导电骨料、智能水泥复合材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种导电骨料、智能水泥复合材料及其制备方法与应用。所述导电骨料是由石墨烯、聚苯乙烯磺酸、水、PVDF乳液以及河砂制得的表面沉积致密导电聚合物薄膜的骨料。本发明专利技术将水泥、粉煤灰、所述导电骨料和碳纤维进行干混，再加入水混合，即可得到含有导电骨料的智能水泥复合材料。本发明专利技术提供的智能水泥复合材料在智能砂浆内部构建“三维导电网络通道”，可将砂浆电阻率下降4个数量级，电阻变化率提高167倍，且基本对砂浆的流动度和力学性能无不利影响。此外，该智能水泥复合材料制成的水泥基压阻传感器可以用于结构健康监测领域。基压阻传感器可以用于结构健康监测领域。基压阻传感器可以用于结构健康监测领域。

【技术实现步骤摘要】
导电骨料、智能水泥复合材料及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及一种导电骨料、智能水泥复合材料及其制备方法与应用，以及在制备水泥基压阻传感器中的应用，属于导电水泥基复合材料


技术介绍

[0002]随着土木工程逐渐向智能化方向发展，近年来智能水泥基复合材料得到了巨大关注，可应用于结构健康监测、路面除冰/融雪和电磁干扰屏蔽等领域。这些潜在应用领域的前提是赋予水泥基材料导电性，可以通过向水泥基体中直接引入导电相(如炭黑、碳纳米管、石墨烯和碳纤维等)得以实现。研究表明，直接向水泥基体中掺加上述导电相，可以将原始水泥基材料的电阻率(105
‑
107Ω
·
cm)降低约3个数量级，下降幅度主要取决于导电相的浓度和分散质量。然而，通常情况下，向水泥基体中直接引入导电相会导致导电相团聚，严重影响拌合物工作性能，进而影响水泥基材料力学和耐久性能，此外，团聚的导电相无法在水泥基材料内部形成完好的导电通路；故为了进一步降低试件电阻率，只能加大导电相用量或使用更繁琐的分散工艺，这无疑增加了智能水泥基复合材料的造价并限制了其实际应用。
[0003]更重要的是，制备智能水泥复合材料的传统策略是直接将导电相添加到水泥中并使其导电，再与骨料混合。考虑到水泥在砂浆/混凝土中体积占比较低(分别为30
‑
40％和10
‑
25％)，故该工艺所制备的智能砂浆/混凝土的导电性将受到很大程度限制。此外，该方法使水泥基材料中最薄弱的界面过渡区限于导电网络的外围，从而限制了水泥基传感器的灵敏度。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供导电骨料、智能水泥复合材料及其制备方法与应用，以克服现有技术中的不足。
[0005]为实现上述专利技术目的，本专利技术采用了如下技术方案：
[0006]本专利技术的主要目的在于提供了一种导电骨料的制备方法，包括：
[0007]使石墨烯、聚苯乙烯磺酸、水的混合体系与PVDF乳液混合，形成导电聚合物分散液；
[0008]使河砂浸置于所述导电聚合物分散液中，经搅拌、干燥处理，得到表面沉积致密导电聚合物薄膜的骨料，即导电骨料。
[0009]本专利技术还提供了由所述制备方法制得的制得的导电骨料。
[0010]本专利技术的另一目的在于提供了一种智能水泥复合材料的制备方法，其包括：
[0011]将水泥、粉煤灰、所述导电骨料和碳纤维进行干混，再加入水混合，得到含有导电骨料的智能水泥复合材料。
[0012]本专利技术还提供了由所述制备方法制得的含有导电骨料的智能水泥复合材料。
[0013]此外，本专利技术还提供了一种水泥基压阻传感器，由所述智能水泥复合材料制成。
[0014]本专利技术还提供了所述水泥基压阻传感器在楼房、桥梁和隧道等结构健康监测领域中的应用。
[0015]与现有技术相比较，本专利技术的有益效果至少在于：
[0016]1)本专利技术提供了一种新型的导电骨料，导电骨料的引入在水泥砂浆内部形成“导电骨架”结构，并被随机分布的导电碳纤维链接，形成“三维导电网络结构”，大幅增加了导电水泥砂浆的电导率。
[0017]2)本专利技术提供的含有导电骨料的智能水泥复合材料中最为薄弱的界面过渡区(骨料
‑
水泥浆体界面)内嵌在导电网络内部，增加了水泥基传感器的灵敏度。
附图说明
[0018]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0019]图1为本专利技术实施例中导电聚合物制备过程示意图。
[0020]图2为天然骨料的外观图。
[0021]图3为本专利技术实施例1制备的导电骨料的外观图。
[0022]图4为本专利技术实施例1制备的含有导电骨料的智能水泥复合材料电极分布以及电阻率的测试示意图。
