CN106866021A - 纳米改性超稳定泡沫及其在超轻密度水泥基多孔材料中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳米改性超稳定泡沫及其在超轻密度水泥基多孔材料中的应用。通过将纳米颗粒稳定分散在发泡剂中，改性后的发泡剂在搅拌发泡后可实现纳米颗粒对气泡的包裹，使得泡沫由传统的气—液两相结构变为气—液—固三相结构，显著的提高了泡沫的稳定性。由改性后的发泡剂制备的泡沫稳定性好，尺寸细小均一，并且由此制备的超轻多孔水泥基材料强度高，不塌陷，解决了传统超轻水泥基材料性能差等问题，是一种提高超轻水泥基材料性能的有效方法。

Description

纳米改性超稳定泡沫及其在超轻密度水泥基多孔材料中的 应用

技术领域

本发明涉及水泥基多孔材料领域，用于房屋建筑等领域的保温隔热。其具体是通过纳米颗粒包裹预制泡沫以此来改善泡沫的稳定性，从而制备一种超轻水泥基多孔材料。

背景技术

水泥基多孔材料是将预制的泡沫通过机械搅拌的方式均匀掺入到水泥基胶凝材料净浆或砂浆中，经过泵送系统进行现浇施工模具成型，经自然养护所形成的一种含有大量封闭气孔的轻质保温材料，这种水泥基材料内部具有大量封闭、均匀细小孔隙，具有质量轻、施工性好、保温隔热、耐火吸能等一系列优点，被广泛应用于屋面墙体保温，回填工程，防护工程等领域，是一种节能环保的新型建筑材料。

在墙体保温领域，发展水泥基多孔材料也是取代传统易燃有机保温材料的趋势之一。资料表明，水泥基多孔材料的保温性能随着密度的降低而增加，在密度低于300kg/m³时，水泥基多孔材料的保温性能可媲美传统有机保温板。但超轻水泥基多孔材料的制备工艺复杂，质量可控性差。这是由于预制泡沫自身不稳定，在水泥基多孔材料凝结之前易融合长大，并且由于浆体用量少，气泡的渗透-迁移-融合现象更加明显，造成水泥基多孔材料内部泡径大，尺寸不均匀，使得性能变差，严重时造成水泥基多孔材料塌陷，造成工程上经济损失。而常规使用促凝剂和快硬水泥的方法又是以牺牲后期强度为代价的。稳定性好的泡沫可有效降低水泥基多孔材料的不稳定现象。然而，目前关于提高泡沫稳定性的研究较少。因此，制备一种适用于水泥基材料体系的稳定性泡沫对于制备超轻水泥基多孔材料显得尤为重要。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的内容在于通过纳米颗粒改性发泡剂方法来制备一种稳定性良好并且尺寸细小的泡沫以此来制备超轻水泥基多孔材料。

技术方案：一种纳米颗粒改性发泡剂，以质量份计，组成为：纳米颗粒0.1～10份，分散剂0.1～10份，表面活性剂1～5份，氢氧化钠0.05～1份，去离子水90～97份；所述的纳米颗粒为纳米SiO₂；所述的表面活性剂为两性表面活性剂。

所述的两性表面活性剂为甜菜碱型表面活性剂。

所述的分散剂为聚乙二醇2000。

基于所述的纳米颗粒改性发泡剂的泡沫，加热状态下，将纳米颗粒均匀分散在氢氧化钠水溶液中，再加入分散剂超声分散均匀得到悬浮液，再加入表面活性剂搅拌保温分散均匀即得泡沫。

加热温度为45～60℃。

保温的温度为30～50℃。

一种基于所述的泡沫的超轻密度水泥基多孔材料，以质量份计，组成为：普通硅酸盐水泥50～80份，粉煤灰0～30份，硅灰0～10份，减水剂0.5～1份，纳米颗粒改性发泡剂0.5～1份，水20～40份。

