程度的研究还较少，且氧化切割过程会失去碳纳米管长径比大的特点。
多壁碳纳米管在水溶液中的分散性研究
Science &Technology Vision 科技视界0引言碳纳米管(CNT)具有很多优异的性能,如物理性能、热力学性能、光学性能、电学性能等[1-3],碳纳米管复合材料的研究也成为近年来的热点。
然而,碳纳米管有极大的比表面积和很高的表面能,在水溶液和有机溶剂中的分散性很差,在加工过程中极易发生团聚,极大的限制了碳纳米管的大规模应用。
目前,增强碳纳米管分散性的方法主要有化学改性与物理改性两种。
化学改性法主要用混酸将羧基、羟基等官能团连到碳管表面,利用这些活性基团来提高碳管的亲水性和亲油性。
物理改性法主要用表面活性剂例如配合物或嵌段共聚物[4-5]对碳管进行改性,让表面活性剂分子包裹住碳管,从而提高碳管在溶液中的溶解性。
与化学改性相比,物理改性不会破坏碳管结构与性能,也更加简便易行。
1实验1.1材料多壁碳纳米管(MWNT),纯度>95%,碳管长度10-20nm,深圳纳米港;浓硫酸(H 2SO 4),分析纯,上海试剂四厂;浓硝酸(HNO 3),分析纯,上海试剂四厂;聚乙烯吡咯烷酮(PVP),K30,固性物含量>95%,国药集团;十二烷基苯磺酸钠(SDBS),含量>90%,国药集团;十二烷基硫酸钠(SDS),活性物>86%,国药集团。
1.2碳纳米管/表面活性剂溶液的制备配置0.1wt%浓度的MWNT 水溶液,分别加入与MWNT 相同质量的表面活性剂PVP(K30)、SDBS、SDS。
混合溶液在超声浴(59KHz)中超声30分钟,悬浮液再用高速离心机在8000转/分钟的速度下离心10分钟,取上层悬浮液留待测试。
1.3碳纳米管/SDBS 溶液的制备表1不同配比的MWNT/SDBS 溶液配置0.1wt%浓度的MWNT 水溶液,分别加入不同质量的十二烷基苯磺酸钠(SDBS),配比从1:3~3:1,见表1。
混合溶液在超声浴(59KHz)中超声30分钟,悬浮液再用高速离心机在8000转/分钟的速度下离心10分钟,取上层悬浮液留待测试。
多壁碳纳米管的共价修饰及分散性研究
多壁碳纳米管的共价修饰及分散性研究近年来，多壁碳纳米管（MWCNTs）研究及应用取得了长足的发展，多壁碳纳米管在材料科学、电子学、生物技术、集成电路等多个领域被广泛应用。
其中，共价修饰是提高多壁碳纳米管在上述多个领域应用价值的重要手段之一，因此多壁碳纳米管的共价修饰及分散性的研究受到了人们的高度关注。
多壁碳纳米管的共价修饰主要包括水热、介质助成长、脱酰基化以及多种离子沉积等方法。
水热是催化剂存在的水热反应的强化处理方法，作用是将碳纳米管表面的碳质层降解，使其表面更新，更加活性，更易于修饰。
多壁碳纳米管表面的介质助成长是一种智能型修饰，其主要特点是可以在纳米管表面生成各种功能基团，从而达到修饰的目的。
脱酰基化是多壁碳纳米管表面氧化剂和脱酰胺处理方法，它可以将碳纳米管表面的羰基和其他脱酰基团脱去，同时可以在表面化学定向合成功能性的基团。
最后，多壁纳米管的离子沉积法，即通过电离元素在多壁纳米管表面形成厚层，并可以使碳纳米管表面发生变化，具有优良的表面活性，从而实现表面修饰。
多壁碳纳米管的共价修饰具有强大的功能，但是，在实际应用中，由于其尺寸及结构的复杂性，多壁碳管的分散性及稳定性存在一定的问题。
因此，研究者们提出了多种方法来提高多壁碳管的分散性及稳定性。
其中，表面等离子体技术是一种被广泛应用的方法。
表面等离子体技术可以将多壁碳管表面的有机基团改成离子基团，覆盖多壁碳管表面，以达到改善分散性、抗氧化等效果。
此外，还有一些新兴的技术，如水溶性聚合物技术可以有效地将多壁碳管表面包覆，形成稳定的多壁碳管分散体，从而提高多壁碳管的分散性及稳定性。
多壁碳纳米管的共价修饰及分散性研究的发展可以推动多壁碳纳米管在材料、电子、生物技术及集成电路等多个领域的应用发展，它有助于提高多壁碳纳米管的特性，使其更好的服务于实际的应用，以期实现对多壁碳纳米管的高效利用。
针对多壁碳纳米管的共价修饰及分散性研究，在国内外均有相关研究，这些研究都为多壁碳纳米管的应用打开了新的大门，而且不断推进着多壁碳纳米管的发展。
混凝土中碳纳米管的应用研究
混凝土中碳纳米管的应用研究随着科技的不断进步和人们对环境保护的重视，绿色、环保、高效的新型材料得到了广泛的关注和研究。
碳纳米管作为一种新型的纳米材料，具有独特的物理和化学性质，因此被广泛应用于各个领域。
其中，混凝土中碳纳米管的应用，成为了当前研究的热点之一。
一、碳纳米管的概述碳纳米管是由碳原子构成的一种蜂窝式结构的纳米管，具有轻质、高强度、高导电性、高热导性等独特的物理和化学性质。
碳纳米管可以分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管两种类型，其中单壁碳纳米管是由一个单一的碳原子层卷成的，而多壁碳纳米管则是由多个单壁碳纳米管堆积而成的。
二、混凝土中碳纳米管的应用混凝土是一种广泛使用的建筑材料，具有一定的强度和耐久性。
然而，由于其本身的缺陷，如易开裂、易受潮等，混凝土在使用过程中容易发生破坏，从而影响建筑物的安全性和使用寿命。
为了提高混凝土的强度和耐久性，研究者们开始探索在混凝土中添加碳纳米管的可能性。
1.提高混凝土的强度混凝土中添加碳纳米管可以提高混凝土的强度。
研究表明，碳纳米管可以作为强化材料，与混凝土中的水泥基质形成微观结构，从而增强混凝土的力学性能。
此外，碳纳米管的高强度和高刚度也可以有效地抵抗混凝土的裂纹扩展，从而提高混凝土的抗裂性能。
