一種導(dǎo)電地聚合物的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無(wú)機(jī)膠凝材料領(lǐng)域，尤其是涉及一種導(dǎo)電地聚合物的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 地聚合物是一種新型的無(wú)機(jī)材料，它由具有活性的硅鋁質(zhì)材料在堿性環(huán)境下發(fā)生 溶出、地聚合反應(yīng)生成，基體由[SiO 4]四面體和[AlO4]四面體聚合形成的三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié) 構(gòu)組成，化學(xué)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)非晶質(zhì)至半晶質(zhì)相，其抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到40-80MPa，耐火溫度達(dá)到 IlOOcC。與傳統(tǒng)硅酸鹽水泥相比，地聚合物具有更為優(yōu)異的熱穩(wěn)定性與耐腐蝕性能。因此， 以地聚合物為膠凝材料配制的混凝土及復(fù)合材料具有優(yōu)于傳統(tǒng)水泥混凝土材料及水泥基 復(fù)合材料的耐高溫能力和耐久性。地聚合物的導(dǎo)電性能優(yōu)于普通硅酸鹽水泥，其電阻率約 為后者的1/2-1/100,更加適用于制造防雷、防靜電保護(hù)設(shè)施需要的導(dǎo)電混凝土及導(dǎo)電復(fù)合 材料。然而單純的地聚合物其導(dǎo)電性能仍不能夠替代傳統(tǒng)的導(dǎo)電水泥，目前也尚未見(jiàn)具有 改良導(dǎo)電性能的地聚合物的報(bào)道及文獻(xiàn)。傳統(tǒng)制造導(dǎo)電水泥所采用的方法，如添加石墨、碳 纖維肩、鋼纖維肩以及導(dǎo)電珍珠粉等方法，由于均需要在膠凝材料中添加大量的導(dǎo)電材料， 將對(duì)地聚合物的力學(xué)性能造成不利影響，因此不適用于改良地聚合物。
[0003] 石墨烯是一種新型的碳材料，其具有由碳六元環(huán)組成的周期蜂窩狀點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，其 獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)異電子迀移率和機(jī)械強(qiáng)度。與一般導(dǎo)電材料如石墨、碳纖維 肩、鋼纖維肩以及導(dǎo)電珍珠粉等相比，以石墨烯改良地聚合物的導(dǎo)電性可以大大減少導(dǎo)電 材料的添加比例，同時(shí)其優(yōu)于一般導(dǎo)電材料的機(jī)械強(qiáng)度，也使得改良后的地聚合物可以保 持其力學(xué)性能。由于地聚合物在配制過(guò)程中需使用大量堿性溶液作為激發(fā)劑，而石墨烯在 堿性溶液中很容易發(fā)生zeta電勢(shì)改變，造成片層間相互吸引形成團(tuán)聚現(xiàn)象，因此一般的分 散方法對(duì)于石墨烯在地聚合物體系中的分散效果較差。石墨烯的均勻分散對(duì)改性地聚合物 的電學(xué)性能和保持其力學(xué)性能十分關(guān)鍵，因此石墨烯在地聚合物體系中的分散技術(shù)也是能 否成功利用石墨烯改良地聚合物的導(dǎo)電性能所面臨的重要挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種具有良好導(dǎo)電性能且保持其力學(xué)性能 的地聚合物材料的制備方法。
[0005] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：一種導(dǎo)電地聚合物的制備方法，包 括以下步驟：
[0006] 1)將石墨烯、分散劑A與水按1:(0.1-0.5) :(4-6)的重量比混合，研磨、分散得初 步分散的石墨烯分散液；
[0007] 2)將堿金屬硅酸鹽溶液與步驟1)中得到的石墨烯分散液按1 : (0. 05-0. 3)的重 量比例混合，攪拌均勻后加入上述混合液總重量的〇. 05-1 %的分散劑B，研磨、分散得石墨 稀分散的堿激發(fā)溶液，所述堿金屬娃酸鹽溶液的模數(shù)為1-4,固含量為30-60% ;
