CN108585639A - 超高分子量聚乙烯纤维增强沸石-粉煤灰基地聚合物及其制备方法 - Google Patents

超高分子量聚乙烯纤维增强沸石-粉煤灰基地聚合物及其制备方法 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沸石‑粉煤灰基地聚合物及其制备方法，包括以下重量份的原料：493～542份低钙粉煤灰，124～136份高钙粉煤灰，203份石英，0～61份沸石，160份水，38份氢氧化钠，173份硅酸钠，5～50份超高分子量聚乙烯纤维，制备方法包括以下步骤：将低钙粉煤灰、高钙粉煤灰、石英砂、沸石加入到搅拌锅中，搅拌均匀得到混合物一；将水、氢氧化钠、硅酸钠在烧杯中混合搅拌均匀制成碱激发剂；将碱激发剂加入到搅拌锅中，使碱激发剂与混合物一混合得到混合物二；在混合物二中加入超高分子量聚乙烯纤维，再搅拌至纤维分散均匀，得到浆体置入模具后在烘箱中养护，再常温养护成型。与现有技术相比，本发明产品具有成本低、材料性能好等优点。

Description

超高分子量聚乙烯纤维增强沸石-粉煤灰基地聚合物及其制 备方法
技术领域
本发明属于材料学领域，具体涉及一种超高分子量聚乙烯纤维增强沸石-粉煤 灰基地聚合物及制备方法。
背景技术
地聚合物是一种具有类沸石结构的新型无机硅铝质胶凝材料，具有许多诸如快硬早强、高强、抗渗、抗冻、耐腐蚀、耐火及固封重金属等优良性能。与传统水泥 基材料相比，其原材料来源更加广泛，且制备方便、能耗小、CO2排放量低，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，通过在地聚合物体系中加入纤维，利用凝胶材料与纤维之间的粘结来增强材料的抗拉韧性。同时，由于地聚合物体系 中含有类沸石结构，将沸石作为一种矿物外加剂加入到该体系中，沸石不仅能在其 中充当填充物、增加材料强度，还能作为硅铝源原材料，参与地聚合反应，生成更 多的凝胶产物。
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：固体混合物中粉 煤灰含量、外加矿物含量等。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具有超高韧 性的超高分子量聚乙烯纤维增强沸石-粉煤灰基地聚合物及其制备方法。
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沸石-粉煤灰基地聚合物，其特征在于，包括以下重量份的原料：
低钙粉煤灰 493～542份；
高钙粉煤灰 124～136份；
石英砂 203份；
沸石 0～61份；
水 160份；
氢氧化钠 38份；
硅酸钠 173份；
超高分子量聚乙烯纤维 5～50份。
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，所述的沸石的中位径(D50)为1～100μm。
进一步的，所述的氢氧化钠是纯度为99％的颗粒状氢氧化钠。
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沸石-粉煤灰基地聚合物的制备方法，其特征 在于，包括以下步骤：
步骤1，按重量份称取493～542份低钙粉煤灰、124～136份高钙粉煤灰、203 份石英砂、0～61份沸石加入到搅拌锅中，在公转为57～67r/min，自转为 135～145r/min的速度下干搅2～4min至均匀得到混合物一；
步骤2，按重量份称取160份水、38份氢氧化钠、173份硅酸钠在反应器中混 合搅拌均匀制成碱激发剂；
步骤3，将步骤3中制得的碱激发剂加入到步骤2的搅拌锅中，在公转为 115～135r/min，自转为275～295r/min的速度下搅拌3～5min，使碱激发剂与混合物 一混合得到混合物二；
步骤4，在步骤3中得到的混合物二中加入5-50份超高分子量聚乙烯纤维， 再搅拌5～8min，直至纤维分散均匀，即得到超高分子量聚乙烯纤维增强沸石-粉煤 灰基地聚合物的浆体；
步骤5，将所述步骤4中得到的所述浆体置入模具中，在80℃烘箱中养护2h， 再常温养护成型。