2.提高混凝土的耐久性混凝土中添加碳纳米管也可以提高混凝土的耐久性。
研究表明，碳纳米管可以与混凝土中的氢氧化钙反应，形成CaCO3晶体，从而填补混凝土中的微裂缝，提高混凝土的密实性和耐久性。
此外，碳纳米管还可以吸收混凝土中的自由钙离子和氯离子，减少混凝土中的孔隙率，从而提高混凝土的抗渗性和耐腐蚀性。
3.提高混凝土的导电性混凝土中添加碳纳米管还可以提高混凝土的导电性。
研究表明，碳纳米管具有良好的导电性能，可以使混凝土变得导电。
这种导电性可以用于监测混凝土中的裂缝和变形，以及监测混凝土中的温度和湿度等参数，从而提高混凝土的安全性和可靠性。
三、混凝土中碳纳米管的制备方法混凝土中添加碳纳米管需要将碳纳米管与混凝土中的水泥基质充分结合。
混凝土中添加纳米碳纳米管对力学性能的影响研究
混凝土中添加纳米碳纳米管对力学性能的影响研究一、研究背景混凝土作为一种广泛应用的建筑材料，其强度和耐久性一直是人们关注的重点。
近年来，随着纳米技术的发展，研究人员开始将纳米材料添加到混凝土中，以提高其力学性能。
纳米碳纳米管是一种新型的纳米材料，其具有优异的力学性能和导电性能，在混凝土中添加纳米碳纳米管可能会带来新的性能提升。
因此，研究混凝土中添加纳米碳纳米管对其力学性能的影响具有重要意义。
二、研究方法本研究采用实验室试验的方法，制备不同掺量纳米碳纳米管混凝土试件，并进行力学性能测试。
具体步骤如下：1.原材料准备：水泥、砂子、石子、纳米碳纳米管。
2.试件制备：将水泥、砂子、石子按照一定比例混合，并加入不同掺量的纳米碳纳米管，搅拌均匀后倒入模具中，振实后放置养护。
3.试验方法：对制备好的混凝土试件进行压缩强度测试、抗拉强度测试、弯曲强度测试等力学性能测试。
4.数据处理：将实验数据进行统计分析，得出混凝土中添加纳米碳纳米管对力学性能的影响。
三、研究结果通过实验测试，得出如下结果：1.压缩强度：随着纳米碳纳米管掺量的增加，混凝土的压缩强度有所提高，但提高幅度较小。
2.抗拉强度：混凝土中添加少量的纳米碳纳米管可以提高其抗拉强度，但掺量过多则会造成强度下降。
3.弯曲强度：随着纳米碳纳米管掺量的增加，混凝土的弯曲强度有所提高，且提高幅度较大。
4.孔隙率：混凝土中添加纳米碳纳米管可以降低其孔隙率，提高密实性。
四、研究结论通过实验测试，可以得出如下结论：1.混凝土中添加纳米碳纳米管可以提高其力学性能，但提高幅度较小，需要控制好掺量。
2.纳米碳纳米管可以提高混凝土的密实性，降低其孔隙率。
3.混凝土中添加纳米碳纳米管可以提高其弯曲强度，适当掺量可以达到最佳效果。
综上所述，混凝土中添加纳米碳纳米管对其力学性能具有一定的提升作用，在实际应用中可以根据需要适当掺量，以达到最佳效果。
但需要注意的是，纳米碳纳米管的添加需要加强对其分散性的控制，以充分发挥其性能。
多壁碳纳米管的类型对水泥砂浆强度的影响机理
d o i :10.3963/j .i s s n .1674-6066.2022.06.003多壁碳纳米管的类型对水泥砂浆强度的影响机理杨 凡1,杨 杰2,赵欣宇1,杨宝森1,侯文诗1(1.北京中岩大地科技股份有限公司,北京100041;2.中铁广州工程局集团港航工程有限公司,广州510000)摘 要: 探究了碳纳米管的类型和掺量对水泥砂浆强度的影响,并通过背散射和压汞等微观方法分析了其影响机理㊂抗压和抗折测试结果表明,碳纳米管掺量为0.08%时,砂浆的强度最高,其中羧基碳纳米管对砂浆强度的提升效果最佳㊂微观结果表明,碳纳米管可以降低砂浆的最可几孔径㊁孔隙率和界面过渡区厚度,这解释了其提升强度的机理㊂关键词: 水泥砂浆; 碳纳米管; 孔隙; 界面过渡区M e c h a n i s mo fE f f e c t o fM u l t i -w a l l e dC a r b o nN a n o t u b e sT y p e s o nS t r e n g t ho fC e m e n tM o r t a r Y A N GF a n 1,Y A N GJ i e 2,Z HA OX i n -yu 1,Y A N GB a o -s e n 1,H O U W e n -s h i 1(1.B e i j i n g Z h o n g y a nP a r k i n g T e c h n o l o g y C o ,L t d ,B e i j i n g 100041,C h i n a ;2.C h i n aR a i l w a y G u a n g z h o uE n g i n e e r i n g G r o u p C o ,L t d ,G u a n g z h o u510000,C h i n a )A b s t r a c t : T h e e f f e c t s o f t h e t y p e a n dc o n t e n t o f c a r b o nn a n o t u b e s (C N T s )o nt h e s t r e n gt ho f c e m e n tm o r t a rw e r e e x p l o r e d ,a n d t h em e c h a n i s m w a s a n a l y z e db y m i c r om e t h o d s (b a c k s c a t t e r i n g a n dm e