[0008] 3)將硅鋁質(zhì)原料與?；郀t礦渣按1 : (0. 1-0. 2)的重量比混合，研磨后即得復(fù)合 地聚合物粉料；
[0009] 4)將步驟3)中得到的復(fù)合地聚合物粉料、步驟2)中得到的石墨烯分散的堿激發(fā) 溶液以I :(1. 1-2. 5)的重量比攪拌混合均勻即得導(dǎo)電地聚合物。
[0010] 通過(guò)石墨烯對(duì)地聚合物進(jìn)行改性，使其擁有良好的導(dǎo)電性能，當(dāng)石墨烯比例過(guò)多 時(shí)，對(duì)改性的地聚合物的力學(xué)性能產(chǎn)生較大的影響，相反，石墨烯的比例過(guò)少，導(dǎo)電性能受 到影響。分散劑的比例過(guò)大時(shí)，溶液的流動(dòng)性變差。上述?；郀t礦渣可以為S75、S95或 S105級(jí)；優(yōu)選S105級(jí)?；郀t礦渣。?；郀t礦渣的加入有助于提高地聚合物的強(qiáng)度，但 其摻加比例對(duì)地聚合物的凝結(jié)性能影響較大，當(dāng)?；郀t礦渣的比例過(guò)大時(shí)，材料的凝結(jié) 時(shí)間將大大縮短，不利于材料使用，因此要控制在合適范圍。
[0011] 作為優(yōu)選，所述堿金屬硅酸鹽溶液是液體硅酸鈉溶液或液體硅酸鉀溶液。
[0012] 作為優(yōu)選，所述堿金屬娃酸鹽溶液是模數(shù)為1. 5-2. 4,固含量為40-50 %的液體娃 酸鈉溶液。激發(fā)劑的模數(shù)對(duì)材料的凝結(jié)時(shí)間和性能有一定影響，過(guò)高可能使材料凝結(jié)過(guò)慢 甚至不凝，過(guò)低則會(huì)使力學(xué)強(qiáng)度下降。激發(fā)劑的固含量過(guò)低則溶液中所含水分過(guò)多不利于 后期配制，而過(guò)高的固含量則會(huì)引起溶質(zhì)結(jié)塊析出。
[0013] 作為優(yōu)選，所述石墨稀厚度為0· 8-1. 2nm，延展尺寸為1-5 μm，石墨稀中氧的質(zhì)量 含量為10-20%。石墨烯的厚度在納米量級(jí)對(duì)材料的性能改良具有重要作用。具有一定延 展尺寸的石墨烯在基體中可以起到增韌作用，但尺寸過(guò)大的石墨烯分散較困難。石墨烯的 氧含量可以在一定程度上影響其表面活性，因此選擇氧含量在合適范圍內(nèi)的石墨烯有利于 石墨烯與基體的結(jié)合。
[0014] 作為優(yōu)選，所述分散劑A為聚乙烯吡咯烷酮、十六烷基三甲基溴化銨、十二烷基磺 酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉、檸檬酸鈉中的一種或幾種的組合。分散劑A的作用是使石墨烯初 步分散于水溶液，以便于與堿性硅酸鹽溶液混合，因此須選擇適用于石墨烯水溶液分散的 分散劑，并且摻加比例在合適范圍。分散劑B為聚丙烯酸鈉、海藻酸鈉、羧甲基纖維素鈉中 的一種或幾種的組合。分散劑B的作用是使初步分散的石墨烯分散液與堿性硅酸鹽溶液混 合后保持其分散狀態(tài)并進(jìn)一步分散，形成勻質(zhì)的石墨烯分散的堿性激發(fā)劑，但分散劑B的 用量應(yīng)控制在合適范圍，否則將影響溶液的粘度和可工作性。
[0015] 作為優(yōu)選，步驟1)和步驟2)中用納米砂磨機(jī)進(jìn)行研磨，助磨介質(zhì)為高強(qiáng)玻璃珠或 高強(qiáng)陶瓷珠，研磨轉(zhuǎn)速為800-2000轉(zhuǎn)/分鐘，研磨、分散時(shí)間為1-2小時(shí)。對(duì)加入分散劑A 的石墨烯混合液進(jìn)行砂磨分散是為了使石墨烯的初始團(tuán)粒初步打開(kāi)，形成較為勻質(zhì)的分散 液。
[0016] 作為優(yōu)選，步驟1)和步驟2)中用高頻超聲分散機(jī)進(jìn)行分散，振動(dòng)頻率為 40-50kHZ，分散時(shí)間為30-60分鐘。對(duì)砂磨后的石墨烯分散液進(jìn)行超聲分散是為了使石墨 烯團(tuán)粒在超聲波的作用下進(jìn)一步打開(kāi)，并與分散液中的分散劑A結(jié)合形成穩(wěn)定的分散液。
