CN109181582A - 一种pH响应型低粘度高强度石材粘合剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种pH响应型低粘度高强度石材粘合剂及其制备方法，具体以固体石蜡为模板，使氧化石墨烯纳米片包覆在固体石蜡微纳颗粒表面；采用十八烷胺对氧化石墨烯纳米片进行单面疏水化改性；以氯仿为溶剂除去固体石蜡模板，制得固体乳化剂Janus氧化石墨烯（Janus GO）；以苯乙烯和丙烯酸丁酯为主单体，甲基丙烯酸缩水甘油酯为功能单体，Janus GO为固体乳化剂，通过Pickering细乳液聚合法制备pH响应型低粘度高强度石材粘合剂。本发明在适当的pH条件下，可快速破乳固化，对道路、桥梁路面裂缝进行高效及时修补，有强度高、粘度低、渗透性好、环境友好、成本低廉及可快速修补等诸多性能优势。
Description
技术领域
本发明属于道路、桥梁裂缝粘接修补用石材粘合剂技术领域，具体涉及一种pH响应型低粘度高强度石材粘合剂及其制备方法。
背景技术
目前，我国的道路、桥梁路面大部分为沥青混凝土路面。随着我国交通运输事业的飞速发展，车辆载重量、车速和交通流量均大大提高，这对我国道路、桥梁的碾压破坏也越来越严重，使得我国道路、桥梁普遍存在出现裂缝及裂缝延伸等灾害，这直接影响了道路桥梁的使用寿命，更严重的还会影响到人们的生命财产安全。裂缝的存在对道路、桥梁路面的整体性及使用强度破坏极大，导致路面的承载能力显著下降，存在极大的安全隐患。因此，道路、桥梁路面裂缝的修补显得至关重要。它除了需要有效的施工技术，还需要性能优异的裂缝修补材料，二者结合起来才可有效消除道路、桥梁路面裂缝产生的安全隐患，延长工程使用寿命，提高道路、桥梁路面的使用安全性。
目前市场上的裂缝修补材料主要包括沥青、改性沥青等，该材料修补强度较低，且粘度较大，无法修补细微裂缝。环氧树脂、酚醛树脂等树脂材料也可作为道路、桥梁路面裂缝修补材料，但环氧树脂对于干燥路面的裂缝修补效果较好，但对于潮湿路面裂缝则修补效果变差。酚醛树脂修补材料也存在固化速度慢，完全固化时间较长，影响施工进度等缺点。此外，无论是沥青、改性沥青裂缝修补材料还是环氧树脂、酚醛树脂等树脂修补材料，均没有环境响应性，无法在施工环境刺激下快速、高效修补裂缝。
发明内容
本发明的目的是提供一种pH响应型低粘度高强度石材粘合剂及其制备方法，该粘合剂具有强度高、粘度低、渗透性好、环境友好、成本低廉及可快速修补等诸多性能优势，并且具有一定的环境pH响应性能，可对道路、桥梁路面裂缝进行高效智能修补。
本发明提供的一种pH响应型低粘度高强度石材粘合剂的制备方法，依次包括以下步骤：
步骤一：制备固体乳化剂Janus氧化石墨烯（Janus GO）；
将0.06-0.08份的浓盐酸加入70-90份的去离子水中搅拌均匀，然后加入23-25份的氧化石墨烯水溶液，最后对配置的混合液进行超声处理，将25-28份的固体石蜡加入制得的混合液中，机械搅拌直至固体石蜡完全融化，机械剪切乳化10-15min，将机械剪切乳化所得的乳化液冷却至室温，过滤后收集固体产物；将13-15份过滤所得的固体产物和0.15-0.20份的十八烷胺加入到50-60份乙醇的水溶液中，在25-30℃条件下，机械搅拌，反应12-15h；反应结束后，加入50-60份的氯仿，磁力搅拌1.0-1.5h，静置，取下层水相混合液，离心-醇洗操作循环；最后，将离心沉淀物干燥，制得固体乳化剂Janus GO；
步骤二：通过Pickering细乳液聚合法制备pH响应型低粘度高强度石材粘合剂；
将0.15-0.20份步骤一制得的固体乳化剂Janus GO加入到280-300份的氢氧化钠水溶液中，混合均匀，得到固体乳化剂Janus GO水溶液；将0.4-0.5份的偶氮二异丁腈加入22-24份的苯乙烯、22-24份的丙烯酸丁酯和1.8-2.0份的甲基丙烯酸缩水甘油酯中，混合均匀，得到复合油相；将制得的复合油相加入到制得的固体乳化剂Janus GO水溶液中，机械剪切乳化20-30min，经过超声处理制得均一稳定的预乳液；在机械搅拌作用下，向制得的预乳液中通氮气20-30min，然后于75-77℃下保温反应5-6h，去除滤渣，制得pH响应型低粘度高强度石材粘合剂。
步骤一中，氧化石墨烯水溶液质量浓度为0.1%，固体石蜡熔点为50℃，乙醇的水溶液乙醇与水的体积比为1:1。
