碳纳米管的分散性及其水泥基复合材料力学性能

发布时间：2016-10-21 16:09

  本文关键词：碳纳米管的分散性及其水泥基复合材料力学性能，，由笔耕文化传播整理发布。

《大连理工大学》 2013年

碳纳米管的分散性及其水泥基复合材料力学性能

韩瑜  

【摘要】：碳纳米管是一种纳米级纤维,根据碳原子层数的不同分为单壁碳纳米管(SWCNTs)和多壁碳纳米管(MWCNTs)两种。1991年日本电镜学家IijimaS在制备C60的过程中发现了单壁碳纳米管,两年之后Iijima又成功制备了多壁碳纳米管,其研究和发现在世界范围内掀起了研究热潮。目前,针对碳纳米管改善复合材料各方面性能的研究己成为一个热点,碳纳米管的各项性能优于传统纤维材料,大量研究表明,其超强的力学性能可以很大程度地提高水泥基复合材料的力学性能；优异的电学和光电特性可以提高聚合物材料的电导率以及制备新型光电聚合物复合材料；其独特的结构可以用来制备金属或金属氧化物填充的一维纳米复合材料。 水泥混凝土是目前世界上应用量最大的建筑材料,它具有成本低,原料丰富,造价低廉,施工方便,工艺简单,可按需成型等优点。然而,普通水泥混凝土同样具有自重大,抗拉、抗折强度低,脆性大,抗裂性差等缺点,为了克服这些问题,目前普遍采用的方法是纤维复合水泥基材料,这种方法克服了普通混凝土材料高脆、低韧的缺点。因此具有高强度、高弹性模量、高耐久性的新型纳米级纤维碳纳米管已经成为当前迫切需要的增强增韧材料。 然而,碳纳米管具有极大的长径比,而且管间存在强的van der Waals吸引力,其一般呈束状缠绕及团聚状态,几乎不溶于水及有机溶剂。对于复合材料而言,添加相在基体中的分散均匀性是影响材料性能的一个相当重要的指标,分散越均匀,作用越明显,材料的整体性能越好。因此如何提高碳纳米管的分散性能,消除其团聚,成为制备碳纳米管复合材料的前提条件。针对碳纳米管的分散性问题,本文做了如下研究： (1)以阿拉伯胶(GA)、曲拉通(Tx100)、十六烷基三甲基溴化铵(TB)、十二烷基磺酸钠(SDS)4种表面活性剂(SAA)为MWCNTs的分散剂,采用SAA超声分散法及酸处理法制备了11种分散液。结合静置离心法研究了不同种类SAA单掺的分散效果,结果表明：单掺GA对MWCNTs分散效果最好,离心170min后才开始分层。采用紫外分光光谱吸光度法评价了不同种类SAA复掺及SAA掺量变化对MWCNTs分散性能的影响,测试结果表明：复掺Tx100与GA效果最好；当GA掺量为0.45g/L时效果最好；比较二者分散效果后知：GA掺量为0.45g/L的悬浮液分散效果最佳。采用傅里叶红外光谱(FTIR)检测混酸氧化后MWCNTs表而的基团,分析可知：经混酸处理后,MWCNTs表面成功引入了羟基和羧基等官能团。 (2)为了探讨MWCNTs在水性体系中的分散性及分散机理,以阿拉伯胶为分散剂,采用SAA超声处理法对MWCNTs进行表面修饰,制备了分散性能良好的MWCNTs悬浮液。采用紫外分光光谱吸光度法(UV-vis)定量分析及TEM测试表征了GA对MWCNTs分散性能的影响,结果表明：当GA浓度为0.45g/L时,悬浮液中MWCNTs浓度达到最大值,为初始浓度的90.67%；且悬浮液相当稳定,静置80h,MWCNTs浓度仅降低11.45%。通过测定等温吸附曲线对GA的吸附分散机理进行了分析和讨论,结果表明：GA在MWCNTs表面为典型的“SL”型两阶段吸附,当GA浓度为0.45g/L时,在MWCNTs表面达到吸附饱和状态。GA能够通过其分子长链的包覆作用改善MWCNTs的亲水性和分散性。 在以上分散性研究的基础上,本文以GA为分散剂,制备了分散性能良好的碳纳米管悬浮液及碳纳米管水泥基复合材料,系统深入研究了碳纳米管水泥基复合材料的力学性能,具体工作及研究成果如下： (1)水泥净浆试件的力学强度随碳纳米管掺量的增加呈现先增大后逐渐减小的趋势,随龄期的变化呈现逐渐增大的趋势；随水灰比的变化,净浆试件的力学强度先增大后减小,且掺加碳纳米管的净浆试件的力学强度均高于空白试件；在养护龄期为28天时,水灰比为0.35,MWCNTs掺量为0.08wt.%的水泥净浆试件的抗折强度提高43.6%,并达到最大值15.8MPa,当MWCNTs掺量为0.10wt.%时,水泥净浆试件的抗压强度达到最大值84.5MPa,与空白试件相比提高了9.2%。 (2)碳纳米管的掺入提高了水泥砂浆试件的抗压强度和抗折强度。当MWCNTs掺量为水泥重量的0.1wt.%时,试件的抗压强度达到最大值89.4MPa,与空白试件相比提高21.6%;当MWCNTs掺量为0.08wt.%时,试件的抗折强度提高38.5%：当MWCNTs的掺量达到最大值0.15wt.%时,试件的抗压强度和抗折强度都没有随之增加反而呈现略微降低的趋势；其力学强度随养护龄期的增加而增大。 (3)采用三点弯曲试验法,用高精度MTS318电液伺服万能试验机对碳纳米管水泥基复合材料的弯曲韧性进行了测试分析。结果表明,掺加碳纳米管后水泥基复合材料的韧性显著提高,其中,水灰比为0.35,碳纳米管掺量为0.08wt.%的净浆试件的断裂能相比空白试件提高165.1%,韧度指数提高52.8%。 采用多种材料微观测试技术,结合复合材料理论,对碳纳米管改善水泥基复合材料性能的微观作用机理进行了分析。研究表明,碳纳米管的作用机理为：MWCNTs在悬浮液及水泥浆基体中具有较好的分散性,碳纳米管能够促进水泥基复合材料的水化,水泥基复合材料具有较强的界面粘结强度并且MWCNTs能够改善水泥基复合材料的微观结构。

