石墨烯改性混凝土的制备及其力学性能和抗冻性能研究

以普通硅酸盐水泥P.O 42.5为基体材料,石墨烯为增强材料,制备出了不同石墨烯掺杂量(0,0.04％,0.08％和0.12％(质量分数))的改性混凝土.研究了石墨烯掺杂量对改性混凝土晶体结构、微观形貌、力学性能和抗冻性能的影响.结果表明,石墨烯的掺杂并未生成新的水化产物,但加速了水化反应的速率,生成的水化产物凝胶填充到混凝土的缝隙中,提高了混凝土的致密性;当石墨烯的掺杂量为0.08％(质量分数)时,改性混凝土的孔隙数量最少、密实度最大,其形貌最佳;石墨烯改性混凝土在各养护龄期下的抗压强度均随着石墨烯掺杂量的增加而先增大后减小,在28 d的养护龄期下,当石墨烯的掺杂量为0.08％(质量分数)时,改性混凝土的抗压强度达到了最大值48.62 MPa;在60次冻融循环后,当石墨烯的掺杂量为0.08％(质量分数)时,改性混凝土的质量损失率最小为0.414％,相对动弹性模量最大为94.02％,石墨烯改性混凝土的抗冻性能显著改善.综合分析可知,改性混凝土中石墨烯的最佳掺杂量为0.08％(质量分数).     

氧化石墨烯改性混凝土的制备及其性能研究

在普通硅酸盐水泥P.O 42.5的基础上,采用掺杂量为0,0.03%,0.05%和0.07%(质量分数)的氧化石墨烯作为基体的增强相,制备了氧化石墨烯改性混凝土。测试了改性混凝土试样的孔隙率、力学性能、碳化性能和磨损性能,并对各指标的相关性进行了分析。结果表明,适量氧化石墨烯的掺杂促进了改性混凝土的水化反应,对水泥水化产物的结晶组成没有影响,且使水化产物尺寸得到细化,生成了更加规则的结晶化合物;随着氧化石墨烯掺杂量的升高,改性混凝土的孔隙率、碳化深度和磨损量均呈现出先降低后升高的趋势,而抗压强度和抗折强度表现出先升高后降低的趋势;当氧化石墨烯的掺杂量为0.05%(质量分数)时,孔隙率最低为27.53%,7和28 d的碳化深度均为最低值1.46和3.81 mm,磨损量为最低值1.24 kg/m²,28 d的抗拉强度和抗折强度均为最大值53.9和6.7 MPa。可知,当氧化石墨烯的掺杂量为0.05%(质量分数)时,改性混凝土的综合性能最佳。     

纳米碳纤维改性混凝土的力学性能及抗冻性能研究

纳米碳纤维凭借着高的抗拉强度和弹性模量,被广泛应用于水泥混凝土的增韧剂。通过在混凝土材料中掺入不同含量(0,0.3%,0.6%和0.9%(质量分数))的纳米碳纤维,研究了纳米碳纤维掺杂量对混凝土力学性能和抗冻性能的影响。结果表明,纳米碳纤维的掺杂未生成新的产物,但加速了水化反应的进行,增加了改性混凝土的结构致密性,减小了孔隙和缺陷的数量。当纳米碳纤维的掺杂量为0.6%(质量分数)时,改性混凝土的形貌结构最佳。随着纳米碳纤维掺杂量的增加,改性混凝土的抗压强度、抗折强度和磨损量降低比率先增大后减小,单位面积的磨损量和80次冻融循环时刻的质量损失率先减小后增大。当纳米碳纤维的掺杂量为0.6%(质量分数)时,改性混凝土28 d的抗压强度和抗折强度达到最大值,分别为47.83和5.92 MPa,单位面积的磨损量最小为1.12%,磨损量降低比率最大为55.56%,80次冻融循环时刻的质量损失率最小为1.23%。综合各分析可知,纳米碳纤维的最佳掺杂量为0.6%(质量分数)。     

氧化石墨烯改性水泥基注浆材料的制备及力学性能研究

氧化石墨烯凭借较高的比表面积和独特的片层状结构,具有优异的理化性能。为获得高性能的水泥基注浆材料,通过引入不同掺杂量(0.00,0.02%,0.04%和0.06%(质量分数))的氧化石墨烯,制备了改性水泥基注浆材料。采用XRD、SEM、FT-IR和力学性能测试等分析了氧化石墨烯的掺杂量对改性水泥基注浆材料晶体结构、力学性能和自收缩性能的影响。结果表明：氧化石墨烯的掺杂加速了水化反应的进行,提高了Ca(OH)₂的生成速率,同时减小了裂纹数量,增加了结构致密性;当氧化石墨烯的掺杂量为0.04%(质量分数)时,28 d的抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度均达到了最大值,分别为59.80,14.70和1.89 MPa;所有注浆材料在水化前期收缩较快,20 h后收缩量进入了“平台期”,随着氧化石墨烯掺杂量的增加,改性注浆材料的自收缩性能抑制效果先增大后减小,当氧化石墨烯的掺杂量为0.04%(质量分数)时,改性注浆材料的自收缩量最小。     