步骤一中，第一次机械搅拌及机械剪切乳化的条件为60-65℃水浴。
步骤一中，超声处理的要求为20-30W，超声工作1s，间歇5s，超声总时间10-15min；机械剪切乳化的速度为10000 r/min；离心处理的速度为8000 r/min。
步骤二中，氢氧化钠水溶液的pH值为9-10。
步骤二中，机械剪切乳化的速度为4000r/min；超声处理的要求为500-600W，超声工作2s，间歇5s，超声总时间30-40min。
如上述制备方法制得的pH响应型低粘度高强度石材粘合剂。
本发明具有以下优点：
本发明引入固体乳化剂Janus GO，避免了表面活性剂的使用，提高了粘合剂的耐水性能，同时赋予了粘合剂一定的pH响应性能，使得粘合剂在适当pH条件下（pH=1~2）能够及时地破乳固化，从而对道路、桥梁路面裂缝进行高效及时修补。此外，Janus GO作为无机纳米材料引入粘合剂体系当中，也可显著提高粘合剂对于道路、桥梁路面裂缝的修补强度，延长其使用有效期。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。
本发明涉及pH响应型低粘度高强度石材粘合剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：制备固体乳化剂Janus氧化石墨烯（Janus GO）：
（1）将0.06-0.08份的浓盐酸加入70-90份的去离子水中搅拌均匀，然后加入23-25份的0.1%氧化石墨烯水溶液，最后对配置的混合液进行超声处理。超声处理的要求为20-30W，超声工作1s，间歇5s，超声总时间10-15min。
（2）将25-28份的固体石蜡（熔点为50℃）加入（1）制得的混合液中，在60-65℃水浴的条件下机械搅拌，直至固体石蜡完全融化。然后，继续在60-65℃水浴的条件下对上述混合液进行机械剪切乳化10-15min。机械剪切乳化的速度为10000 r/min。最后，将机械剪切乳化所得的乳化液冷却至室温，过滤后收集固体产物。
（3）将13-15份（2）过滤所得的固体产物和0.15-0.20份的十八烷胺加入到50-60份乙醇的水溶液中（V/V=1:1），在25-30℃条件下，机械搅拌，反应12-15h。反应结束后，加入50-60份的氯仿，磁力搅拌1.0-1.5h，静置，取下层水相混合液，离心-醇洗操作循环2-3次。最后，将离心沉淀物干燥，制得固体乳化剂Janus GO。离心处理的速度为8000 r/min。
步骤二：通过Pickering细乳液聚合法制备pH响应型低粘度高强度石材粘合剂：
（1）将0.15-0.20份的固体乳化剂Janus GO加入到280-300份的氢氧化钠水溶液中（pH=9-10），混合均匀，制得固体乳化剂Janus GO水溶液。
（2）将0.4-0.5份的偶氮二异丁腈加入22-24份的苯乙烯、22-24份的丙烯酸丁酯和1.8-2.0份的甲基丙烯酸缩水甘油酯中，混合均匀，制得复合油相。
（3）将（2）制得的复合油相加入到（1）制得的固体乳化剂Janus GO水溶液中，机械剪切乳化20-30min，再经过超声处理制得均一稳定的预乳液。机械剪切乳化的速度为4000r/min；超声处理的要求为500-600W，超声工作2s，间歇5s，超声总时间30-40min。
（4）将（3）制得的预乳液加入到三口烧瓶中，机械搅拌的作用下通氮气20-30min，然后于75-77℃下保温反应5-6h，去除滤渣，制得pH响应型低粘度高强度石材粘合剂。
按照上述制备方法得到的pH响应型低粘度高强度石材粘合剂。
实施例1：
步骤一：制备固体乳化剂Janus GO
（1）将0.06份的浓盐酸加入70份的去离子水中搅拌均匀，然后加入25份0.1%的氧化石墨烯水溶液，最后对配置的混合液进行超声处理。超声处理的要求为20W，超声工作1s，间歇5s，超声总时间15min。
（2）将25份的固体石蜡（熔点为50℃）加入步骤一（1）制得的混合液中，在60℃水浴的条件下机械搅拌，直至固体石蜡完全融化。然后，继续在60℃水浴的条件下对上述混合液进行机械剪切乳化10min。机械剪切乳化的速度为10000 r/min。最后，将机械剪切乳化所得的乳化液冷却至室温，过滤后收集固体产物。