【关键词】：
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TB383.1;TB332
【目录】：

下载全文 更多同类文献

CAJ全文下载

(如何获取全文？ 欢迎：购买知网充值卡、在线充值、在线咨询)

CAJViewer阅读器支持CAJ、PDF文件格式

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 罗健林;段忠东;;纳米碳管/水泥基复合材料的阻尼及力学性能[J];北京化工大学学报(自然科学版);2008年06期

2 陈北明;杨德安;;聚合物基复合材料制备中碳纳米管的分散方法[J];材料导报;2007年S1期

3 罗健林;段忠东;李惠;;纳米级硅灰及碳管对水泥基材料减振性能的影响[J];材料工程;2009年04期

4 姚武;梁慷;何莉;;水化硅酸钙凝胶的弹塑性和徐变特性[J];材料研究学报;2010年02期

5 王宝民;宋凯;;碳纳米管水泥基复合材料研究进展[J];低温建筑技术;2011年05期

6 吴小利,岳涛,陆荣荣,朱德彰,朱志远;碳纳米管的表面修饰及FTIR,Raman和XPS光谱表征[J];光谱学与光谱分析;2005年10期

7 赵庆新,孙伟,郑克仁,姜国庆;水泥、磨细矿渣、粉煤灰颗粒弹性模量的比较[J];硅酸盐学报;2005年07期

8 姚武;何莉;;水化硅酸钙纳米结构研究进展[J];硅酸盐学报;2010年04期

9 赵素晶;孙伟;;纳米压痕在水泥基材料中的应用与研究进展[J];硅酸盐学报;2011年01期

10 罗健林;段忠东;赵铁军;;纳米碳管水泥基复合材料的电阻性能[J];哈尔滨工业大学学报;2010年08期

中国博士学位论文全文数据库 前3条

1 施冬莉;碳纳米管及其复合材料的力学性能研究[D];清华大学;2005年

2 高良丽;多壁碳纳米管增强M140DSP砂浆的力学性能研究[D];大连理工大学;2009年

3 罗健林;碳纳米管水泥基复合材料制备及功能性能研究[D];哈尔滨工业大学;2009年

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 王德刚;碳纳米管增强水泥基复合材料力学性能模拟[D];大连理工大学;2011年

【共引文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 潘晓艳;方斌;陈长鑫;;环氧树脂/多壁碳纳米管导电复合材料研究[J];工程塑料应用;2009年03期