r c u r y i n j e c t i o n ).T h e c o m p r e s s i v e a n d f l e x u r a l t e s t r e s u l t s s h o w e d t h a tw h e n t h e c o n t e n t o fC N T sw a s 0.08%,t h e s t r e n g t ho fm o r t a rw a s t h eh i g h e s t ,a n d t h e c a r b o x y l C N T sh a d t h eb e s t e f f e c t o n i m p r o v i n g t h e s t r e n g t ho fm o r t a r .T h em i c r o s c o pi c r e s u l t s s h o w e dt h a t C N T s c o u l d r e d u c e t h em o s t p r o b a b l e p o r e s i z e ,p o r o s i t y a n d t h e t h i c k n e s s o f i n t e r f a c e t r a n s i t i o n z o n e ,w h i c h e x pl a i n e d t h em e c h a n i s mo f t h e i n c r e a s e o f s t r e n g t h .K e y wo r d s : c e m e n tm o r t a r ; c a r b o nn a n o t u b e s ; p o r e s t r u c t u r e ; i n t e r f a c e t r a n s i t i o n z o n e 收稿日期:2022-06-24.作者简介:杨 凡(1993-),硕士.E -m a i l :y a n g f a n @z y d d .c o m 碳纳米管于20世纪90年代被发现,具有弹性模量高,长细比大等优异的物理力学性能㊂碳纳米管可以被氧化,使其表面嫁接多种官能团,因此在水泥基材料领域得到了广泛的应用[1,2]㊂许多学者研究了碳纳米管增强不同环境下的水泥基材料的力学性能[3,4]㊂S i n d u 使用G u m A r a b i c (G A )分散MW C N T s ,然后将分散液与水泥混合制备MW C N T s /水泥复合材料,他发现MW C N T s 掺量为0.02%时,抗拉强度提高了17%[5]㊂张迪探究了碳纳米管掺量对水泥净浆静态和动态抗压强度的影响,他发现当碳纳米管掺量为0.03%时,水泥净浆的静态和动态抗压强度最高,比空白组增加了13.5%和55.8%[6]㊂界面过渡区对砂浆的强度有重要影响,然而,目前关于碳纳米管类型对界面过渡区的研究较少㊂因此论文探究了不同类型的碳纳米管对水泥砂浆抗压和抗折强度的影响,通过背散射和压汞等方法探讨碳纳米管对水泥砂浆界面过渡区厚度和孔隙率的影响,分析其对强度的影响机理㊂1 试 验1.1 原材料试验所用水泥为普通硅酸盐水泥P O 42.5,比表面积350m 2/k g㊂试验所用砂的粒径范围0.08~2.0m m ㊂试验所用减水剂是固含量为25%的聚羧酸减水剂㊂试验所用的多壁碳纳米管有两种:原状碳纳米管(Y C N T )01建材世界 2022年 第43卷 第6期和羧基碳纳米管(S C N T ),它们的物理性质如表1所示㊂表1 原状碳纳米管和羧基碳纳米管的物理性质碳纳米管类型管径/n m 长度/μm 堆积密度/(g ㊃c m -3)电导率/(s ㊃c m -1)w (羧基)/%Y C N T 20~3010~300.22>1500S C N T 20~3010~300.22>1501.231.2 试样制备碳纳米管-水泥砂浆复合材料的配比为水ʒ水泥ʒ砂=0.45ʒ1ʒ3,碳纳米管掺量为水泥质量的0.04%㊁0.08%和0.12%㊂制备碳纳米管-水泥砂浆复合材料的过程如下:按照配比准确称量水㊁减水剂和碳纳米管,将它们混合后放在磁力搅拌器中搅拌20m i n ,然后使用超声分散装置分散20m i n,制备出碳纳米管分散液㊂将Y C N T 分散液命名为Y -0.04%(0.08%/0.12%),S C N T 分散液命名为S -0.04%(0.08%/0.12%)㊂不掺碳纳米管的砂浆命名为S J ;掺Y C N T 的砂浆命名为S J -Y -4(8/12);相似地,掺S C N T 的砂浆命名为S J -S -4(8/12)㊂1.3 试验方法砂浆的抗压和抗折强度采用J YW -300D 抗压抗折一体机进行测试㊂碳纳米管分散液的吸光度采用S o l i d S p a c e -3700紫外可见分光光度计进行测试,测试前需要将1.2节中制备的分散液稀释15倍,使用260n m 波长的光测试㊂背散射的测试使用Z E I S S M E R L I N C o m pa c t 仪器㊂测试前,首先将样品使用环氧树脂冷镶在模具内,然后使用400~2500目的砂纸进行打磨抛光,最后使用金刚石悬浮液和丝绸进行抛光,直至试样的平整程度满足要求㊂压汞测试采用A u t o P o r e I v 9510,试样尺寸为12m mˑ12m mˑ12m m ,压力范围为0.5~62354.6p s i ㊂2 