CN108529936A - 超高分子量聚乙烯纤维增强地聚合物基复合材料及制备方法 - Google Patents

超高分子量聚乙烯纤维增强地聚合物基复合材料及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种超高分子量聚乙烯纤维增强地聚合物基复合材料及制备方法，由300‑600重量份的低钙粉煤灰、100‑300重量份的高钙粉煤灰、0～50重量份的偏高岭土、100～300重量份的石英砂、100‑300重量份的水、20‑50重量份的氢氧化钠、5～50重量份的超高分子量聚乙烯纤维和100‑200重量份的硅酸钠组成。本发明还提供了上述超高韧性地聚合物基复合材料的制备方法，与现有技术相比，本发明利用大量的工业废渣粉煤灰代替水泥，将工业废弃物变废为宝，有效的保护了环境，降低了能源的消耗，减少了二氧化碳的排放。利用超高分子量聚乙烯纤维增强了地聚合物基复合材料的韧性，弥补了传统地聚合物基复合材料延展性差的缺点，从而便于地聚合物基复合材料在我国工程领域的推广应用。

Description

超高分子量聚乙烯纤维增强地聚合物基复合材料及制备方法
技术领域
本发明属于材料学领域，涉及一种建筑用复合材料，具体来说是一种超高分子量聚乙烯纤维增强的超高韧性地聚合物基复合材料及制备方法。
背景技术
地聚合物是一种以无机[SiO4]、[AlO4]四面体为主要组成，具有空间三维网络状键接结构的新型无机硅铝质胶凝材料。与传统水泥基材料相比，其原材料来源广泛，且制备方便、能耗小、CO2排放量低，同时具有快硬早强、高强、抗渗、抗冻、高韧、耐腐蚀、耐火以及固封重金属等优异性能，使其在工程上特别是抢修抢建工程得到了很好的应用。但是，由于地聚合物材料自身抗拉强度低、脆性大等固有弱点，在建设和使用过程中易出现不同程度和不同形式的裂缝，制约着这种材料的推广使用。
因此为了增强地聚合物材料的强度和韧性，Davidovits在1989年到1994年间分别用玻璃纤维、碳纤维和碳化硅纤维增韧地聚合物材料，使其抗弯强度分别达到了140MPa、175MPa、220MPa，尤其是用碳纤维增强的地聚合物复合材料，它在1000℃下不氧化不变形，力学性能基本稳定。D.M.Ryo于1976年采用热压工艺制得了孔隙率为2％，抗压强度为650MPa的类岩石胶凝体。意大利的科学家则把纤化聚丙烯网添加到地聚物材料中并成功制备轻质顶板；日本的镜美添加了PVA，制造了人造大理石。
但是由于地聚合物胶凝体系凝结、硬化机理与常见的硅酸盐水泥有着很大差别，在早期反应过程中许多因素都影响着该复合材料的强度，如：固体混合物中的硅铝比、碱激发剂含量和养护条件等。因此探寻该材料的最优配合比与最佳反应条件，对该复合材料的推广应用具有重要意义。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种抗拉强度高、自重小、具有超高韧性的超高分子量聚乙烯纤维增强地聚合物基复合材料及制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种超高分子量聚乙烯纤维增强地聚合物基复合材料，其特征在于，包括以下重量份的组分：
进一步的，所述的超高分子量聚乙烯纤维长度为6-24mm，直径为15-40μm，抗拉强度为1800-3900MPa，弹性模量为40-150GPa，极限延伸率为2％-5％。
进一步的，所述的低钙粉煤灰粉为一级低钙粉煤灰粉，中位径(D50)为2～10μm。
进一步的，所述的高钙粉煤灰为一级高钙粉煤灰，中位径(D50)为5～30μm。
进一步的，所述的石英砂为10～100目的石英砂，最大粒径不超过0.6mm。
进一步的，所述的偏高岭土的中位径(D50)为1～100μm。
进一步的，所述的氢氧化钠为纯度为98％颗粒状氢氧化钠。
进一步的，所述的硅酸钠为3.3模的液体硅酸钠。
上述超高分子量聚乙烯纤维增强地聚合物基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1)按照重量份数称取各反应物质组分；
