[发明专利]水性聚吡咯水泥基导电复合材料、制备方法及应用

说明书

本发明涉及材料领域，具体涉及一种水性聚吡咯水泥基导电复合材料、制备方法及应用。通过制备具有良好导电性能和水溶性能的水性聚吡咯导电聚合物，并将其作为导电填料添加到水泥基体中，制成了具有良好导电性能、自感知性能和力学性能的复合材料。本发明的水性聚吡咯水泥基导电复合材料由水性聚吡咯和水泥构成，水性聚吡咯与水泥的质量比为1:800‑5000，水性聚吡咯是由吡咯单体水性聚合得到。水性聚吡咯可以均匀分散在水泥基体中，并形成三维的空间导电网络，大大提高了水泥基复合材料的导电性能且成本低廉。

技术领域

本发明属于导电材料领域，具体涉及水泥基导电复合材料，尤其涉及一种水性聚吡咯水泥基导电复合材料、制备方法及应用。

背景技术

自感知水泥基复合材料是一种集结构和传感功能于一身的智能水泥基复合材料，通过在普通水泥基体中添加适当掺量的导电填料，并采用一定的工艺使填料分散在基体中而制成。在力场的作用下，复合材料中的微观结构发生变化，使导电通路受到影响，从而导致其电阻率发生有规律的改变，具有压敏和拉敏两种感知特性。

目前应用较多的导电填料有炭黑、碳纤维、碳纳米管、钢纤维、钢渣等，这些导电填料可以在水泥基体中形成导电通路，改善复合材料的电学性能，其中又以碳基导电填料的改性效果最好。但是炭黑属于颗粒状的导电填料，少量添加难以有效提高复合材料的电学性能，含量过高又会降低复合材料的力学强度。碳纤维、碳纳米管虽然可以同时提高复合材料的导电性能和力学性能，但是由于成本过高，不利于作为填料大量填充，其复合材料产品也不适合大规模使用。

高分子导电聚合物具有导电性能优异、成本低廉、适合大规模制备等特点，同时由于导电聚合物属于纳米级尺度，经过良好分散后会有效提高填充效率，只需要少量填充就可以在基体中形成大规模的导电网络。但是目前关于导电聚合物作为导电填料，制备水泥基复合材料的工作还尚未见诸报道，究其原因有以下方面：①水泥属于碱性环境，而聚苯胺等导电聚合物需要在酸性条件下才具有较好的电学性能；②导电高分子一般都不溶于水，且具有疏水性，难以在水泥基体中分散，会在基体中大量团聚，不但不能提高复合材料的导电性能，反而会降低其力学性能。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，制备了具有良好导电性能和水溶性能的水性聚吡咯导电聚合物，并将其作为导电填料添加到水泥基体中，制成了具有良好导电性能、自感知性能和力学性能的复合材料。

本发明的水性聚吡咯水泥基导电复合材料由水性聚吡咯和水泥构成，水性聚吡咯与水泥的质量比为1:800-5000，水性聚吡咯是由吡咯单体水性聚合得到。所述水性聚吡咯的制备方法为:取提纯的吡咯单体置于圆底烧瓶中，加入木质素磺酸钠水溶液，冰水浴搅拌条件下，逐滴加入FeCl₃水溶液，室温搅拌条件下反应8-12小时，经抽滤、烘干、研磨制成水性聚吡咯高分子。

优选的，提纯的吡咯单体：木质素磺酸钠：FeCl₃的摩尔比为0.007-0.03:0.005-0.02:0.005-0.02。

另一方面，水性聚吡咯水泥基导电复合材料制备方法包括如下步骤：

(1)取提纯的吡咯单体置于圆底烧瓶中，加入木质素磺酸钠水溶液，冰水浴搅拌条件下，逐滴加入FeCl₃水溶液，室温搅拌条件下反应8-12小时，经抽滤、烘干、研磨制成水性聚吡咯高分子；

(2)将步骤(1)制得的水性聚吡咯高分子溶解于蒸馏水中，加入到含有水泥的净桨搅拌器内，慢速搅拌120秒后暂停15秒转到中高速搅拌120秒；

(3)将搅拌好的水泥基复合材料浇筑到模具中，经过振捣、蒸汽养护工艺，制成水性聚吡咯水泥基导电复合材料。

优选的，步骤(2)中蒸馏水的用量为10-20mL；

优选的，水泥为波特兰425水泥；优选的，波特兰425水泥的用量为1300-1500g。