强度测试结果碳纳米管-水泥砂浆的抗折强度如图1所示㊂S J 的抗折强度为5.8M P a ,掺入碳纳米管后,砂浆的强度呈增大的趋势㊂S J -Y -4㊁S J -Y -8和S J -Y -12的抗折强度分别为6.1M P a ㊁6.5M P a 和5.7M P a ,随着Y C N T 掺量的增大,砂浆抗折强度先增大后降低,最大增长幅度为12.1%㊂掺入S C N T 后,砂浆抗折强度的变化趋势与S J -Y 相同,即先增大后降低,S C N T 掺量为0.08%时最大㊂在相同掺量下,S J -S 均比S J -Y 的抗折强度更大,说明S C N T 对砂浆抗折强度的增强效果更为优异㊂S J -Y 的抗压强度随着Y C N T 掺量的增大呈先增加后降低的趋势㊂碳纳米管掺量相同时,S J -S 的抗压强度均高于S J -Y ,当S C N T 掺量为0.08%时,S J -S的抗压强度最大,达到48.7M P a ,比S J 和S J -S -8分别增大了26.5%和9.9%㊂3 微观机理分析3.1 碳纳米管分散液的吸光度图2为Y C N T 和S C N T 分散液的吸光度㊂碳纳米管掺量越高,吸光度越大㊂碳纳米管掺量相同时,11建材世界 2022年 第43卷 第6期S C N T 的吸光度均大于Y C N T ,最大增加幅度为14.8%(碳纳米管掺量为0.08%时)㊂吸光度越大,碳纳米管的分散程度越高,试验结果表明,相同掺量下,S C N T 的分散程度更高,这是因为S C N T 嫁接有羧基,羧基具有亲水性,在超声分散的作用下,羧基可以与水形成氢键,在水中分散的更为均匀,并且其稳定性更高㊂一般情况下,分散程度越大,性能提升效果越明显㊂吸光度的结果也说明了S J -S的抗压和抗折强度要高于S J -Y 的原因㊂3.2 孔结构孔结构对水泥砂浆的力学性能有重要影响㊂表2展示了碳纳米管-水泥砂浆的最可几孔径和孔隙率㊂对于最可几孔径,掺入碳纳米管后,与S J 相比,总体呈降低趋势,其中S J -S -8的最可几孔径最小,为83n m ,比S J 的最可几孔径(95n m )降低了12.6%㊂对于相同类型的碳纳米管,最可几孔径随着掺量的增大呈先降低后增大的趋势;碳纳米管掺量相同时,掺入S C N T 的砂浆的最可几孔径更小㊂最可几孔径和孔隙率的结果表明,适量碳纳米管可以降低水泥砂浆的孔隙率,这是由于碳纳米管掺入后堵住了较大的孔隙,降低了孔体积㊂但是当碳纳米管掺量过多时,由于分散不充分,碳纳米管聚集成团,在其周围形成了较大的孔隙,反而增加了水泥砂浆的孔隙率㊂相同掺量下的碳纳米管相比,S C N T 对孔隙率的降低效果更优异,这是因为S C N T 上的羧基可以吸附C a 2+,从而在碳纳米管表面生成C -S -H ,进一步降低了孔隙的体积[7]㊂表2 碳纳米管-水泥砂浆的最可几孔径和孔隙率S J S J -Y -4S J -Y -8S J -Y -12S J -S -4S J -S -8S J -S -12最可几孔径/n m95918799898390孔隙率/%13.112.411.913.312.111.412.83.3 界面过渡区除了孔隙率,水泥砂浆界面过渡区的厚度对其力学性能也有重要影响㊂对于界面过渡区厚度的确定,通常采用条带法,具体过程如图3所示㊂各组的界面过渡区厚度如图4所示㊂掺入碳纳米管后,界面过渡区厚度呈降低趋势,但是S J -Y -12的界面过渡区厚度增大㊂碳纳米管掺量相同时,掺入S C N T 的砂浆的界面过渡区厚度更小,其中S J -S -8的界面过渡区厚度最小,为27.2μm ,比S J 降低了11.1%,比S J -Y -8降低了4.6%㊂出现这种现象的原因是碳纳米管的掺入可以在浆体中形成三维网络结构,增加浆体的密实性,降低了其厚度㊂对于不同类型的碳纳米管,由于S C N T 上的羧基吸附C a 2+,使其表面生成C -S -H ,密实程度进一步增大,界面过渡区厚度更小㊂界面过渡区厚度的变化规律与砂浆的抗压抗折强度相一致,这阐述了S J -S -8的抗压和抗折强度最大的原因㊂(下转第37页)21建材世界 2022年 第43卷 第6期建材世界2022年第43卷第6期薄弱区域,因而28d强度较之常温养护更高㊂2.5生产适应性分析目前UH P C生产主要有项目现场搅拌生产和工厂化预拌生产两种模式,现场搅拌生产时需提前计量原材料并预混,再通过吨袋形式运至现场割包使用㊂而工厂预拌则可利用粉料储罐储存水泥硅灰等胶凝材料,正式生产前能够实现对硅灰的预处理工艺㊂制浆法效果优于预拌法,但加水制浆法需提前24h加水浸泡,这对于UH P C的生产组织及质量管控的挑战严峻㊂预拌法效果虽略低于加水制浆法,与现有生产体系的适配性更佳,更适用于实际应用㊂同时考虑到预处理工艺缩短拌和时间和凝结时间对搅拌生产及模具周转效率的提升,经时坍落扩展度损失降低及蒸养强度的改善对工程品质的提升,该研究中的预拌法与工厂预制生产UH P C构件的匹配度更高㊂3结论a.预处理工艺可有效提高硅灰的分散效果,减少拌和过程机械分散过程时间,缩短拌和时间20%以上;分散后的硅灰颗粒细度更小,与水泥充分接触,缩短了凝结时间㊂b.硅灰颗粒经预处理后细化,比表面积增大,需水量增大,初始扩展度略有降低,扩展度经时损失得到改善;预拌法和制浆法28d标准养护强度分别增长了4M P a㊁6M P a,蒸汽养护条件下强度增大8M P a㊁12M P a㊂c.预拌法与现有生产体系的适应性更佳,在UH P C构件预制生产中应用前景更好㊂参考文献[1]汪发红,钱觉时,李宁.