（3）将13份步骤一（2）过滤所得的固体产物和0.20份的十八烷胺加入到50份乙醇的水溶液中（V/V=1:1），在30℃条件下，机械搅拌，反应12h。反应结束后，加入50份的氯仿，磁力搅拌1.0h，静置，取下层水相混合液，离心-醇洗操作循环3次。最后，将离心沉淀物干燥，制得固体乳化剂Janus GO。离心处理的速度为8000 r/min。
步骤二：通过Pickering细乳液聚合法制备pH响应型低粘度高强度石材粘合剂
（1）将0.15份的固体乳化剂Janus GO加入到300份的氢氧化钠水溶液中（pH=10），混合均匀，制得固体乳化剂Janus GO水溶液。
（2）将0.4份的偶氮二异丁腈加入23份的苯乙烯、24份的丙烯酸丁酯和1.8份的甲基丙烯酸缩水甘油酯中，混合均匀，制得复合油相。
（3）将步骤二（2）制得的复合油相加入到步骤二（1）制得的固体乳化剂Janus GO水溶液中，机械剪切乳化30min，再经过超声处理制得均一稳定的预乳液。机械剪切乳化的速度为4000r/min；超声处理的要求为600W，超声工作2s，间歇5s，超声总时间30min。
（4）将步骤二（3）制得的预乳液加入到三口烧瓶中，机械搅拌的作用下通氮气20min，然后于75℃下保温反应6h，去除滤渣，制得pH响应型低粘度高强度石材粘合剂。
实施例2：
步骤一：制备固体乳化剂Janus GO
（1）将0.07份的浓盐酸加入90份的去离子水中搅拌均匀，然后加入24份0.1wt%的氧化石墨烯水溶液，最后对配置的混合液进行超声处理。超声处理的要求为20W，超声工作1s，间歇5s，超声总时间10min。
（2）将27份的固体石蜡（熔点为50℃）加入（1）制得的混合液中，在65℃水浴的条件下机械搅拌，直至固体石蜡完全融化。然后，继续在65℃水浴的条件下对上述混合液进行机械剪切乳化15min。机械剪切乳化的速度为10000 r/min。最后，将机械剪切乳化所得的乳化液冷却至室温，过滤后收集固体产物。
（3）将15份（2）过滤所得的固体产物和0.18份的十八烷胺加入到55份乙醇的水溶液中（V/V=1:1），在25℃条件下，机械搅拌，反应15h。反应结束后，加入55份的氯仿，磁力搅拌1.5h，静置，取下层水相混合液，离心-醇洗操作循环2次。最后，将离心沉淀物干燥，制得固体乳化剂Janus GO。离心处理的速度为8000 r/min。
步骤二：通过Pickering细乳液聚合法制备pH响应型低粘度高强度石材粘合剂
（1）将0.18份的固体乳化剂Janus GO加入到290份的氢氧化钠水溶液中（pH=9），混合均匀，制得固体乳化剂Janus GO水溶液。
（2）将0.45份的偶氮二异丁腈加入23份的苯乙烯、23份的丙烯酸丁酯和1.9份的甲基丙烯酸缩水甘油酯中，混合均匀，制得复合油相。
（3）将（2）制得的复合油相加入到步骤二（1）制得的固体乳化剂Janus GO水溶液中，机械剪切乳化20min，再经过超声处理制得均一稳定的预乳液。机械剪切乳化的速度为4000r/min；超声处理的要求为500W，超声工作2s，间歇5s，超声总时间40min。
（4）将（3）制得的预乳液加入到三口烧瓶中，机械搅拌的作用下通氮气30min，然后于76℃下保温反应5h，去除滤渣，制得pH响应型低粘度高强度石材粘合剂。
实施例3：
步骤一：制备固体乳化剂Janus GO
（1）将0.08份的浓盐酸加入80份的去离子水中搅拌均匀，然后加入23份0.1wt%的氧化石墨烯水溶液，最后对配置的混合液进行超声处理。超声处理的要求为30W，超声工作1s，间歇5s，超声总时间15min。
（2）将28份的固体石蜡（熔点为50℃）加入（1）制得的混合液中，在63℃水浴的条件下机械搅拌，直至固体石蜡完全融化。然后，继续在63℃水浴的条件下对上述混合液进行机械剪切乳化15min。机械剪切乳化的速度为10000 r/min。最后，将机械剪切乳化所得的乳化液冷却至室温，过滤后收集固体产物。
（3）将14份（2）过滤所得的固体产物和0.15份的十八烷胺加入到60份乙醇的水溶液中（V/V=1:1），在30℃条件下，机械搅拌，反应13h。反应结束后，加入60份的氯仿，磁力搅拌1.5h，静置，取下层水相混合液，离心-醇洗操作循环3次。最后，将离心沉淀物干燥，制得固体乳化剂Janus GO。离心处理的速度为8000 r/min。
步骤二：通过Pickering细乳液聚合法制备pH响应型低粘度高强度石材粘合剂
（1）将0.20份的固体乳化剂Janus GO加入到280份的氢氧化钠水溶液中（pH=10），混合均匀，制得固体乳化剂Janus GO水溶液。