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。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
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：
根据本发明所涉及的超高分子量聚乙烯纤维增强沸石-粉煤灰基地聚合物复合材料及制备方法，因为所采用的粉煤灰和沸石来源广泛，原材料价格低，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，保证了材料的高延性，其中粉煤灰为工业废渣，将工业废渣资源化利用。所 以，本发明的一种超高分子量聚乙烯纤维增强沸石-粉煤灰基地聚合物复合材料具 有超高的韧性和强度，还能解决粉煤灰对环境污染的问题，同时增加了高延性地聚 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CO2排放及环境的 污染。
附图说明
图1是本发明的实施例2中超高分子量聚乙烯纤维增强沸石-粉煤灰基地聚合 物的拉伸应力-应变与龄期关系对比示意图；
图2是本发明的实施例1、实施例2、实施例3、实施例4中28天超高分子量 聚乙烯纤维增强沸石-粉煤灰基地聚合物拉伸后的拉伸应力-应变曲线。
图3是本发明的实施例2中28天超高分子量聚乙烯纤维增强沸石-粉煤灰基地 聚合物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：203份，硅酸钠：173 份，氢氧化钠：38份，水：160份，超高分子量聚乙烯纤维：14份，沸石：0份。
步骤1，称取542份I级低钙粉煤灰、136份I级高钙粉煤灰、203份石英砂、 0份沸石加入到搅拌锅中，在公转为57～67r/min，自转为135～145r/min的速度下 干搅3min至均匀得到混合物一；
步骤2，称取160份水、38份纯度为99％氢氧化钠、173份3.3模的硅酸钠在 烧杯中混合搅拌均匀制成碱激发剂；
步骤3，将步骤3中制得的碱激发剂加入到步骤2的搅拌锅中，在公转为 115～135r/min，自转为275～295r/min的速度下搅拌5min，使碱激发剂与混合物一 混合得到混合物二；
步骤4，在步骤3中得到的混合物二中加入14份超高分子量聚乙烯纤维，再 搅拌6min，直至纤维分散均匀，即得到超高分子量聚乙烯纤维增强沸石-粉煤灰基 地聚合物的浆体；
步骤5，将所述步骤4中得到的所述浆体置入模具中，在80℃烘箱中养护2h， 再分别常温养护3天、7天、28天成型。
3天材料性能如下：抗拉强度为2.8MPa，极限应变为1.8％；7天材料性能如 下：抗拉强度为6.1MPa，极限应变为3.5％；28天材料的性能如下：抗拉强度为 10.8MPa，极限应变为8.2％。
实施例2
低钙粉煤灰：526份，高钙粉煤灰：132份，石英砂：203份，硅酸钠：173 份，氢氧化钠：38份，水：160份，纤维：14份，沸石：20份。
步骤1，称取526份I级低钙粉煤灰、132份I级高钙粉煤灰、203份石英砂、 20份沸石加入到搅拌锅中，在公转为57～67r/min，自转为135～145r/min的速度下 干搅3min至均匀得到混合物一；
步骤2，称取160份水、38份纯度为99％氢氧化钠、173份3.3模的硅酸钠在 烧杯中混合搅拌均匀制成碱激发剂；
步骤3，将步骤3中制得的碱激发剂加入到步骤2的搅拌锅中，在公转为 115～135r/min，自转为275～295r/min的速度下搅拌5min，使碱激发剂与混合物一 混合得到混合物二；
步骤4，在步骤3中得到的混合物二中加入14份超高分子量聚乙烯纤维，再 搅拌6min，直至纤维分散均匀，即得到超高分子量聚乙烯纤维增强沸石-粉煤灰基 地聚合物的浆体；
步骤5，将所述步骤4中得到的所述浆体置入模具中，在80℃烘箱中养护2h， 再分别常温养护3天、7天、28天成型。
图1是本发明的实施例2中超高分子量聚乙烯纤维增强沸石-粉煤灰基地聚合 物的应力-应变与龄期关系对比示意图，图3是本发明的实施例2中超高分子量聚 乙烯纤维增强沸石-粉煤灰基地聚合物拉伸后的多缝开裂示意图。
本实施例中各材料的性能表征数据如图1和图2所示：3天材料性如下：抗拉 强度：2.2MPa，极限应变：3.1％；7天材料性能如下：抗拉强度：7.3MPa，极限 应变：5.0％；28天材料性能如下：抗拉强度：8.8MPa，极限应变为8.4％。