2)将低钙粉煤灰和高钙粉煤灰、偏高岭土、石英砂加入到搅拌锅中，在公转62±5r/min，自转140±5r/min的条件下干搅2～4分钟至均匀；
3)将水、硅酸钠、氢氧化钠在一个反应容器中混合搅拌均匀制成碱激发剂；
4)将碱激发剂加入到步骤2)的搅拌锅中，在公转125±10r/min，自转285±10r/min的条件下搅拌3～5分钟；
5)加入超高分子量聚乙烯纤维，再搅拌5～8分钟，直至纤维分散均匀，即得到所述的超高分子量聚乙烯纤维增强的超高韧性地聚合物基复合材料。
所得地聚合物基复合材料的拉伸变形能力为1％～10％，抗拉强度为1MPa～20MPa，抗压强度为10MPa～200MPa。
所述的低钙粉煤灰和高钙粉煤灰、偏高岭土来自于固体废弃物，优选比例为：固体废弃物按重量百分比计，由77.6％的低钙粉煤灰粉、19.5％的高钙粉煤灰和2.9％偏高岭土组成。
更优选的另一种方案中，所述的固体废弃物按重量百分比计，由79.9％的低钙粉煤灰粉和20.1％的高钙粉煤灰组成。
本发明更优选的再一种方案中，所述的固体废弃物按重量百分比计，由78.8％的低钙粉煤灰粉、19.7％的高钙粉煤灰和1.5％偏高岭土组成。
与现有技术相比，本发明将废弃的工业废渣粉煤灰在高韧性地聚合物基复合材料领域进行再利用，有效的消耗了工业废渣，并且降低了能源的消耗，在充分发挥工业废渣作用、解决粉煤灰对环境污染的问题，同时增加了超高韧性地聚合物基复合材料原料的来源，以便于更好地推广应用，减少了二氧化碳排放、减少环境污染。
本发明和已有技术相比，其技术进步是显著的。本发明的超高分子量聚乙烯纤维增强的超高韧性地聚合物基复合材料具有以下有益效果：
1.材料性能好：
本发明的材料性能为：抗拉强度：1～20MPa，极限拉伸变形能力：1％～10％；抗压强度：10MPa～200MPa。7d材料性能为：抗拉强度：1～15MPa，极限应变：2％～10％，抗压强度：10MPa～150MPa。；28d材料性能为：抗拉强度：2～20MPa，极限应变为2％～10％，抗压强度：10MPa～200MPa。
2.成本低：
本发明的超高分子量聚乙烯纤维增强的超高韧性地聚合物基复合材料，结合了地聚合物基复合材料的优点，在原料中添加了大量廉价的粉煤灰和偏高岭土，一方面能够利用碱激发反应生成性能稳定的聚合物，优化基体材料与超高分子量聚乙烯纤维的粘结性能，保证了材料的高韧性，另一方面粉煤灰和偏高岭土来源更加广泛，降低了原材料的价格。实验证明，本发明的PVA增强的超高韧性地聚合物基复合材料具有超高韧性和强度，弥补了传统地聚合物基复合材料延展性差的缺点，从而便于地聚合物基复合材料在我国工程领域的推广应用。
附图说明
图1是实施例1的粉煤灰与偏高岭土复掺的超高韧性地聚合物基复合材料的应力-应变与龄期关系对比示意图；
图2是实施例1的粉煤灰与偏高岭土复掺的超高韧性地聚合物基复合材料单轴直接拉伸后的多缝开裂示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1：
低钙粉煤灰：542份，高钙粉煤灰：136份，石英砂：182.7份，硅酸钠：173份，氢氧化钠：38份，水：160份，纤维：14份，偏高岭土：20.3份。
该配合比使用一级高钙粉煤灰、一级低钙粉煤灰和内蒙古产偏高岭土，将固体混合物加入到搅拌锅中，慢速(公转62±5r/min，自转140±5r/min)干搅3分钟至均匀。再将配好的碱激发剂溶于水加入搅拌锅，快搅(公转125±10r/min，自转285±10r/min)5分钟，加入所述比例的纤维，再搅拌6分钟，直至超高分子量聚乙烯纤维分散均匀，即得到所述的PVA增强的超高韧性地聚合物基复合材料浆体，最后将浆体置入模具中成型，在80℃烘箱中养护2小时，再常温养护成型。
所述的石英砂由河砂筛分而成，最大粒径不超过0.6mm。所述的碱激发剂为纯度为98％的氢氧化钠与3.3模的硅酸钠配制而成。
