一种导热抗裂高延性地聚合物复合材料及其制备方法与流程

文档序号:25543916发布日期:2021-06-18 20:41

本发明涉及一种地聚合物及其制备方法,尤其涉及一种导热抗裂高延性地聚合物复合材料及其制备方法。



背景技术:

地聚合物材料最早由法国人davidovits在1978年提出,至今已有40多年的历史,地聚合物是由铝硅质原材料在催化剂的作用下,硅氧共价键、铝氧共价键解聚断裂,重组生成硅氧四面体和铝氧四面体,最后反生缩聚反应形成三维立体网络的笼形结构。

目前常用的铝硅质原材料为粉煤灰、高岭土、磨细矿渣、微硅粉等,催化剂常使用苛性碱、水玻璃等;地聚合物作为一种新型的胶凝材料与传统水泥相比,生产过程更加低碳环保、节能减排。但是地聚合物材料在常温常压养护条件下,还存在一定的不足,如:早期强度低、韧性差、延性低、容易开裂等。



技术实现要素:

本发明所要解决的技术问题是提供一种导热抗裂高延性地聚合物复合材料及其制备方法,具有更好的韧性、延性、抗裂性、导热性,使废弃物资源利用向高附加值、可持续发展、低碳环保方向发展。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种导热抗裂高延性地聚合物复合材料,包含如下组分:铝硅质矿物材料、纳米材料和碱性复合催化剂;所述的铝硅质矿物材料为粉煤灰和凹凸棒土,所述的纳米材料为纳米石墨粉和纳米氧化锆,所述的纤维材料为陶瓷纤维和硫酸钙晶须,所述的化学外加剂为减水剂、消泡剂、缓凝剂和纤维分散剂,所述的碱性复合催化剂为甲醇钠、乙醇钠、水滑石和水溶性硬酯酸钠。

进一步的,所述粉煤灰为ⅰ级灰或ⅱ级灰。

进一步的,所述凹凸棒土为是具有链层状结构的粉末状镁铝硅酸盐粘土,粘土细度为200-300目。

进一步的,各组分按重量份数配比如下:

本发明为解决上述技术问题还提供一种上述导热抗裂高延性地聚合物复合材料的制备方法,包括如下步骤:s1)将铝硅质矿物材料、纳米材料和碱性复合催化剂按预定重量份数混合均匀,得到混合料a;s2)采用0.28-0.40的水固比,将纤维材料和化学外加剂按预定重量份数在约1/2的用水量中混合分散均匀,得到混合料b;s3)将混合料a与剩余约1/2的水投放到砂浆搅拌机中搅拌1-2min至均匀,边搅拌边加入混合料b,最后搅拌2-3min至均匀,得到混合料c;s4)混合料c经过成型、养护、凝结、硬化,最终得到导热抗裂高延性地聚合物复合材料。

进一步地,所述纳米石墨粉为再生石墨粉,将手机、电脑、电动汽车中锂电池负极石墨材料进行回收,通过酸浸、水洗、加热处理,去除大部分的重金属残留,使用超细微粉碎机粉碎经纳米级筛网筛分得到,控制粒度指标:d100<1000nm,d50<400nm,含碳量大于98%;所述纳米氧化锆为白色固体粉末,氧化锆含量大于98%,粒度为20-80nm。

进一步地,所述陶瓷纤维为硅酸铝纤维,单丝直径为3-6μm,长度为3-9mm,抗拉强度大于25gpa;所述硫酸钙晶须是一种白色粉末状石膏纤维,微观结构为纤维状或须状单晶体,硫酸钙含量大于98%,平均长度为50-100μm,平均直径为1-4μm。

进一步地,所述减水剂为粉状萘系减水剂或粉状聚羧酸减水剂,减水率大于15%;所述消泡剂为聚醚型或有机硅型;所述缓凝剂为羟基羧酸盐;所述纤维分散剂为无机分散剂和有机分散剂复配而成。、

进一步地,所述纤维分散剂由无机碱金属磷酸盐和有机聚丙烯酰胺复配而成。

进一步地,所述甲醇钠和乙醇钠为白色固体粉末状,含量均大于98%;所述水滑石为粉状焙烧镁铝水滑石,比表面积为200-300m2/g;所述水溶性硬酯酸钠为白色粉末,含量大于98%。

本发明对比现有技术有如下的有益效果:本发明提供的导热抗裂高延性地聚合物复合材料,以铝硅质矿物材料、纳米材料、纤维材料为主要原料,在碱性复合催化剂和化学外加剂的作用下,发生地聚反应,经过成型、养护、凝结和硬化后形成,能够大大提高地聚合物材料的延性、韧性和抗裂性。本发明与现有技术相比,具有以下优势和有益效果:

(1)利用纳米材料和纤维材料对地聚合物材料进行改性,与传统的地聚合物材料相比,具有更好的韧性、延性、抗裂性、导热性,使废弃物资源利用向高附加值、可持续发展、低碳环保方向发展。