KH550表面改性氧化石墨烯/酚醛树脂复合材料的力学性能和摩擦性能

采用Hummers法对天然鳞片石墨进行氧化处理和超声剥离制备氧化石墨烯,通过γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)与氧化石墨烯(GOs)反应得到改性氧化石墨烯(MGOs)。采用模压成型方法制备MGOs/酚醛树脂(PF)复合材料。利用热重分析(TGA)、红外光谱(FT-IR)和X射线光电子能谱(XPS)分析其表面改性效果,研究不同MGOs含量的MGOs/PF复合材料的力学性能、摩擦性能,利用扫描电镜(SEM)观察复合材料磨损面的形貌。结果表明,GOs经KH550改性后彼此间形成共价键连接,MGOs的热稳定性显著提高;MGOs的加入能有效提高复合材料的力学性能和摩擦性能;其中,MGOs/PF复合材料的冲击强度提高了45.5%,弯曲强度和弯曲模量分别提高了36.7%、26.7%。     

氧化石墨烯/热还原氧化石墨烯改性砂浆的力学/电学性能研究

研究了热还原氧化石墨烯(TRGO)和氧化石墨烯(GO)在水泥砂浆环境下的分散机理,探索了这两种导电相的单掺和复掺对砂浆力学/电学性能的影响。研究表明GO对TRGO在富钙高碱环境下的分散有促进作用,且分散最佳质量比(%)为3∶10;与TRGO单掺相比,复掺GO能促进砂浆水化产物形成片状结构并互相交织,使得力学性能显著提升,当w(GO)∶w(TRGO)=0.3∶1.0时,28 d抗折强度和抗压强度与单掺TRGO相比提升了21.34%和34.52%,随着掺量增加力学性能反而下降;水泥砂浆的电导率随着GO与TRGO导电相的增加而增大,当w(GO)∶w(TRGO)=0.12∶0.4时,28 d龄期试件的电阻率呈现突变现象,表明该体系出现渗滤阈值;保持分散最佳比例下当TRGO大于0.7%(质量分数)之后,增加掺量对电阻率的影响趋于平缓且走低的趋势,表明TRGO掺量0.7%(质量分数)为试件电阻率的添加阈值。     

玄武岩纤维/树脂基复合混凝土的力学性能和抗冻性能研究

以环氧树脂E51为基体材料,丙酮为稀释剂,通过添加玄武岩纤维,制备出了玄武岩纤维/树脂基复合混凝土,探究了玄武岩纤维掺杂量对复合混凝土的力学性能和抗冻性能的影响。结果表明,掺入适量玄武岩纤维后,复合混凝土宏观裂纹数量减少,玄武岩纤维在混凝土中横纵交错分布,与凝胶和骨料结合紧密,混凝土的力学性能得到了显著提高。随着玄武岩纤维掺杂量的增多,复合混凝土的抗压强度、抗折强度和相对动弹性模量均先升高后轻微降低,质量损失率先减小后增大。当玄武岩纤维掺杂量为0.60%(体积分数)时,复合混凝土的抗压强度和抗折强度均达到最大值,分别为41.63和8.90 MPa,在冻融循环100次时,相对动弹性模量最大为59.54%,质量损失率最低为1.02%,其力学性能和抗冻性能最佳。通过对质量损失率和相对动弹性模量进行曲线拟合分析可知,相对动弹性模量对于冻融循环的敏感程度更高,更适合用于评估混凝土的使用寿命,测试出玄武岩纤维的掺杂量为0.60%(质量分数)的混凝土的预估寿命可达9.84年,较未掺杂的试样提高了51.38%。综合可知,玄武岩纤维的最佳掺杂量为0.60%(体积分数)。     