2 吴俊升;李晓刚;公铭扬;张志华;;催化裂化催化剂机械强度与磨损行为[J];北京科技大学学报;2010年01期

3 黄惠平;胡礼初;张海燕;曾国勋;吴子秋;;碳纳米管在0.5~6GHz低频波段的介电常数和磁导率研究[J];表面技术;2007年05期

4 王宝媛;;粉煤灰掺量对混凝土结构断裂性能的影响[J];长春工程学院学报(自然科学版);2011年04期

5 陈北明;杨德安;;聚合物基复合材料制备中碳纳米管的分散方法[J];材料导报;2007年S1期

6 陈宪宏;林明;陈振华;;多壁碳纳米管功能化及其增韧环氧树脂的研究[J];材料导报;2007年S1期

7 张紫萍;刘秀军;李同起;胡子君;;碳纳米管及聚合物复合材料分散性的研究进展[J];材料导报;2011年05期

8 王宝民;韩瑜;宋凯;;碳纳米管分散性研究进展[J];材料导报;2012年07期

9 曾阳春;郑克仁;李益进;;矿物掺合料对道路混凝土耐磨性的影响及机理[J];铁道科学与工程学报;2007年02期

10 鲁江;简义辉;张慧慧;邵惠丽;胡学超;;碳纳米管的表面改性及其在NMMO水溶液中的分散稳定性[J];东华大学学报(自然科学版);2008年01期

中国重要会议论文全文数据库 前6条

1 刘夏;杨庆生;;网状复合材料的变形分析[A];北京力学会第十六届学术年会论文集[C];2010年

2 王全杰;王乾乾;王延青;;碳纳米管的分散性研究进展[A];2010年全国皮革化学品会议论文集[C];2010年

3 何智海;钱春香;钱桂枫;孟凡利;程飞;高祥彪;庄园;;沪杭高铁特大桥主梁混凝土徐变性能研究[A];高强与高性能混凝土及其应用——第七届全国高强与高性能混凝土学术交流会论文集[C];2010年

4 黑艳伟;张宝艳;;表面活性剂对碳纳米管/环氧纳米复合材料导电性能的影响[A];复合材料：创新与可持续发展(上册)[C];2010年

5 刘夏;杨庆生;;网络碳纳米管复合材料的有效力学性能[A];复合材料：创新与可持续发展(下册)[C];2010年

6 苏罗丹;杨庆生;;基于内聚力模型的碳纳米管复合材料界面力学性能研究[A];第17届全国复合材料学术会议（纳米复合材料与界面分论坛）论文集[C];2012年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 杨婷婷;基于集料功能设计的水泥石界面性能研究[D];武汉理工大学;2010年

2 鲁江;碳纳米管/Lyocell纤维的研制及其应用初探[D];东华大学;2010年

3 宫厚健;不同结构嵌段聚醚的聚集行为及对单壁碳纳米管的分散作用[D];山东大学;2011年

4 高迪;新型建筑材料—纳米级碳纤维混凝土性能研究[D];中南大学;2011年

5 曹建安;无碴轨道大跨度预应力混凝土桥梁后期徐变变形和控制方法研究[D];中南大学;2011年

6 张俊杰;基于分子动力学的晶体铜纳米机械加工表层形成机理研究[D];哈尔滨工业大学;2011年

7 金宏平;基于能量法的压痕硬度和残余应力测试原理、方法和实验研究[D];华中科技大学;2012年

8 田文超;MEMS及纳米接触研究[D];西安电子科技大学;2004年

9 郭颖杰;哺乳动物角蛋白材料力学及摩擦学行为研究[D];吉林大学;2005年

10 程东;Cu/Ni纳米多层膜微观强化机理及微摩擦学特性的分子动力学模拟[D];大连海事大学;2005年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 张科;薄膜/基体系统三维压痕实验力学模型研究[D];郑州大学;2010年

2 王宝媛;混凝土断裂性能及其影响因素的试验研究[D];大连理工大学;2010年

3 余功成;纳米压痕法研究单根ZnS纳米带的光机械效应[D];湘潭大学;2010年

4 范海宾;多壁碳纳米管/PET复合材料界面相容性的研究[D];太原理工大学;2011年

5 齐文静;分子印迹—电致化学发光传感器的研究与应用[D];江南大学;2011年

6 韩冀豫;高掺量粉煤灰水泥水化产物C-S-H凝胶聚合程度的研究[D];武汉理工大学;2011年

7 王晓飞;聚丙烯纤维混凝土轴拉和弯曲性能的试验研究[D];大连理工大学;2011年

8 王德刚;碳纳米管增强水泥基复合材料力学性能模拟[D];大连理工大学;2011年

9 杜锦锦;TiN、TiCN涂层对牙科纯钛耐腐蚀性能的影响[D];第二军医大学;2011年

10 张宗富;考虑界面相纳米粒子增强聚合物基复合材料有效弹性模量的预测[D];暨南大学;2011年

【二级参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 胡平,范守善,万建伟;碳纳米管/UHMWPE复合材料的研究[J];工程塑料应用;1998年01期