[0017] 作為優(yōu)選，步驟3)中用行星式球磨機(jī)進(jìn)行研磨，助磨介質(zhì)為高強(qiáng)度鋼珠，球磨機(jī) 轉(zhuǎn)速為200-400轉(zhuǎn)/分鐘，研磨混合時(shí)間為2-4小時(shí)。
[0018] 作為優(yōu)選，步驟4)中用高剪切攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，先以20-50轉(zhuǎn)/分鐘的低速攪拌 5-10分鐘，再以400-600轉(zhuǎn)/分鐘的高速攪拌5-10分鐘。由于攪拌時(shí)間過(guò)長(zhǎng)材料拌合后會(huì) 反應(yīng)凝結(jié)，所以攪拌10-20分鐘當(dāng)物料達(dá)到均勻狀態(tài)即可，避免影響后續(xù)的澆筑。
[0019] 作為優(yōu)選，所述硅鋁質(zhì)原料為偏高嶺土或粉煤灰或偏高嶺土和粉煤灰以1 : (0. 1-0.5)的重量比混合。煅燒溫度一定程度上影響偏高嶺土的活性，因此煅燒溫度不宜超 過(guò)KKKTC且不低于500°C。上述偏高嶺土可以為高嶺土經(jīng)500-1000°C煅燒所得，顆粒尺寸 為0. 1-100 μ m，優(yōu)選800-900°C煅燒的偏高嶺土，優(yōu)選顆粒尺寸為0. 1-10 μ m。粉煤灰可以 為低鈣粉煤灰或高鈣粉煤灰，顆粒尺寸為〇. 1-100 μ m ;優(yōu)選低鈣粉煤灰，優(yōu)選顆粒尺寸為 0. 1-10 μm。偏高嶺土比粉煤灰的活性更高，因此宜作為主要原料，摻入一定粉煤灰能夠增 加拌合材料的流動(dòng)性，減少用水量，從而提高強(qiáng)度，單純的粉煤灰亦可制得地聚合物，但力 學(xué)性能不及前者。
[0020] 通過(guò)石墨烯對(duì)地聚合物的改性，使其擁有了良好的導(dǎo)電性能，可以繼續(xù)添加適量 砂石材料配制成為防雷、防靜電工程需要的導(dǎo)電混凝土，或可添加纖維、陶瓷、金屬等其他 材料制成導(dǎo)電地聚合物復(fù)合材料等。
[0021 ] 本發(fā)明經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)得出在所述配比和制備工藝下，石墨烯改性的導(dǎo)電地聚合物在獲 得良好的導(dǎo)電性能的同時(shí)其力學(xué)性能相當(dāng)或優(yōu)于單純的聚合物材料。
[0022] 本發(fā)明經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)得出結(jié)果如下：
[0024] 從上表可知，石墨烯改性后的地聚合物導(dǎo)電性能得到大幅改善，同時(shí)其力學(xué)性能 保持相對(duì)不變甚至更優(yōu)。
[0025] 本發(fā)明的有益效果是，在保持地聚合物的力學(xué)性能的同時(shí)將其改性，使其擁有良 好的導(dǎo)電性能。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好的理解本發(fā)明方案，下面將對(duì)發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù) 方案進(jìn)行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是 全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提 下所獲得的所有其他實(shí)施例，都應(yīng)當(dāng)屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0027] 實(shí)施例1
[0028] 步驟一：取厚度為0· 8nm，延展尺寸大小為2 μ m，氧的質(zhì)量含量為10%的石墨稀 2〇g，另取十二烷基苯磺酸鈉 IOg與水120g，按1:0. 5 :6的重量比混合，置于助磨介質(zhì)為高 強(qiáng)玻璃珠、研磨轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分鐘的納米砂磨機(jī)中研磨分散2小時(shí)，之后再置于振動(dòng)頻 率為40kHZ的尚頻超聲分散機(jī)中超聲振蕩分散50分鐘，得到初步分散的石墨稀分散液。
[0029] 步驟二：取硅模數(shù)為1. 5,固