所述的减水剂为聚羧酸减水剂。

制备所述的基于泡沫的超轻密度水泥基多孔材料的方法，第一步，预制纳米颗粒改性发泡剂的泡沫：加热状态下，将纳米颗粒均匀分散在氢氧化钠水溶液中，再加入分散剂超声分散均匀得到悬浮液，再加入表面活性剂搅拌分散均匀即得泡沫；

第二步，制备多孔材料：将除纳米改性发泡剂以外的材料搅拌均匀，制成均匀的水泥浆体，再将预制好的泡沫加入水泥浆体中搅拌，待泡沫分散均匀后，浇筑成型，养护后得到超轻密度水泥基多孔材料。

有益效果：

经纳米颗粒改善后的发泡剂稳定性好，各项组分均可在水溶液中均匀分散，由纳米发泡剂制备的泡沫细小，尺寸均匀，并且稳定性好。1h内基本无泌水，2h有些许泌水，极大的改善了泡沫的稳定性。由此制备的超轻密度水泥基多孔材料强度好，不塌陷，具有良好的保温性能。本发明制备纳米发泡剂改善了泡沫的稳定性，降低了气泡的泌水率，从而制备了超轻密度水泥基多孔材料，具有良好的应用前景，并且本发明制备工艺简单，使用方便，成本较低。

附图说明

图1普通泡沫及纳米稳定泡沫的泌水率随时间的变化。

图2泡沫的微观形态，放大倍数为40倍(a)普通泡沫(b)实施例一泡沫。

图3普通水泥基多孔材料与纳米稳定水泥基多孔材料的形貌(a)普通水泥基多孔材料(塌模)(b)例1所制备的水泥基多孔材料。

具体实施方式

下面结合具体实施实例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。

一种超轻密度水泥基多孔材料，其成分主要包括：普通硅酸盐水泥50～80份，粉煤灰0～30份，硅灰0～10份，减水剂0.5～1份，纳米改性发泡剂0.5～1份，水20～40份。本发明选用粒径小、具有潜在活性的纳米颗粒改性发泡剂，成分包括纳米颗粒，分散剂，表面活性剂，氢氧化钠，去离子水。通过化学改性与物理分散的方式将纳米颗粒、分散剂和两性分子均匀分散在水溶液中，通过机械搅拌的方法来制备一种适用于水泥基多孔材料的稳定泡沫以此来制备超轻密度的水泥基多孔材料。本发明添加的硅灰一方面可提高浆体的粘度，可减少泡沫的融合；另一方面，填充泡沫混凝土微小的孔隙，可提高强度。粉煤灰可降低水泥水化时的放热速率，降低浆体由温度梯度引起的开裂风险。

一种经纳米颗粒改性后的发泡剂，其主要成分和质量分数见表1所示：

表1纳米改性发泡剂的主要成分组成

序号	组分名称	质量份
			1	纳米颗粒	0.1-10
2	分散剂	0.1-10
			3	表面活性剂	1-5
4	氢氧化钠	0.05-1
			5	去离子水	90-97

制备步骤：

1、将纳米颗粒缓慢加入到0.1-0.001mol/l的氢氧化钠的溶液中，加热(45-60℃)搅拌5-10min，之后加入分散剂继续搅拌5-10min，搅拌完成后将制备的悬浮液在频率为20-25KHz的超声波分散器进行超声处理30min-60min，消除悬浮液中的团聚体。

纳米SiO₂颗粒比表面积大，表面活性强，制备后表面残留部分羟基，羟基在碱性环境下易发生解离生成-O^-，因此在碱性环境下对纳米粒子进行预处理，使其表面羟基发生解离，为后面与表面活性剂的结合提供了可能。分散剂表面含有大量的羟基，容易和纳米颗粒表面的羟基发生反应，使得纳米颗粒能够均匀分散在溶液中，消除纳米颗粒自身的团聚。