功能化氧化石墨烯/壳聚糖纳米复合材料的制备及力学性能研究

以壳聚糖为基体、氧化石墨烯为活性增强相,采用溶液复合的方法制备了氧化石墨烯/壳聚糖纳米复合材料。为使氧化石墨烯均匀地分散在壳聚糖溶液中,对氧化石墨烯的表面进行了功能化处理。通过TEM、SEM、XRD、TGA和力学实验对氧化石墨烯的分散性,复合材料的结晶性能、热性能和力学性能进行了分析。研究结果表明,表面处理后的氧化石墨烯均匀分散于壳聚糖溶液中,未出现絮凝和团聚现象,复合材料中氧化石墨烯也以层片堆叠的方式存在。复合材料中壳聚糖基体的结晶峰位置和结晶度不随氧化石墨烯的加入而改变。复合材料的杨氏模量随着氧化石墨烯含量的增加而提高,断裂伸长率随氧化石墨烯含量增加而降低;当氧化石墨烯含量达到5%(质量分数)后,材料由韧性变为脆性,强度降低。复合材料的热稳定性随着氧化石墨烯含量的增加而提高。     

改性凹凸棒土-氧化石墨烯/环氧树脂复合材料的力学性能和热电性能

分别用硅烷偶联剂KH560改性凹凸棒土(Attapulgite,ATP)和氧化石墨烯(Graphene oxide,GO),并将其复合制备ATP-GO复合物。以环氧树脂(Epoxy,EP)为基体,采用原位聚合法制备ATP-GO/EP复合材料。采用SEM和FTIR对ATP-GO复合物的形貌和化学结构进行表征。结果表明:ATP与GO成功键合并附着在GO表面;ATP-GO的加入,提高了EP的冲击强度、弯曲强度和热稳定性,降低了其介电常数和介电损耗。3wt%ATP-0.5wt%GO/EP复合材料的弯曲强度和冲击强度分别为138.58 MPa和20.80 kJ/m^2,比纯EP分别提高了75.5%和351.6%,而其介电常数和介电损耗分别低至3.36和0.0118,比纯EP降低了7.7%和27.3%。     

氧化石墨烯增强PVA-PAA复合水凝胶的制备及性能研究

水凝胶具有高含水、低摩擦、良好生物相容性等优良性能,被认为是最具潜力的软骨修复材料,但传统水凝胶因为力学强度低限制了其应用。本实验将氧化石墨烯(GO)作为增强剂,通过冷冻-解冻与退火法相结合制备了高强度的聚乙烯醇-聚丙烯酸-氧化石墨烯(PVA-PAA-GO)复合水凝胶。结果表明:PVA-PAA-GO复合水凝胶具有多孔网状结构和良好的力学强度,随着GO含量的增加,复合水凝胶的力学强度呈先上升后下降的趋势,GO含量为0.05%时,力学强度可达34 MPa,GO含量为0.05%、1%时,PVA-PAA-GO复合水凝胶的损耗因子小于0.1,与天然软骨的动态力学性能相似。     

聚丙烯纤维改性多孔生态混凝土的制备及性能研究

以玄武岩碎石为天然粗骨料,废弃混凝土为再生粗骨料,聚丙烯纤维为增强相,制备了不同聚丙烯纤维掺杂量的多孔生态混凝土,探究了聚丙烯纤维的掺杂量对多孔生态混凝土的物理性能、微观形貌、力学性能及抗冻性能的影响.结果表明,多孔生态混凝土的透水系数和孔隙率呈现出正向线性关系,随着聚丙烯纤维掺杂量的增大,混凝土的透水系数和孔隙率持续降低;适量聚丙烯纤维的掺杂能够在多孔生态混凝土中形成均匀致密的网格结构,当聚丙烯纤维的掺杂量为3％(体积分数)时,混凝土的致密度最高.随着聚丙烯纤维掺杂量的增大,混凝土的抗折强度先增大后降低,抗压强度先快速增大后缓慢增大.在28 d龄期下,当聚丙烯纤维的掺杂量为3％(体积分数)时,混凝土的抗折强度达到最大值4.68 MPa,对应的抗压强度为14.68 MPa.经历100次冻融循环后,当聚丙烯纤维的掺杂量为3％(体积分数)时,混凝土的质量损失率最低为2.17％,相对动弹性模量最高为84.81％,抗冻性能最佳.因此,聚丙烯纤维的最佳掺杂量为3％(体积分数).     