所得地聚合物基复合材料常温养护的时间与性能如图1所示，养护期为3d(天)材料性能如下：抗拉强度为2.2MPa，极限应变为6.8％；7d材料性能如下：抗拉强度为3.7MPa，极限应变为6.4％；28d材料的性能如下：抗拉强度为3.7MPa，极限应变为5.2％。可以看出，随着龄期的增加，材料的抗拉强度增加，延性略微下降。
图2为所得地聚合物基复合材料单轴直接拉伸后的多缝开裂示意图，可以看出，材料在单轴拉伸的情况下，具有开展多条细密裂缝的特性，在最后发展出大裂缝而破坏。
实施例2：
低钙粉煤灰：542份，高钙粉煤灰：136份，石英砂：203份，硅酸钠：173份，氢氧化钠：38份，水：160份，纤维：15.6份，偏高岭土：0份。
该配合比使用一级高钙粉煤灰、一级低钙粉煤灰，将固体混合物加入到搅拌锅中，慢速(公转62±5r/min，自转140±5r/min)干搅3分钟至均匀。再将配好的碱激发剂溶于水加入搅拌锅，快搅(公转125±10r/min，自转285±10r/min)5分钟，加入所述比例的纤维，再搅拌6分钟，直至超高分子量聚乙烯纤维分散均匀，即得到所述的PVA增强的超高韧性地聚合物基复合材料浆体，最后将浆体置入模具中成型，在80℃烘箱中养护2小时，再常温养护成型。
所述的石英砂由河砂筛分而成，最大粒径不超过0.6mm。所述的碱激发剂为纯度为98％的氢氧化钠与3.3模的硅酸钠配制而成。
3d材料性能如下：抗拉强度为3.2MPa，极限应变为7.0％；7d材料性能如下：抗拉强度为3.6MPa，极限应变为5.4％；28d材料的性能如下：抗拉强度为4.5MPa，极限应变为4.7％。
实施例3：
低钙粉煤灰：542份，高钙粉煤灰：136份，石英砂：192.9份，硅酸钠：173份，氢氧化钠：38份，水：160份，纤维：17份，偏高岭土：10.2份。
该配合比使用一级高钙粉煤灰、一级低钙粉煤灰和内蒙古产偏高岭土，将固体混合物加入到搅拌锅中，慢速(公转62±5r/min，自转140±5r/min)干搅3分钟至均匀。再将配好的碱激发剂溶于水加入搅拌锅，快搅(公转125±10r/min，自转285±10r/min)5分钟，加入所述比例的纤维，再搅拌6分钟，直至超高分子量聚乙烯纤维分散均匀，即得到所述的PVA增强的超高韧性地聚合物基复合材料浆体，最后将浆体置入模具中成型，在80℃烘箱中养护2小时，再常温养护成型。
所述的石英砂由河砂筛分而成，最大粒径不超过0.6mm。所述的碱激发剂为纯度为98％的氢氧化钠与3.3模的硅酸钠配制而成。
3d材料性能如下：抗拉强度为2.4MPa，极限应变为4.8％；7d材料性能如下：抗拉强度为5.1MPa，极限应变为5.1％；28d材料性能如下：抗拉强度为3.4MPa，极限应变为5.9％。
实施例4
选择固体废弃物为原料，该固体废弃物按重量百分比计，由77.6％的低钙粉煤灰粉、19.5％的高钙粉煤灰和2.9％偏高岭土组成。采用纯度为98％的氢氧化钠20份与3.3模的硅酸钠100份加入100份水中配制成碱激发剂。
称取上述固体废弃物600份、石英砂100份加入到搅拌锅中，在公转62±5r/min，自转140±5r/min的条件下干搅2～4分钟至均匀；加入上述碱激发剂，在公转125±10r/min，自转285±10r/min的条件下搅拌3～5分钟，加入超高分子量聚乙烯纤维5份，再搅拌5～8分钟，直至纤维分散均匀，即得到所述的超高分子量聚乙烯纤维增强的超高韧性地聚合物基复合材料。
实施例5
所述的固体废弃物按重量百分比计，由79.9％的低钙粉煤灰粉和20.1％的高钙粉煤灰组成。其余同实施例4。
实施例6
所述的固体废弃物按重量百分比计，由78.8％的低钙粉煤灰粉、19.7％的高钙粉煤灰和1.5％偏高岭土组成。其余同实施例4。
实施例7
1)按照重量份数称取各反应物质组分：低钙粉煤灰300份、高钙粉煤灰100份、偏高岭土50份、石英砂100份，水100份、氢氧化钠20份、硅酸钠100份，超高分子量聚乙烯纤维5份；