硅灰增密-解密方法的研究[J].混凝土,2010(9):52-54.[2]汪发红.硅灰增密-解密方法及其对性能影响的研究[D].重庆:重庆大学,2007.[3]刘明,张磊,杨文,等.不同结构聚羧酸减水剂对水泥-硅灰浆体黏度和吸附行为的影响[J].硅酸盐学报,2022,50(2):445-451.[4]刘盖,白敏,赵鹏.预处理硅灰对水泥净浆和砂浆的性能影响[J].非金属矿,2016,39(6):11-14,19.[5]王冠,李炜,葛文杰,等.不同因素对超高性能混凝土工作性及力学性能的影响[J].混凝土与水泥制品,2021(12):50-54.[6]卢喆,冯振刚,姚冬冬,等.超高性能混凝土工作性与强度影响因素分析[J].材料导报,2020,34(S1):203-208. (上接第12页)4结论a.碳纳米管可以增强水泥砂浆的抗压和抗折强度,最佳掺量为0.08%,并且S C N T的增强效果更为明显㊂b.碳纳米管掺量相同时,S C N T的吸光度大于Y C N T,说明S C N T的分散程度更大㊂c.碳纳米管可以降低砂浆的最可几孔径㊁孔隙率和界面过渡区厚度,掺量为0.08%时降低效果最佳㊂参考文献[1]郑小青.碳纳米材料对水泥基材料耐久性的影响研究[J].东莞理工学院学报,2021,28(3):94-99.[2]张继旭,王文广,李金权,等.碳纳米管水泥基复合材料的研究进展[J].硅酸盐通报,2021,40(3):714-722.[3]罗润泽,邹品玉,唐小林,等.碳纳米管砂浆在干湿循环-碳酸化作用下的性能研究[J].南华大学学报(自然科学版),2021,35(2):63-69.[4]程马遥,曾洋,杨虹.碳纳米管增强水泥基注浆材料的制备及其注浆性能研究[J].功能材料,2020,51(11):11207-11213.[5] S i n d uBS,S a s m a l S.P r o p e r t i e s o fC a r b o nN a n o t u b eR e i n f o r c e dC e m e n t C o m p o s i t e S y n t h e s i z e dU s i n g D i f f e r e n tT y p e s o fS u r f a c t a n t s[J].C o n s t r u c t i o na n dB u i l d i n g M a t e r i a l s,2017,155:389-399.[6]张迪,陆富龙,梁颖晶.冲击荷载下碳纳米管对水泥动态力学性能影响及机理分析[J].混凝土,2020(6):19-24.[7] H o uD,L uZ,L iX,e t a l.R e a c t i v e M o l e c u l a rD y n a m i c sa n dE x p e r i m e n t a l S t u d y o fG r a p h e n e-c e m e n tC o m p o s i t e s:S t r u c-t u r e,D y n a m i c s a n dR e i n f o r c e m e n tM e c h a n i s m s[J].C a r b o n,2017,115:188-208.73。
碳纳米管对水泥基材料微观结构及耐久性能的影响
第48卷第5期 2020年5月硅 酸 盐 学 报Vol. 48，No. 5 May ，2020JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY DOI ：10.14062/j.issn.0454-5648.2020.05.20190638碳纳米管对水泥基材料微观结构及耐久性能的影响牛荻涛1,2，何嘉琦1，傅 强1,2，李 丹1，郭冰冰1,2(1. 西安建筑科技大学土木工程学院，西安 710055；2. 省部共建西部绿色建筑国家重点实验室/西安建筑科技大学，西安 710055)摘 要：碳纳米管是一种性能优异的纳米材料，将其掺入水泥基材料中将会显著影响水泥基材料的微观结构及宏观性能。
本文系统总结和分析了国内外有关碳纳米管对水泥基材料微观结构和耐久性能的研究成果。
讨论了碳纳米管对水泥基材料的水化特性、孔结构、微裂缝、内部界面及抗碳化能力、抗离子侵蚀能力、抗冻融破坏能力的影响及作用机理。
分析发现碳纳米管通过成核作用促进了水化产物的生成、影响了水泥水化反应速率，并通过填充作用和桥联作用优化了水泥基材料的孔结构和内部界面，阻碍了微裂缝的形成及扩展；此外，碳纳米管通过对水泥基材料微观结构的优化，提高了水泥基材料的抗碳化能力、抗离子侵蚀能力和抗冻融破坏能力等耐久性能。
目前，碳纳米管对水泥基材料微观结构及耐久性能影响的研究成果相对较少，相关结论也未完全达成一致，因此，还需要进一步的深入研究。