(2)使用甲醇钠、乙醇钠、水溶性硬酯酸钠、水滑石作为碱性复合催化剂,与传统的苛性碱、水玻璃催化剂相比,其不但具有良好的碱催化效果,且有利于地聚合物早期强度的提高。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的描述。

本发明提供的导热抗裂高延性地聚合物复合材料,按重量份数配合比如下:

具体地,所述粉煤灰采用45μm方孔筛筛余小于8%、烧失量小于5%、需水量比小于105%的ⅰ级或ⅱ级灰。

所述凹凸棒土是具有链层状结构的镁铝硅酸盐粘土矿物,粉末状,细度为200-300目;在其结构中存在晶格置换,晶体呈针状、纤维状或纤维集合状,其具有阳离子交换性,在地聚合物浆液中分散性好,且干燥后收缩小;其各种特性,有助于提高地聚合物材料的流动性和稳定性,在介于链状结构和层状结构之中形成三维立体网状结构,提高材料的力学性能。

所述减水剂为粉状萘系减水剂或粉状聚羧酸减水剂,减水率大于15%。

所述消泡剂为聚醚型或有机硅型,粉末状,有效成分大于99%。

所述缓凝剂为羟基羧酸盐,酒石酸,柠檬酸和葡萄糖酸钠中的至少一种。

所述纤维分散剂为无机分散剂和有机分散剂复配而成,优选由三聚磷酸钠和聚丙烯酰胺复配。

所述纳米石墨粉为再生石墨粉,将手机、电脑、电动汽车中锂电池负极石墨材料进行回收,通过酸浸、水洗、加热处理,去除大部分的重金属残留,使用超细微粉碎机粉碎经纳米级筛网筛分得到,满足粒度指标:d100<1000nm,d50<400nm,含碳量大于98%;其是六边形层状晶体结构,提高地聚合物材料的韧性和导热性。

所述纳米氧化锆为白色固体粉末,氧化锆含量大于98%,粒度为20-80nm;将其掺加到地聚合物材料中,与铝硅质原料复合,提高地聚合物材料的韧性、抗弯强度、导热性。

所述陶瓷纤维为硅酸铝纤维,单丝直径为3-6μm,长度为3-9mm,抗拉强度大于25gpa;其具有耐酸、碱腐蚀性好的特点,氧化铝作为其主要成分之一,部分可以参与地聚合物反应,提高地聚合物材料微观结构的整体性,最终达到提高韧性的目的。

所述硫酸钙晶须是一种白色粉末状石膏纤维,微观结构为纤维状或须状单晶体,硫酸钙含量大于98%,平均长度为50-100μm,平均直径为1-4μm;其具有高强度、高模量、高韧性、耐磨耗、耐高温、耐酸碱、抗腐蚀等特征,将硫酸钙晶须掺入地聚合物之中,在表面活性剂的作用下,促进晶须的生长,从而提高了地聚合物材料的韧性。

所述甲醇钠和乙醇钠为白色固体粉末状,含量均大于98%;甲醇钠和乙醇钠易溶于水分解为甲醇、乙醇和氢氧化钠,并放出一定的热量,对地聚反应起催化的作用,进而提高地聚合物材料的早期强度。

所述水滑石为粉状焙烧镁铝水滑石,比表面积为200-300m2/g,其是一种层状双金属氢氧化物,且其层间离子具有可交换的特性,将其与甲醇钠、乙醇钠、水溶性硬酯酸钠复合,提高了地聚合物反应的速率和质量。

所述水溶性硬酯酸钠为白色粉末,含量大于98%,是一种阴离子表面活性剂,水溶液呈碱性,且一定程度上促进硫酸钙晶须的生长,进而提高了地聚合物的韧性。

本发明还提供一种上述导热抗裂高延性地聚合物复合材料的制备方法,包括如下步骤:

s1)将铝硅质矿物材料、纳米材料和碱性复合催化剂混合均匀,得到混合料a;

s2)采用0.28-0.40的水固比,将纤维材料和化学外加剂在约1/2的用水量中混合分散均匀,得到混合料b;

s3)将混合料a与剩余约1/2的水投放到砂浆搅拌机中搅拌1-2min至均匀,边搅拌边加入混合料b,最后搅拌2-3min至均匀,得到混合料c;

s4)混合料c经过成型、养护、凝结、硬化,最终得到导热抗裂高延性地聚合物复合材料。

为了验证本发明制备得到的导热抗裂高延性地聚合物复合材料的各项机械性能,对地聚合物复合材料进行如下机械性能试验:

(1)抗折抗压强度试验

参考标准gb/t17671《水泥胶砂强度检验方法(iso法)》,制备40mm×40mm×160mm的地聚合物复合材料棱柱体试块,试块24h后拆模,在标准养护箱中养护,使用水泥抗折抗压试验机,测定地聚合物复合材料各个龄期的抗折抗压强度。