2)将低钙粉煤灰和高钙粉煤灰、偏高岭土、石英砂加入到搅拌锅中，在公转62±5r/min，自转140±5r/min的条件下干搅2～4分钟至均匀；
3)将水、硅酸钠、氢氧化钠在一个反应容器中混合搅拌均匀制成碱激发剂；
4)将碱激发剂加入到步骤2)的搅拌锅中，在公转125±10r/min，自转285±10r/min的条件下搅拌3～5分钟；
5)加入超高分子量聚乙烯纤维，再搅拌5～8分钟，直至纤维分散均匀，即得到所述的超高分子量聚乙烯纤维增强的超高韧性地聚合物基复合材料。
实施例8
1)按照重量份数称取各反应物质组分：低钙粉煤灰600份、高钙粉煤灰300份、偏高岭土0份、石英砂300份，水300份、氢氧化钠50份、硅酸钠200份，超高分子量聚乙烯纤维50份；
2)将低钙粉煤灰和高钙粉煤灰、偏高岭土、石英砂加入到搅拌锅中，在公转62±5r/min，自转140±5r/min的条件下干搅2～4分钟至均匀；
3)将水、硅酸钠、氢氧化钠在一个反应容器中混合搅拌均匀制成碱激发剂；
4)将碱激发剂加入到步骤2)的搅拌锅中，在公转125±10r/min，自转285±10r/min的条件下搅拌3～5分钟；
5)加入超高分子量聚乙烯纤维，再搅拌5～8分钟，直至纤维分散均匀，即得到所述的超高分子量聚乙烯纤维增强的超高韧性地聚合物基复合材料。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种超高分子量聚乙烯纤维增强地聚合物基复合材料，其特征在于，包括以下重量份的组分：
2.根据权利要求1所述的一种超高分子量聚乙烯纤维增强地聚合物基复合材料，其特征在于，所述的超高分子量聚乙烯纤维长度为6-24mm，直径为15-40μm，抗拉强度为1800-3900MPa，弹性模量为40-150GPa，极限延伸率为2％-5％。
3.根据权利要求1所述的一种超高分子量聚乙烯纤维增强地聚合物基复合材料，其特征在于，所述的低钙粉煤灰粉为一级低钙粉煤灰粉，中位径(D50)为2～10μm。
4.根据权利要求1所述的一种超高分子量聚乙烯纤维增强地聚合物基复合材料，其特征在于，所述的高钙粉煤灰为一级高钙粉煤灰，中位径(D50)为5～30μm。
5.根据权利要求1所述的一种超高分子量聚乙烯纤维增强地聚合物基复合材料，其特征在于，所述的石英砂为10～100目的石英砂，最大粒径不超过0.6mm。
6.根据权利要求1所述的一种超高分子量聚乙烯纤维增强地聚合物基复合材料，其特征在于，所述的偏高岭土的中位径(D50)为1～100μm。
7.根据权利要求1所述的一种超高分子量聚乙烯纤维增强地聚合物基复合材料，其特征在于，所述的氢氧化钠为纯度为98％颗粒状氢氧化钠。
8.根据权利要求1所述的一种超高分子量聚乙烯纤维增强地聚合物基复合材料，其特征在于，所述的硅酸钠为3.3模的液体硅酸钠。
9.一种如权利要求1所述的超高分子量聚乙烯纤维增强地聚合物基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)按照重量份数称取各反应物质组分；
2)将低钙粉煤灰和高钙粉煤灰、偏高岭土、石英砂加入到搅拌锅中，在公转62±5r/min，自转140±5r/min的条件下干搅2～4分钟至均匀；
3)将水、硅酸钠、氢氧化钠在一个反应容器中混合搅拌均匀制成碱激发剂；
4)将碱激发剂加入到步骤2)的搅拌锅中，在公转125±10r/min，自转285±10r/min的条件下搅拌3～5分钟；
5)加入超高分子量聚乙烯纤维，再搅拌5～8分钟，直至纤维分散均匀，即得到所述的超高分子量聚乙烯纤维增强的超高韧性地聚合物基复合材料。
10.根据权利要求9所述的一种超高分子量聚乙烯纤维增强地聚合物基复合材料的制备方法，其特征在于，所得地聚合物基复合材料的拉伸变形能力为1％～10％，抗拉强度为1MPa～20MPa，抗压强度为10MPa～200MPa。
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