关键词：碳纳米管；水泥基材料；微观结构；耐久性；作用机理中图分类号：TU528 文献标志码：A 文章编号：0454–5648(2020)05–0705–13 网络出版时间：2020–03–06Effect of Carbon Nanotubes on Microstructure and Durability of Cement-Based MaterialsNIU Ditao 1,2, HE Jiaqi 1, FU Qiang 1,2, LI Dan 1, GUO Bingbing 1,2(1. School of Civil Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China; 2. State Key Laboratory ofGreen Building in Western China, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China)Abstract: Carbon nanotube is a kind of excellent nanomaterial. The incorporation of carbon nanotubes will affect the microstructure and macroscopic properties of cement-based materials. The research results about carbon nanotubes on the microstructure and durability of cement-based materials were analyzed. The effect of carbon nanotubes on the hydration characteristics, pore structure, micro-crack, internal interface, carbonization resistance, ion erosion resistance, frost and thaw resistance of cement-based materials and their mechanism were discussed. The results show that carbon nanotubes promote the generation of hydration products through nucleation and affect the hydration reaction rate of cement. The pore structure and internal interface of cement-based materials were optimized by the filling and bridging effects of carbon nanotubes, thus hindering the forming and expanding of micro-cracks Also, carbon nanotubes can improve the durability of the cement-based materials, such as carbonization resistance, ion erosion resistance, frost and thaw resistance via the optimization of the microstructure of the cement-based materials. At present, some further researches are thus needed since the research results of carbon nanotubes on the microstructure and durability of cement-based materials are relatively less and the relevant conclusions obtained are different.Keywords: carbon nanotubes; cement-based materials; microstructure; durability; mechanism of action水泥基材料由于具有较好的力学性能和耐久性能，目前已被广泛应用于土木工程的各个领域，如房屋建筑、桥梁、隧道、道路、港口等[1‒4]。
多壁碳纳米管的共价修饰及分散性研究
多壁碳纳米管的共价修饰及分散性研究近年来，多壁碳纳米管（MWCNTs）已成为一种重要的材料，具有优良的电学、机械和热性能，因而受到越来越多的关注。
由于多壁碳纳米管具有自身的价性，可以使其在多种场合用作多种材料和应用。
然而，由于表面空气化合物的存在，空气化合物可能会阻碍其性能的充分发挥，因此，去除这些空气化合物的共价修饰技术成为一种有效的方法。
共价修饰技术是通过化学连接的方式来改变多壁碳纳米管的表面特性的一种技术，通过化学连接的方式可以有效地改变表面的结构，从而对外界的敏感度降低，改善多壁碳纳米管的屏蔽能力。
常用的共价修饰技术有醇类共价修饰、胺类共价修饰、羧基共价修饰、氰基共价修饰等，主要用于改善多壁碳纳米管的表面性能，改善其分散性，以提高其应用的可实现性。
首先，醇类共价修饰是对多壁碳纳米管表面特性的改善技术，其基本原理是将表面上的空气化合物以连接反应形式与醇类化合物连接，从而达到去除空气化合物的作用，从而改善多壁碳纳米管的性能，其优势是分散性好、稳定性高、有活性好，可以有效改善多壁碳纳米管的导电性、机械性能和抗氧化性能。
其次，胺类共价修饰是用醇类化合物将多壁碳纳米管的表面的空气化合物与胺类化合物连接，以达到去除空气化合物的效果，从而改善多壁碳纳米管的性能。
与醇类共价修饰不同，这种方法能够有效改善多壁碳纳米管的机械强度和密度，提高多壁碳纳米管的分散性和表面活性，同时具有稳定性好、耐低温的优势。