氧化石墨烯复掺石墨烯对水泥砂浆力学性能的提升及机理研究

采用高温还原氧化石墨烯(GO)方法制备石墨烯(G),利用GO对G的助分散效果将G与GO同时掺入砂浆中(即复掺)以改善水泥砂浆力学性能。通过不同含量G与GO混合溶液的吸光度测试,研究了GO对G的分散作用,结果表明当G与GO浓度比(C_G/C_(GO))为4/5时,GO对G的助分散效果最佳。然后保持吸光度测试中C_G/C_(GO),研究了不同G含量对复掺的水泥砂浆抗折抗压强度的影响。研究表明同等掺量下,复掺GO与G更能增强砂浆的力学性能,C_G/C_(GO)在3/5,4/5时提升效果较优,且复掺GO与G对砂浆早期力学性能提升效果更明显;TG测试表明复掺水泥的水化速度快于单掺G水泥。微观测试研究表明GO与G同时掺入水泥,既可以发挥GO对G的助分散效果,又能对水泥起到协同增强作用,促进了水泥的水化,水化产物晶型更加规整。研究采用GO助分散G的方法,既可以发挥GO对G的助分散效果,又能对水泥起到协同增强功效。     

丁基橡胶/还原氧化石墨烯复合材料的制备及性能

采用水合肼(HH)为还原剂制备还原氧化石墨烯(rGO),以rGO作为增强填料,丁基胶乳为基体,通过改进的超声胶乳混合和原位还原工艺,制备了力学性能优异的丁基橡胶(IIR)/rGO复合材料。结果表明,在IIR基体中添加较低含量rGO时,rGO显示完全剥离和均匀分散的状态;rGO由于具有较高的比表面积,可以提高其与IIR基体之间的界面相互作用,使得IIR/rGO复合材料的拉伸强度和断裂伸长率共同增大;对比纯IIR,IIR/rGO复合材料的储能模量增加、损耗因子减小,具有更好的阻尼性能和热稳定性。     

氧化石墨烯改性聚醚砜纤维膜的制备及性能研究

以聚醚砜(PES)为原料,1-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)为溶剂,氧化石墨烯(GO)为填充剂,采用静电纺丝技术成功制备GO/PES复合纤维膜。结果表明,当GO添加量为0.2%(质量分数)时,复合纤维膜拉伸强度为2.55MPa,弹性模量为23.88MPa,断裂伸长率为49.78%,电导率达到2.74×10~(-7)S/m,比未添加GO的纤维膜提高了4个数量级。     

氧化石墨烯纳米带与氧化石墨烯增强热塑性聚氨酯薄膜的制备及性能

利用纵向裂解多壁碳纳米管制备了氧化石墨烯纳米带,并采用溶液成型的方法制得氧化石墨烯纳米带-氧化石墨烯(GONRs-GO)/热塑性聚氨酯(TPU)复合材料薄膜。场发射扫描电镜和X射线衍射分析结果显示,GONRs与GO间相互剥离并均匀地分散在TPU基体中;氧气透过率(OTR)和力学性能测试表明,GONRs和GO具有协同增强TPU复合材料薄膜的阻隔和力学性能的作用。当GONRs和GO在TPU中添加量均为1.5%(质量分数)时,GONRs-GO/TPU复合材料薄膜的阻隔和力学性能达到最佳。相比于纯TPU薄膜,该GONRs-GO/TPU复合材料薄膜的OTR降低了83.94%,拉伸断裂强度、屈服强度、扯断伸长率则分别提高了59.28%,59.54%和15.0%。     

氧化石墨烯对铝合金微弧氧化膜层力学和摩擦学性能的影响

为了提高铝合金的耐磨性,在六偏磷酸盐复合电解液中加入不同浓度氧化石墨烯(GO)对铝合金进行微弧氧化(MAO),利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、膜层测厚仪和显微硬度计分析GO对微弧氧化膜层的微观形貌、相组成、元素分布、厚度和显微硬度的影响,重点研究了不同GO浓度下的铝合金微弧氧化膜层的摩擦磨损性能。结果表明：电解液中添加GO纳米颗粒对微弧氧化膜层有显著的影响。Al₂O₃/GO膜层生长速率随GO含量增加而上升,其主要成分是α-Al₂O₃和γ-Al₂O₃。随着GO浓度的增加,微弧氧化膜层的显微硬度相较于纯2A12铝合金明显提高。由于电解氧化过程中C元素掺入膜层界面,Al₂O₃/GO膜层的表面变得致密且光滑,摩擦系数明显下降且耐磨性提高。该方法为强化铝合金表面耐磨提供了新思路,对拓展铝合金的应用具有重要意义。     