2、将表面活性剂分子加入到均匀分散的悬浮液中继续搅拌15-30min，并且搅拌时温度维持在30-50℃之间，期间使用氢氧化钠溶液不断调节溶液的OH^-浓度。之后使用机械搅拌机强力搅拌3-5min即可制得稳定良好的泡沫。

3、将水泥粉煤灰等胶凝材料加水搅拌3-5min制成均匀的水泥浆体，再将预制好的泡沫加入浆体中搅拌2-4min，待泡沫完全均匀分散于浆体中后，浇筑成型，养护一定龄期后即可制备性能良好且不塌陷的超轻水泥基多孔材料。

本发明各组分的选择原则是：纳米SiO₂颗粒尺寸小，比表面积大，可吸附在气泡的表面，从而吸收气泡表面剩余的表面活性能，并且纳米颗粒可以堵塞气泡之间的柏拉图通道，降低重力排液的概率，从而达到稳定气泡的效果。纳米颗粒表面残余大量羟基，溶解在氢氧化钠溶液中表面羟基可水解生成-O^-，与表面活性剂分子发生化学键结合，使得稳定效果更佳。分散剂无毒，易溶于水，表面含有大量羟基，在60℃下分散剂与纳米颗粒表面的羟基发生缩合反应，从而生成易溶于水的聚合物，且由于空间位阻作用，使得纳米粒子不易发生团聚，从而稳定分散于水中；选用的表面活性剂分子同时具有阴、阳两种离子，起泡力好，稳定性佳，并且具有良好的复配性，是一种温和型的表面活性剂。本发明选用的表面活性剂的优势在于表面基团可与羟基结合，从而有效的吸附在纳米颗粒的表面。表面活性剂在水溶液中与纳米颗粒表面-O^-基团发生化学结合，使得纳米颗粒与表面活性剂分子牢牢结合在一起，使得气泡由传统的气-液两相结构变为气-液-固三相结构，有效的提高了泡沫的稳定性。氢氧化钠可增加溶液的pH值，使溶液维持在一定的碱性环境下。

实施例1 250kg/m³干密度

按照下列重量称取原料：(千克)

水泥：600，粉煤灰：300，硅灰：100，聚羧酸减水剂：5，水：350，发泡剂：40。水泥选用小野田P·Ⅱ52.5水泥，粉煤灰为二级粉煤灰，硅灰为埃肯硅灰，减水剂为江苏苏博特新材料有限公司生产的聚羧酸减水剂，减水率为40％，发泡剂的成分主要由表2所示。

表2实施例1纳米发泡剂的成分组成

经纳米技术改性后的水泥基多孔材料，其制备步骤是：

1)将0.5％纳米颗粒加入到氢氧化钠溶液中搅拌5min，之后加入0.3％分散剂加热至45℃搅拌10min，搅拌完成后将制备的悬浮液在频率为25KHz的超声波分散器进行超声处理60min。

2)将两性表面活性剂加入到均匀分散的悬浮液中继续搅拌15min，搅拌均匀后用手持搅拌机强力搅拌3min制得稳定良好的泡沫。

3)将水泥、粉煤灰、硅灰等胶凝材料加水搅拌3min制成均匀的水泥浆体，再将预制好的泡沫加入浆体中搅拌4min，待泡沫完全均匀分散于浆体中后，浇筑成型，养护一定龄期后即可制备性能良好的水泥基多孔材料。

实施例2 200kg/m³干密度

按照下列重量称取原料：(千克)

水泥：600，粉煤灰：300，硅灰：100，聚羧酸减水剂：5，水：350，发泡剂：50。原材料性质如实施例1，发泡剂的成分主要由表3所示。

表3实施例2纳米发泡剂的成分组成

序号	组分名称	质量百分比％
			1	纳米颗粒	0.8
2	分散剂	0.5
			3	表面活性剂A	1
4	表面活性剂B	2.5
			5	氢氧化钠	0.07
6	去离子水	94.73

制备步骤如实施例1。

实施例3 150kg/m³干密度

按照下列重量称取原料：(千克)