(2)轴向抗拉强度试验

参考标准gb/t50081《混凝土物理力学性能试验方法标准》和t/cbmf37-2018/t/ccpa7《超高性能混凝土基本性能与试验方法》,利用预埋栓钉试件或无栓钉试件试模,制备地聚合物复合材料异形试块,试块24h后拆模,在标准养护箱中养护,使用混凝土轴向拉伸试验机或万能试验机,测定地聚合物复合材料28d龄期的轴向抗拉强度、极限抗拉应变。

(1)抗裂性能试验

参考标准jc/t951《水泥砂浆抗裂性能试验方法》,制备试块,并在温度为20±3℃、相对湿度为60±5%rh的室内使用风扇连续吹24h,测定地聚合物复合材料抗开裂性能。

(4)导热性能试验

参考标准gb/t50081《混凝土物理力学性能试验方法标准》,采用导热仪和φ200mm×400mm的圆柱形铁模,测定地聚合物复合材料的导热性能。

实施例1:

单一粉煤灰基地聚合物材料重量份数配合比如下:

粉煤灰55份,萘系减水剂0.8份,聚醚型消泡剂0.05份,酒石酸0.15份,氢氧化钠10份,钠水玻璃(模数为1.5,波美度为50%)20份,水14份,经过计算水固比为0.34。

制备方法:将氢氧化钠、钠水玻璃和1/2总用水量在容器中搅拌1-2min至均匀,得到碱性催化剂混合溶液;将粉煤灰、萘系减水剂、聚醚型消泡剂、酒石酸投放到搅拌机中,搅拌1-2min至均匀,先加入总用水量的1/2,搅拌1-2min,然后边搅拌边加入碱性催化剂混合溶液,最后搅拌2-3min至均匀。

实施例2:

以水玻璃-氢氧化钠作为催化剂,制备的地聚合物复合材料重量份数配合比如下:

粉煤灰41.4份,凹凸棒土3份,萘系减水剂0.8份,聚醚型消泡剂0.05份,酒石酸0.15份,纤维分散剂0.2份,纳米石墨粉5份,纳米氧化锆5份,陶瓷纤维0.2份,硫酸钙晶须0.2份,氢氧化钠10份,钠水玻璃(模数为1.5,波美度为50%)20份,水14份,经过计算水固比为0.34。

制备方法:将氢氧化钠、钠水玻璃和1/2总用水量在容器中搅拌1-2min至均匀,得到碱性催化剂混合溶液;将陶瓷纤维、硫酸钙晶须、纤维分散剂和1/2总用水量在另一容器中搅拌1-2min至均匀,得到纤维混合溶液;将粉煤灰、凹凸棒土、萘系减水剂、聚醚型消泡剂、酒石酸、纳米石墨粉、纳米氧化锆投放到搅拌机中,搅拌1-2min至均匀,先加入纤维混合溶液,搅拌1-2min,然后边搅拌边加入碱性催化剂混合溶液,最后搅拌2-3min至均匀。

实施例3:

导热抗裂高延性地聚合物复合材料重量份数配合比如下:

粉煤灰60份,凹凸棒土3份,萘系减水剂0.8份,聚醚型消泡剂0.05份,酒石酸0.15份,纤维分散剂0.2份,纳米石墨粉5份,纳米氧化锆5份,陶瓷纤维0.2份,硫酸钙晶须0.2份,甲醇钠5份,乙醇钠10份,焙烧水滑石10份,水溶性硬酯酸钠0.4份;水固比为0.34。

制备方法:将铝硅质矿物材料、纳米材料和碱性复合催化剂混合均匀,得到混合料a;

采用0.34的水固比,将纤维材料和化学外加剂在约1/2的用水量中混合分散均匀,得到混合料b;然后将混合料a与剩余约1/2的水投放到砂浆搅拌机中搅拌1-2min至均匀,边搅拌边加入混合料b,最后搅拌2-3min至均匀,得到混合料c;混合料c经过成型、养护、凝结、硬化,最终得到:导热抗裂高延性地聚合物复合材料。

对实施例1-3进行成型、养护、凝结、硬化,并测试它们的流动度、抗折抗压强度、轴向抗拉强度、极限抗拉应变、抗开裂性能、导热性能,实施例1-3的性能比较如下:

由上可见,本发明提供的导热抗裂高延性地聚合物复合材料,以铝硅质矿物材料、纳米材料、纤维材料为主要原料,在碱性复合催化剂和化学外加剂的作用下,发生地聚反应,经过成型、养护、凝结和硬化后形成,大大提高了地聚合物材料的延性、韧性和抗裂性。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上,然其并非用以限定本发明,任何本领域技术人员,在不脱离本发明的精神和范围内,当可作些许的修改和完善,因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

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