接下来，羧基共价修饰是将多壁碳纳米管表面的空气化合物与羧基化合物连接，以达到去除空气化合物的效果，从而改善多壁碳纳米管的性能。
优势是具有分散性好、抗化学和抗热性能好，可以有效改善多壁碳纳米管的电学性能、抗氧化性能和抗冲击性能。
最后，氰基共价修饰是将多壁碳纳米管表面的空气化合物与氰基化合物连接，以达到去除空气化合物的效果，从而改善多壁碳纳米管的性能。
优势是具有分散性好、抗酸性能好、耐腐蚀性能好等，可以有效改善多壁碳纳米管的机械性能和电子性能。
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多壁碳纳米管在水泥基材料中的分散性及其影响黎恒杆1,2,3,苏晴微1,林姝彦1,林丹萍1,潘正阳1,杨竞龙1(1.武夷学院土木工程与建筑学院,福建武夷山354300;2.丘陵山地智慧城镇建设技术福建省高校重点实验室,福建武夷山354300;3.闽北山地地质灾害防治福建省高校工程研究中心,福建武夷山354300)摘要:研究了多壁碳纳米管(MWCNTs )的分散性及其对水泥基材料的电学和力学性能的影响。
结果表明:当超声处理时间为30min ,MWCNTs 溶液的质量浓度为1%,分散剂PVP-K30添加量为7%时,MWCNTs 的分散效果最佳。
当MWCNTs 在水泥基材料中分散效果好时,水泥基材的电阻率随掺量的增加而降低,水泥基材料的抗压强度和抗折强度随掺量的增加而增大,当MWCNTs 掺量为0.025%时,其抗压强度和抗折强度比没添加MWCNTs 时分别增大了13.05%和9.4%。
当MWCNTs 在水泥基材料中分散效果不好时,水泥基材的电阻率随掺量的增加呈离散变化,其抗压强度和抗折强度随掺量的增加而减小,当MWCNTs 掺量为0.025%时,其抗压强度和抗折强度比没添加MWCNTs 时分别减小了13.35%和13.97%。
关键词:多壁碳纳米管;水泥基;分散效果;力学性能;电学性能中图分类号:TB332;TU528文献标识码:A文章编号:2095-7726(2019)06-0024-06水泥基材料是应用广泛的建筑材料,其性能对建筑物、工程构建至关重要。
单壁碳纳米管(CNTs )[1]有着优越的力学、电学、光学、热学性能,其抗拉强度可达50~200GPa ,是钢的100倍[2-4]。
单壁碳纳米管可看成是由单层石墨卷曲而成的圆筒,而多壁碳纳米管(MWCNTs )则是由多层石墨卷曲而成[5]。
利用MWCNTs 对水泥基材料进行改性,可改善水泥基材料的电学、力学性能[6]。
马颖等[7]以多壁碳纳米管为增强组分,采用分散剂和超声分散方法制备了水泥基复合材料,结果表明:当碳纳米管掺量一定时,随着水灰比的增加,水泥基复合材料的抗折强度有所提高,但抗压强度随之降低;当水灰比一定时,碳纳米管的掺量存在一个最优值,为0.4%。
王宝民等[8]和朱洪波等[9]研究了碳纳米管在水泥基复合材料中的分散性,证明了聚乙烯吡咯烷酮(PVP )对多壁碳纳米管在水泥基材料中的分散有良好的作用。
目前的研究重点在MWCNTs 对水泥基材料力学性能的影响,关于MWCNTs 在水泥基材料中的分散性对水泥基材料的力学性能和电学性能的研究还少有报道,本文主要研究MWCNTs 在水泥基材料中的分散性及分散效果对水泥基材料电学性能和力学性能的影响。
1实验部分1.1实验材料及仪器实验材料:MWCNTs ,苏州恒球科技有限公司,纯度>95%,外径为8~15nm ,内径为3~5nm ;分散实验用水为怡宝纯净水,试块浇筑用水为实验室自来水;水泥为万年青牌普通硅酸盐水泥R42.5;分散剂为东莞市顺捷塑胶原料有限公司的聚乙烯吡咯烷酮K30(PVP-K30)。
主要设备:LD-3光合电动离心机(定时范围为0~60min ,调速范围为0~4000r/min ),PS-70AL 超声清洗机(工作频率为40kHz ,超声波功率为420W ,加热功率为400W ,可调时间为0~30min ,机器容量为20L ,电源AC 为220V ),美普达V-1200型紫外可见分光光度计/台式光度检测仪(波长范围为200~1000nm ,光谱带宽为4nm ,波长准确度为±1,电源AC 为220V/50Hz ),优策UC2876高频LCR 元器件测试仪(测试频率为20Hz~5MHz ,分辨率为10mHz ),万测液压万能试验机,FEI “Quanta FEG 系列”场发射环境扫描电子显微镜。
1.2实验过程1.2.1MWCNTs 悬浮液制备采用超声分散法制备MWCNTs 悬浮液,过程如下:第36卷第6期Vol.36No.6新乡学院学报Journal of Xinxiang University2019年6月Jun.2019收稿日期:2019-03-06基金项目:福建省自然科学基金项目(2019J01060795);福建省大学生创新实验项目(20191039760);丘陵山地智慧城镇建设技术福建省高校重点实验室开放基金项目(k201803)作者简介:黎恒杆(1980—),男,广西玉林人,讲师,研究方向:建筑材料及工程管理。
将准确称量好的MWCNTs (超声时间和分散剂含量为变量时MWCNTs 均为1g )掺入到配置好的PVP-K30溶液(所有试验组纯净水均为100mL )中,人工搅拌后超声30min ,待超声完成后静置10min 。
1.2.2MWCNTs 悬浮液离心将静置后的MWCNTs 悬浮液倒入离心机试管中,在2000r/min 转速下离心2min ,离心后,对沉淀MWCNTs 进行真空抽滤,然后烘干,称量其质量,以此计算离心后悬浮液MWCNTs 的剩余质量。