（2）将0.5份的偶氮二异丁腈加入24份的苯乙烯、23份的丙烯酸丁酯和2.0份的甲基丙烯酸缩水甘油酯中，混合均匀，制得复合油相。
（3）将（2）制得的复合油相加入到步骤二（1）制得的固体乳化剂Janus GO水溶液中，机械剪切乳化30min，再经过超声处理制得均一稳定的预乳液。机械剪切乳化的速度为4000r/min；超声处理的要求为600W，超声工作2s，间歇5s，超声总时间40min。
（4）将（3）制得的预乳液加入到三口烧瓶中，机械搅拌的作用下通氮气30min，然后于77℃下保温反应6h，去除滤渣，制得pH响应型低粘度高强度石材粘合剂。
通过旋转粘度测试仪、岩石工程力学测试仪等测试设备对本发明提供的pH响应型低粘度高强度石材粘合剂的相关性能进行测试，数据如下：
表1 pH响应型低粘度高强度石材粘合剂的相关性能测试结果
| 性能类别 | 测试结果 |
| 旋转粘度 | 8～10mPa∙s |
| pH响应范围 | pH=9~10时粘合剂稳定，pH=1~2时粘合剂破乳固化 |
| 裂缝修补强度 | 岩石力学测试，强度为8~10MPa |
本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
Claims (7)
1.一种pH响应型低粘度高强度石材粘合剂的制备方法，其特征在于：
包括以下步骤：
步骤一：制备固体乳化剂Janus氧化石墨烯（Janus GO）；
将0.06-0.08份的浓盐酸加入70-90份的去离子水中搅拌均匀，然后加入23-25份的氧化石墨烯水溶液，最后对配置的混合液进行超声处理，将25-28份的固体石蜡加入制得的混合液中，机械搅拌直至固体石蜡完全融化，机械剪切乳化10-15min，将机械剪切乳化所得的乳化液冷却至室温，过滤后收集固体产物；将13-15份过滤所得的固体产物和0.15-0.20份的十八烷胺加入到50-60份乙醇的水溶液中，在25-30℃条件下，机械搅拌，反应12-15h；反应结束后，加入50-60份的氯仿，磁力搅拌1.0-1.5h，静置，取下层水相混合液，离心-醇洗操作循环；最后，将离心沉淀物干燥，制得固体乳化剂Janus GO；
步骤二：通过Pickering细乳液聚合法制备pH响应型低粘度高强度石材粘合剂；
将0.15-0.20份步骤一制得的固体乳化剂Janus GO加入到280-300份的氢氧化钠水溶液中，混合均匀，得到固体乳化剂Janus GO水溶液；将0.4-0.5份的偶氮二异丁腈加入22-24份的苯乙烯、22-24份的丙烯酸丁酯和1.8-2.0份的甲基丙烯酸缩水甘油酯中，混合均匀，得到复合油相；将制得的复合油相加入到制得的固体乳化剂Janus GO水溶液中，机械剪切乳化20-30min，经过超声处理制得均一稳定的预乳液；在机械搅拌作用下，向制得的预乳液中通氮气20-30min，然后于75-77℃下保温反应5-6h，去除滤渣，制得pH响应型低粘度高强度石材粘合剂。
2.根据权利要求1所述的一种pH响应型低粘度高强度石材粘合剂的制备方法，其特征在于：
步骤一中，氧化石墨烯水溶液质量浓度为0.1%，固体石蜡熔点为50℃，乙醇的水溶液乙醇与水的体积比为1:1。
3.根据权利要求1所述的一种pH响应型低粘度高强度石材粘合剂的制备方法，其特征在于：
步骤一中，第一次机械搅拌及机械剪切乳化的条件为60-65℃水浴。
4.根据权利要求1所述的一种pH响应型低粘度高强度石材粘合剂的制备方法，其特征在于：
步骤一中，超声处理的要求为20-30W，超声工作1s，间歇5s，超声总时间10-15min；机械剪切乳化的速度为10000 r/min；离心处理的速度为8000 r/min。
5.根据权利要求1所述的一种pH响应型低粘度高强度石材粘合剂的制备方法，其特征在于：
步骤二中，氢氧化钠水溶液的pH值为9-10。
6.根据权利要求1所述的一种pH响应型低粘度高强度石材粘合剂的制备方法，其特征在于：
步骤二中，机械剪切乳化的速度为4000r/min；超声处理的要求为500-600W，超声工作2s，间歇5s，超声总时间30-40min。
7.如权利要求1所述的制备方法制得的pH响应型低粘度高强度石材粘合剂。
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