水泥：600，粉煤灰：300，硅灰：100，聚羧酸减水剂：5，水：350，发泡剂：60。原材料性质如实施例1。发泡剂的成分主要由表4所示。

表4实施例3纳米发泡剂的成分组成

序号	组分名称	质量百分比％
			1	纳米颗粒	1
2	分散剂	0.8
			3	表面活性剂A	2
4	表面活性剂B	2
			5	氢氧化钠	0.09
6	去离子水	93.61

制备步骤如实施例1。

由本发明所制备的泡沫的泌水率如图1所示，气泡形貌如图2所示。

由图1所示，经纳米颗粒改进后的气泡稳定性明显提高，质量泌水率大幅下降，30min无泌水，1h泌水率分别为2.14％、1.28％、0.9％，而相比由普通发泡剂制备的泡沫，30min基本已完全消泡，泌水率为98.9％，1h已完全消泡。

图2为在光学显微镜下观察到的泡沫形态。由图对比发现，普通泡沫的粒径大，尺寸不均一。而随着纳米颗粒掺量的增加，泡沫尺寸逐渐变得细小均一，并且掺量越高，效果越明显。在扫描电镜下观察水泥基多孔材料微观形貌(图3)，对比发现，经纳米颗粒改善后的水泥基多孔材料孔径小，尺寸均匀。由纳米稳定泡沫所制备的高比强水泥基多孔材料的物理性能如表5所示。从表5可以看出，本发明实施例1-3所制备的超低密度水泥基多孔材料强度高，导热系数低等优点。

表5超轻水泥基多孔材料的物理性能

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种纳米颗粒改性发泡剂，其特征在于，以质量份计，组成为：纳米颗粒0.1～10份，分散剂0.1～10份，表面活性剂1～5份，氢氧化钠0.05～1份，去离子水90～97份；所述的纳米颗粒为纳米SiO₂；所述的表面活性剂为两性表面活性剂。

2.如权利要求1所述的纳米颗粒改性发泡剂，其特征在于，所述的两性表面活性剂为甜菜碱型表面活性剂。

3.如权利要求1所述的纳米颗粒改性发泡剂，其特征在于，所述的分散剂为聚乙二醇2000。

4.基于权利要求1～3任一所述的纳米颗粒改性发泡剂的泡沫，其特征在于，加热状态下，将纳米颗粒均匀分散在氢氧化钠水溶液中，再加入分散剂超声分散均匀得到悬浮液，再加入表面活性剂搅拌保温分散均匀即得泡沫。

5.如权利要求4所述的纳米颗粒改性发泡剂的泡沫，其特征在于，加热温度为45～60℃。

6.如权利要求4所述的纳米颗粒改性发泡剂的泡沫，其特征在于，保温的温度为30～50℃。

7.一种基于权利要求1～3所述的泡沫的超轻密度水泥基多孔材料，其特征在于，以质量份计，组成为：普通硅酸盐水泥50～80份，粉煤灰0～30份，硅灰0～10份，减水剂0.5～1份，纳米颗粒改性发泡剂0.5～1份，水20～40份。

8.如权利要求7所述的基于泡沫的超轻密度水泥基多孔材料，其特征在于，所述的减水剂为聚羧酸减水剂。

9.制备权利要求7所述的基于泡沫的超轻密度水泥基多孔材料的方法，其特征在于，

第一步，预制纳米颗粒改性发泡剂的泡沫：加热状态下，将纳米颗粒均匀分散在氢氧化钠水溶液中，再加入分散剂超声分散均匀得到悬浮液，再加入表面活性剂搅拌分散均匀即得泡沫；

第二步，制备多孔材料：将除纳米改性发泡剂以外的材料搅拌均匀，制成均匀的水泥浆体，再将预制好的泡沫加入水泥浆体中搅拌，待泡沫分散均匀后，浇筑成型，养护后得到超轻密度水泥基多孔材料。