实施例3
低钙粉煤灰：509份，高钙粉煤灰：128份，石英砂：203份，硅酸钠：173 份，氢氧化钠：38份，水：160份，纤维：14份，沸石：41份。
步骤1，称取509份I级低钙粉煤灰、128份I级高钙粉煤灰、203份石英砂、 41份沸石加入到搅拌锅中，在公转为57～67r/min，自转为135～145r/min的速度下 干搅3min至均匀得到混合物一；
步骤2，称取160份水、38份纯度为99％氢氧化钠、173份3.3模的硅酸钠在 烧杯中混合搅拌均匀制成碱激发剂；
步骤3，将步骤3中制得的碱激发剂加入到步骤2的搅拌锅中，在公转为 115～135r/min，自转为275～295r/min的速度下搅拌5min，使碱激发剂与混合物一 混合得到混合物二；
步骤4，在步骤3中得到的混合物二中加入14份超高分子量聚乙烯纤维，再 搅拌6min，直至纤维分散均匀，即得到高延性纤维增强沸石-粉煤灰基地聚合物的 浆体；
步骤5，将所述步骤4中得到的所述浆体置入模具中，在80℃烘箱中养护2h， 再分别常温养护3天、7天、28天成型。
3天材料性能如下：抗拉强度为2.7MPa，极限应变为3.9％；7天材料性能如 下：抗拉强度为5.2MPa，极限应变为6.5％；28天材料性能如下：抗拉强度：7.2MPa， 极限应变为9.1％
实施例4
低钙粉煤灰：493份，高钙粉煤灰：124份，石英砂：203份，硅酸钠：173 份，氢氧化钠：38份，水：160份，纤维：14份，沸石：61份。
步骤1，称取493份I级低钙粉煤灰、124份I级高钙粉煤灰、203份石英砂、 61份沸石加入到搅拌锅中，在公转为57～67r/min，自转为135～145r/min的速度下 干搅3min至均匀得到混合物一；
步骤2，称取160份水、38份纯度为99％氢氧化钠、173份3.3模的硅酸钠在 烧杯中混合搅拌均匀制成碱激发剂；
步骤3，将步骤3中制得的碱激发剂加入到步骤2的搅拌锅中，在公转为 115～135r/min，自转为275～295r/min的速度下搅拌5min，使碱激发剂与混合物一 混合得到混合物二；
步骤4，在步骤3中得到的混合物二中加入14份超高分子量聚乙烯纤维，再 搅拌6min，直至纤维分散均匀，即得到超高分子量聚乙烯纤维增强沸石-粉煤灰基 地聚合物的浆体；
步骤5，将所述步骤4中得到的所述浆体置入模具中，在80℃烘箱中养护2h， 再分别常温养护3天、7天、28天成型。
3天材料性能如下：抗拉强度为2.0MPa，极限应变为4.8％；7天材料性能如 下：抗拉强度为5.9MPa，极限应变为7.6％；28天材料性能如下：抗拉强度为 10.5MPa，极限应变为10.4％。
实施例的作用与效果
根据实施例1和实施例2可知，沸石的重量份数为0份时制备的3天材料和7 天材料的极限应变均低于沸石的重量份数为20份份时制备的3天材料、7天材料 和28天材料的极限应变，表明沸石的加入提高了地聚合物复合材料的极限应变， 表明沸石的加入可以缩短制备成型的高延性纤维增强沸石-粉煤灰基地聚合物的时 间，并且提高了极限应变。沸石的重量份数为0份时制备的28天材料的极限强度 高于沸石的重量份数为20份时制备的28天材料的极限强度，表明沸石的加入降低 了地聚合物的极限强度。
根据实施例2和实施例3可知，沸石的重量份数为20份时制备的3天材料、7 天材料和28天材料的极限应变均高于沸石的重量份数为41份时制备的3天材料、7天材料和28天材料的极限应变，表明过量沸石的加入再次提高地聚合物的极限 应变。沸石的重量份数为20份时制备的28天材料的极限强度高于沸石的重量份数 为41份时制备的28天材料的极限强度，表明沸石的加入降低了地聚合物的极限强 度。
根据实施例2和实施例4可知，沸石的重量份数为60份时制备的3天材料、7 天材料和28天材料的极限应变明显高于20份时制备的3天材料、7天材料和28 天材料的极限应变，表明过量沸石的加入再次提高地聚合物的极限应变。