1.2.3紫外线可见光测试将过滤后的MWCNTs 悬浮液静置5h ,轻抽3份少量上层溶液注入比色皿中(以蒸馏水为对照组),测出3份数值,求平均数。
1.2.4MWCNTs 悬浮液电阻测试将过滤后的MWCNTs 悬浮液静置5h ,在烧杯中插入电极片(电极片为紫铜制作,宽为2cm ,高为10cm ,阴阳极相距为4cm ),使用优策UC2876测试仪在频率为20kHz 时测试悬浮液电阻,并计算电阻率。
1.2.5水泥净浆试块采用40mm ×40mm ×160mm 一具三联铸铁模具制作水泥试块,按照MWCNTs 分散效果好坏制作两大组试块(分散效果不好的为A 组,分散效果好的为B 组),两组的配合比如表1所示。
1.3测试表征1.3.1MWCNTs 悬浮液分散性的测试表征用MWCNTs 悬浮液的吸光度、电阻率和离心后剩余质量来表征MWCNTs 悬浮液的分散效果。
电阻率越低说明悬浮液的导电性能越好,则MWCNTs 在液体中的分散效果越好;剩余质量越高说明离心后更多的MWCNTs 分散在液体中;吸光度与剩余质量有固定比例关系,吸光度越高说明溶液中MWCNTs 浓度越高,MWCNTs 分散效果越好。
1.3.2MWCNTs 分散性对水泥基材料影响的表征根据测试时间的要求,将养护好的各组试块取出,在室温下晾4h 后进行电阻测试;按照GB/T 17671—1999胶砂力学性能试验方法进行抗压抗折强度试验。
将测试后的试块压碎后取样,喷金处理,用FEI “Quanta FEG 系列”场发射环境扫描电子显微镜观察MWCNTs 在水泥基中的分散形貌。
2实验结果及分析2.1MWCNTs 分散性分析2.1.1超声时间对MWCNTs 分散性的影响在100mL 水中掺入1g MWCNTs ,考察超声处理时间对MWCNTs 在水中分散效果的影响,如图1~3所示。
由图1、图2、图3可知:随着超声时间延长,剩余质量和吸光度先升高后降低,然后趋于平缓,电阻对应先降低后小幅度升高;这表明随着超声时间延长,MWCNTs 迅速分散,当超声时间大于30min 时则分散速度降低,当超声时间达到45min 时其分散效果趋于稳定。
由此可得:MWCNTs 的分散效果和超声时间有较大关系,理想的超声时间为30min ,此时对应的吸光度为2.078,电阻率为0.856k Ω·m 。
表1水泥净浆试块配合比水泥/g1382.41382.41382.41382.41382.4水/g456.192456.192456.192456.192456.192MWCNTs/g 00.01380.04150.13820.3456MWCNTs 掺量0.001%0.003%0.010%0.025%水灰比0.330.330.330.330.33图1超声时间对MWCNTs 剩余质量的影响图2超声时间对吸光度的影响注:MWCNTs 掺量是指MWCNTs 与水泥的质量比。
黎恒杆,苏晴微,林姝彦,林丹萍,潘正阳,杨竞龙:多壁碳纳米管在水泥基材料中的分散性及其影响25··2.1.2MWCNTs 的浓度对分散性的影响将不同质量的MWCNTs 分别掺入100mL 水中,超声处理30min ,MWCNTs 在水中的分散效果如图4~图6所示。
由图4、图5、图6可知:剩余质量随MWCNTs 掺入量的增大不断升高;吸光度随MWCNTs 掺入量的增大先短暂快速升高,当MWCNTs 掺入量大于1g/100mL 时升高速度变缓;电阻率随MWCNTs 掺入量的增大而快速降低,当MWCNTs 掺入量大于1g/100mL 时,其电阻率平缓降低。
这说明MWCNTs 掺入量为1g/100mL 时其分散效果较好,此时对应的电阻率为0.163k Ω·m ,剩余质量为0.096g ,吸光度为1.261。
2.1.3分散剂含量对MWCNTs 分散性的影响在100mL 水中掺量1g MWCNTs ,加入不同含量的分散剂聚乙烯吡咯烷酮K30,超声处理30min ,考察分散剂含量对MWCNTs 在水中分散效果的影响,如图7、图8所示。
由图7、图8可知:随着分散剂掺入量的增加,剩余质量不断增加,当分散剂含量为7%时剩余质量达到最高,而后降低,当分散剂含量大于12%时趋于平缓降低;随着分散剂掺入量的增加,吸光度先升高后降低,当分散剂含量为7%时达到最高。
这说明分散剂的最佳含量为7%,此时的吸光度为1.4,剩余质量为0.068g。
图3超声时间对电阻率的影响图4MWCNTs 掺入量对剩余质量的影响图5MWCNTs 掺量对吸光度的影响图5MWCNTs 掺入量对吸光度的影响图7分散剂含量对剩余质量的影响图8分散剂含量对吸光度的影响图6MWCNTs 掺入量对电阻率的影响新乡学院学报26··2.2MWCNTs 分散性对水泥基材料的电学性能和力学性能的影响2.1中不同分散条件下的MWCNTs 溶液离心分离后会出现两层,下层是沉淀的MWCNTs ,上层是MWCNTs 分散在水中的溶液。
将下层沉淀的MWCNTs 烘干后,按照水泥试块(一模三联,尺寸为40mm ×40mm ×160mm )中水泥质量的0.001%、0.003%、0.01%、0.025%称量后加入水中搅拌,然后倒入水泥浆中,作为分散效果不好的试块组(称为A 组)。
将上层溶液,测定其MWCNTs 含量后,按照水泥试块中水泥质量的0.001%、0.003%、0.01%、0.025%,分别量定MWCNTs 分散溶液,然后加入到水泥浆中,作为分散效果好的试块组(称为B 组)。