2 李庚英;王培铭;;表面改性对碳纳米管—水泥基复合材料导电性能及机敏性的影响[J];四川建筑科学研究;2007年06期

3 苗传威,夏宇正,石淑先,焦书科;乳液共混法制备丙烯酸酯系阻尼材料[J];北京化工大学学报(自然科学版);2002年05期

4 阎鑫,胡小玲,岳红,张秋禹,黄英,吕玲;雷达波吸收剂材料的研究进展[J];材料导报;2001年01期

5 曹伟;宋雪梅;王波;严辉;;碳纳米管的研究进展[J];材料导报;2007年S1期

6 秦川丽,蔡俊,唐冬雁,张巨生,蔡伟民;PU/VER IPN材料阻尼性能的研究[J];材料工程;2003年07期

7 曾戎,曾汉民;导电高分子复合材料导电通路的形成[J];材料工程;1997年10期

8 韩宝国;关新春;欧进萍;;碳纤维水泥基材料导电性与压敏性的试验研究[J];材料科学与工艺;2006年01期

9 陈兵,姚武,吴科如;用交流阻抗法研究碳纤维混凝土导电性[J];材料科学与工程;2001年01期

10 叶青,胡国君;水泥基复合功能材料的研究与开发[J];材料科学与工程;1995年02期

中国重要会议论文全文数据库 前1条

1 杜善义;吴林志;;复合材料的细观力学研究[A];科技进步与学科发展——“科学技术面向新世纪”学术年会论文集[C];1998年

中国博士学位论文全文数据库 前5条

1 吕计男;碳纳米管力学行为的数值模拟[D];中国科学技术大学;2008年

2 刘演新;多壁碳纳米管的表面接枝改性及其衍生物[D];北京化工大学;2008年

3 阴强;碳纳米管增强酚醛树脂/石墨双极板复合材料的制备与性能研究[D];山东大学;2008年

4 高良丽;多壁碳纳米管增强M140DSP砂浆的力学性能研究[D];大连理工大学;2009年

5 罗健林;碳纳米管水泥基复合材料制备及功能性能研究[D];哈尔滨工业大学;2009年

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 贾春燕;碳纳米管/环氧树脂复合材料的制备及性能研究[D];中南大学;2008年

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 ;成都有机化学有限公司成功突破碳纳米管截短技术[J];炭素技术;2004年03期

2 田乃良,常明,杨保和,许德胜,郑启光;碳纳米管在金刚石薄膜化学沉积上的应用[J];光电子.激光;2000年06期

3 王文英;碳纳米管的制造技术及最新研究动态[J];化工新型材料;2000年01期

4 陈小华,王健雄,李学谦,李绍禄,邓福铭,成奋强;电沉积镍-碳钠米管复合镀层的工艺研究[J];表面技术;2002年02期

5 于作龙;碳纳米管的批量制备和应用[J];中国高校科技与产业化;2003年06期

6 ;使用碳纳米管的FED面板齐亮相[J];炭素技术;2004年03期

7 马强,周锋,唐亚平,李辰砂,张世骥,李延辉,唐春和;在碳纳米管上负载硫化镉的研究[J];无机材料学报;2004年05期

8 罗志强,张孝彬,程继鹏,李昱,刘芙,陶新永,印万忠,韩跃新;纳米CaCO_3负载过渡金属CVD法制备多壁碳纳米管的研究[J];高等学校化学学报;2004年10期

9 李秀秀,李晓东,杨荣杰;碳纳米管的功能化研究进展[J];炭素技术;2004年02期

10 ;行业信息[J];炭素技术;2004年06期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 胡业旻;殷利民;曹威;李瑛;朱明原;白琴;;电晕放电等离子体增强化学气相沉积法合成氮掺杂碳纳米管[A];2011中国功能材料科技与产业高层论坛论文集（第一卷）[C];2011年

2 孙瑞敏;赵辉;陈永;刘洋;赵海沨;;碳纳米管与环氧树脂共混工艺研究[A];2011年全国高分子学术论文报告会论文摘要集[C];2011年

3 李世胜;喻万景;侯鹏翔;刘畅;成会明;罗艳红;孟庆波;吕伟;吴思达;杨全红;;碳纳米管垂直阵列/石墨烯纸复合材料在锂离子电池和染料敏化太阳能电池中的应用[A];2011中国材料研讨会论文摘要集[C];2011年