实施例1至实施例4所涉及的超高分子量聚乙烯纤维增强沸石-粉煤灰基地聚 合物及制备方法，因为所采用的粉煤灰和沸石粉煤灰和沸石来源广泛，原材料价格 低，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，保证了材料的高延性，其中粉煤灰为工业废渣，将工业废渣资 源化利用。所以，本发明的一种超高分子量聚乙烯纤维增强沸石-粉煤灰基地聚合 物复合材料具有超高的韧性和强度，还能解决粉煤灰对环境污染的问题，同时增加 了高延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CO2排放及环境的污染。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。
在上述实施例1至4中，低钙粉煤灰分别为542份、526份、509份和493份 (按重量份数计)，高钙粉煤灰：136份、132份、128份和124份(按重量份数计)， 沸石：0份、20份、41份和61份(按重量份数计)，三次搅拌时间依次为3min、 5min和6min，但在本发明中，低钙粉煤灰还可以为分别为493～542份(按重量份 数计)，高钙粉煤灰：124～136份(按重量份数计)，沸石：0～61份，三次搅拌时 间还可以为2～4min、3～5min、5～8min。

Claims (10)

1.一种超高分子量聚乙烯纤维增强沸石-粉煤灰基地聚合物，其特征在于，包括以下重量份的原料：
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沸石-粉煤灰基地聚合物，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沸石-粉煤灰基地聚合物，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沸石-粉煤灰基地聚合物，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沸石-粉煤灰基地聚合物，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沸石-粉煤灰基地聚合物，其特征在于，所述的沸石的中位径(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沸石-粉煤灰基地聚合物，其特征在于，所述的氢氧化钠是纯度为99％的颗粒状氢氧化钠。
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沸石-粉煤灰基地聚合物，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沸石-粉煤灰基地聚合物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，按重量份称取493～542份低钙粉煤灰、124～136份高钙粉煤灰、203份石英砂、0～61份沸石加入到搅拌锅中，在公转为57～67r/min，自转为135～145r/min的速度下干搅2～4min至均匀得到混合物一；
步骤2，按重量份称取160份水、38份氢氧化钠、173份硅酸钠在反应器中混合搅拌均匀制成碱激发剂；
步骤3，将步骤3中制得的碱激发剂加入到步骤2的搅拌锅中，在公转为115～135r/min，自转为275～295r/min的速度下搅拌3～5min，使碱激发剂与混合物一混合得到混合物二；
步骤4，在步骤3中得到的混合物二中加入5-50份超高分子量聚乙烯纤维，再搅拌5～8min，直至纤维分散均匀，即得到超高分子量聚乙烯纤维增强沸石-粉煤灰基地聚合物的浆体；
步骤5，将所述步骤4中得到的所述浆体置入模具中，在80℃烘箱中养护2h，再常温养护成型。
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沸石-粉煤灰基地聚合物的制备方法，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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CN112299769B (zh) * 2020-11-16 2021-12-31 同济大学 超高分子量纤维-乳化沥青改性的高韧性地质聚合物注浆材料及制备方法和应用
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