原位氨基化氧化石墨烯/聚酰亚胺复合材料的制备及性能

以1,4-双（4-氨基-2-三氟甲基苯氧基）苯（6FAPB）和3,3',4,4'-二苯醚四酸二酐（ODPA）为合成聚酰亚胺（PI）的单体,首先采用原位氨基化方法使氧化石墨烯（GO）与6FAPB反应转变为原位氨基化GO,再与ODPA和剩余的6FAPB发生聚合反应得到原位氨基化GO/聚酰胺酸（PAA）溶液。涂膜后,经热酰亚胺化制备出GO质量分数分别为0.05wt%、0.1wt%、0.3wt%、0.5wt%和1.0wt%的原位氨基化GO/PI复合材料膜。利用FTIR、XPS、XRD、UV-vis、TGA、TMA、SEM、拉伸性能测试及接触角测试对原位氨基化GO/PI复合材料的结构和性能进行表征。结果表明,原位氨基化使GO以化学键与PI大分子链连接,有利于GO在复合材料基体中的稳定和均匀分散。XRD结果表明,所得到的原位氨基化GO/PI复合材料膜均为无定型结构。随GO质量分数增加,原位氨基化GO/PI复合材料薄膜的光学透明性急剧降低,但力学性能和热稳定性有一定提高。当GO的质量分数为1.0wt%时,原位氨基化GO/PI复合材料的拉伸强度由64 MPa增加到83 MPa,杨氏模量由1.67 GPa提高到2.10 GPa,10%热失重温度由593℃增加到597℃,玻璃化转变温度变化不大。由于热酰亚胺化后GO表面的大部分含氧官能团消失,原位氨基化GO/PI复合材料膜的吸水率由0.86%降低至0.58%,水接触角由72.5°增加到77.8°。     

氧化石墨烯/呋喃树脂复合材料的制备及其性能

用改良的Hummers法制备出氧化石墨烯(GO),再通过溶液共混,逐步升温固化制备得到GO/呋喃树脂复合材料。利用FTIR、XRD和SEM对GO/呋喃树脂复合材料的微观结构和形貌进行表征,同时对其黏度、玻璃化转变温度、热分解温度、残炭率及硬度进行了检测。结果表明,GO较均匀地分散于呋喃树脂基体中,且两者界面相容性较好。GO/呋喃树脂复合材料的热性能和力学性能相对于纯树脂都有一定的提高。与纯呋喃树脂相比,当GO的添加量为0.3wt%时,GO/呋喃树脂复合材料的玻璃化转变温度提高了36℃,热失重5%时的温度提高了16℃;当GO的添加量为0.1wt%时,GO/呋喃树脂复合材料的残炭率从50.7%提高到53.9%,邵氏硬度从90提高到97。     

氧化石墨烯/酚醛树脂原位复合材料的热性能和动态力学性能

采用改进的Hummers法制备氧化石墨烯(GO),通过超声分散与苯酚、甲醛进行原位聚合,将所得原位聚合树脂与其它填料一起通过辊炼、模压成型制备GO/酚醛树脂(PF)原位复合材料。研究GO含量对GO/PF原位复合材料的热性能、力学性能、动态力学性能、蠕变和应力松弛的影响,使用扫描电子显微镜(SEM)观察复合材料的冲击断面形貌。研究结果表明,当GO加入量为1%时,GO/PF原位复合树脂的初始热分解温度比纯酚醛树脂(PF)提高了55.8℃;当GO加入量为0.25%时,GO/PF原位复合材料的冲击强度提高18.6%;当GO加入量为0.5%时,GO/PF原位复合材料的储能模量比纯PF复合材料提高78.3%,Tg提高了8.9℃。SEM观察发现,GO/PF原位复合材料的冲击断面凹凸不平,表明GO的加入能有效提高PF复合材料的力学性能。     

铸型尼龙/高密度聚乙烯改性氧化石墨烯复合材料的制备与性能

首先通过静电作用将氧化石墨烯(GO)与2,3-环氧丙基三甲基氯化铵(GTMAC)结合,在氧化石墨烯的表面引入环氧基,再与马来酸酐接枝高密度聚乙烯(HDPE-g-MAH)反应,制得高密度聚乙烯接枝氧化石墨烯(GO-g-HDPE)。采用傅里叶变换红外光谱、X射线衍射及热重分析对接枝产物进行了表征。将GO-g-HDPE作为铸型尼龙(MC尼龙)的填充剂,通过阴离子原位聚合的方法制备了铸型尼龙/GO-g-HDPE复合材料。力学性能测试结果表明,GO-g-HDPE作为MC尼龙的改性材料起到了增强增韧的双重作用,HDPE-g-MAH的质量分数为0.02%时,拉伸强度增加了14.7%,断裂伸长率增加了21.0%,冲击强度增加了30.0%,压缩强度增加了27.2%。同时,MC尼龙吸水率降低,热稳定性增加。