4 李曼;白树林;张杨飞;贾治勇;;不锈钢纤维/碳纳米管填充尼龙基复合材料的力学性能研究[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集（第3分册）[C];2010年

5 刘夏;杨庆生;;网络碳纳米管复合材料的有效力学性能[A];复合材料：创新与可持续发展(下册)[C];2010年

6 周成飞;翟彤;曹巍;郭建梅;曾心苗;;碳纳米管/聚氨酯酰亚胺复合泡沫材料的制备与性能[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集（第4分册）[C];2010年

7 陈广新;毕丹;;碳纳米管的表面修饰及其改性聚乳酸的研究[A];2010年全国高分子材料科学与工程研讨会学术论文集（下册）[C];2010年

8 苏丹华;张玲;金磊;李春忠;;静电吸附制备玻璃布/碳纳米管增强体改性环氧树脂[A];颗粒学最新进展研讨会——暨第十届全国颗粒制备与处理研讨会论文集[C];2011年

9 张文毓;;碳纳米管及其应用[A];纳米材料和技术应用进展——全国第三届纳米材料和技术应用会议论文集（上卷）[C];2003年

10 吕建伟;王万录;廖克俊;万步勇;张毅;;形变引发碳纳米管膜电阻变化的研究[A];第五届中国功能材料及其应用学术会议论文集Ⅱ[C];2004年

中国重要报纸全文数据库 前10条

1 刘霞;[N];科技日报;2009年

2 记者 何德功;[N];新华每日电讯;2003年

3 记者 吴辉;[N];中国知识产权报;2001年

4 张巍巍;[N];科技日报;2010年

5 黄绍平;[N];中国电子报;2001年

6 记者 谢昭萍 特约记者 肖萍;[N];中国化工报;2004年

7 记者 薛冬 通讯员 谭少容;[N];光明日报;2001年

8 本报记者 薛冬 通讯员 谭少容;[N];光明日报;2001年

9 黄中;[N];中国知识产权报;2001年

10 冯卫东;[N];科技日报;2009年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 刘丽娜;碳纳米管—双马来酰亚胺体系的摩擦磨损研究[D];浙江大学;2010年

2 徐立华;电晕等离子体改性碳纳米管及其在环氧树脂中的应用[D];浙江大学;2010年

3 梅蕾;碳纳米管/碳纤维多尺度结构制备及其界面增强效果研究[D];哈尔滨工业大学;2010年

4 朱幸福;碳纳米管复合材料及碳纳米管为模板的纳米管的制备与性质研究[D];吉林大学;2011年

5 崔伟;表面修饰碳纳米管/环氧树脂复合材料的界面结构与性能[D];华中科技大学;2011年

6 蒋辽川;半导体金属氧化物修饰碳纳米管的制备及其电催化、光电催化性能的研究[D];华南理工大学;2010年

7 亓钧雷;碳纳米管、碳纳米片、石墨烯及其复合物的制备和场发射性能的研究[D];吉林大学;2010年

8 姚胜红;碳纳米管/聚偏氟乙烯高介电纳米复合材料的显微结构控制与介电性能的关联[D];北京化工大学;2009年

9 韩占涛;表面活性剂悬浮碳纳米管在孔隙介质中的运移研究[D];中国地质科学院;2010年

10 叶丽娜;无机空心微纳米结构的制备及其应用[D];中国科学技术大学;2010年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 徐勤;碳纳米管树状分子复合材料的制备及其性能研究[D];上海师范大学;2010年

2 祝丽娟;碳纳米管/二氧化硅/炭黑/溶聚丁苯橡胶硫化胶性能研究[D];南京理工大学;2010年

3 林德盟;高分子水凝胶修饰碳纳米管神经元探针[D];南京理工大学;2010年

4 刘晓伟;碳纳米管及其复合物的制备和场发射性能的研究[D];吉林大学;2010年

5 陈晨;碳纳米管的功能化及其复合材料的电化学性能研究[D];北京化工大学;2010年

6 秦瑞红;气体膨胀液体的热力学性质研究及其在碳纳米管功能化修饰中的应用[D];郑州大学;2010年

7 林小静;碳纳米管的低温等离子体改性及其引发苯乙烯接枝共聚[D];天津大学;2010年

8 王蜜;聚硅氧烷接枝碳纳米管及聚合物复合材料的制备与性能[D];东北林业大学;2010年

9 曾静;自由基加成反应在碳纳米管和石墨烯修饰中的应用[D];兰州大学;2011年

10 郭大鹏;分子开关和十字形碳纳米管的输运性质研究[D];兰州大学;2011年

  本文关键词：碳纳米管的分散性及其水泥基复合材料力学性能，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：148249