[0023]图5为本专利技术实施例1制备的含有导电骨料的智能水泥复合材料传感器压阻性能的测试示意图。
[0024]图6为本专利技术实施例1制备的含有导电骨料的智能水泥复合材料内部电路的分布示意图。
具体实施方式
[0025]鉴于现有技术的缺陷，本案专利技术人经长期研究和大量实践，得以提出本专利技术的技术方案，下面将对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，其主要是一种导电骨料、智能水泥复合材料及其制备方法与应用，所述智能水泥复合材料的制备方法基于界面涂层设计，以大幅降低智能水泥基复合材料的电阻率，同时几乎不损害其工作性能和力学强度。
[0026]本专利技术实施例的一个方面提供的一种导电骨料的制备方法包括：
[0027]使石墨烯、聚苯乙烯磺酸、水的混合体系与PVDF乳液混合，形成导电聚合物分散液；
[0028]使河砂浸置于所述导电聚合物分散液中，经搅拌、干燥处理，得到表面沉积致密导电聚合物薄膜的骨料，即导电骨料。
[0029]在一些具体的实施例中，将石墨烯和水拌合1
‑
3min，使用表面活性剂对石墨烯表面进行改性，并在冰浴条件下超声分散，得到石墨烯分散液；
[0030]使所述氧化石墨烯分散液中的石墨烯、聚苯乙烯磺酸、水的混合体系与PVDF乳液混合，形成导电聚合物分散液。
[0031]进一步地，所述石墨烯包括高导电型石墨烯，石墨烯优选自四川垦业科技发展有
限公司生产的KY HE
‑
1型高导电型石墨烯，其碳氧比为26，片层尺寸5
‑
15μm，薄膜电导率为660S/cm(四探针法测试)。
[0032]进一步地，所述表面活性剂包括三聚氰胺。
[0033]进一步地，所述表面活性剂石墨烯的质量比为0.50
‑
0.55∶1。
[0034]在一些具体的实施例中，所述PVDF乳液包括阿科玛Kynar Flex 2751共聚物乳液，熔点为135℃，熔融粘度为22KP。
[0035]进一步地，所述聚苯乙烯磺酸的固含量为2％，在25℃的密度为1.11g/mL。
[0036]进一步地，所述河砂的粒径为0.075
‑
4.75mm，24h的吸水率为0.9％。
[0037]进一步地，所述搅拌的速度为20
‑
30r/min，搅拌的时间为5
‑
7min。
[0038]进一步地，所述干燥的温度为70
‑
80℃，干燥的时间为48
‑
72h。
[0039]在一些更为具体的实施例中，先使用三聚氰胺水溶液对石墨烯表面进行表面改性，同时在冰浴条件用超声波细胞分散仪(功率为60
‑
70W，超声时间460
‑
500min)处理，得到高质量石墨烯分散液。
[0040]更进一步地，所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种导电骨料的制备方法，其特征在于，包括：使石墨烯、聚苯乙烯磺酸、水的混合体系与PVDF乳液混合，形成导电聚合物分散液；使河砂浸置于所述导电聚合物分散液中，经搅拌、干燥处理，得到表面沉积致密导电聚合物薄膜的骨料，即导电骨料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于具体包括：将石墨烯和水拌合1
‑
3min，使用表面活性剂对石墨烯表面进行改性，并在冰浴条件下超声分散，得到石墨烯分散液；使所述氧化石墨烯分散液中的石墨烯、聚苯乙烯磺酸、水的混合体系与PVDF乳液混合，形成导电聚合物分散液；优选的，所述石墨烯包括高导电型石墨烯；优选的，所述表面活性剂包括三聚氰胺；优选的，所述表面活性剂与石墨烯的质量比为0.50
‑
0.55∶1。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述PVDF乳液包括阿科玛Kynar Flex2751共聚物乳液；和/或，所述河砂的粒径为0.075
‑
4.75m；和/或，所述搅拌的速度为20
‑
30r/min，搅拌的时间为5
‑
7min；和/或，所述干燥处理的温度为70
‑
80℃，干燥处理的时间为48
‑
72h。4.由权利要求1
‑
3中任一项所述的制备方法制得的导电骨料。5.一种智能水泥复合材料的制备方法，其特征在于，包括：将水泥、粉煤灰、权利要求4中的导电骨料和碳纤维进行干混，再加入水混合，得到含有导电骨料的智能水泥复合材料。6.根据权利要求5所述的智能水泥复合材料的制备方法，其特征在于具体包括：将包括水泥、粉煤灰、所述导电骨料和碳纤维的混合体系进行干混，再加入水混合，低速搅...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢东，孙力，陈明慧，
申请(专利权)人：苏州固韧纳米材料技术有限公司，
类型：发明
国别省市：