CN109455974A - 一种新型混凝土发泡材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型混凝土发泡材料的制备方法，该方法以硅酸钠和氢化钛（TiH₂）为主要原料，并引入CNT@MnCo₂O₄纳米材料，通过物理复配、化学合成等方法，制备出具有抗拉伸性能强和隔音效果好的发泡材料材料。本发明制备的发泡材料与传统的发泡材料相比，在隔音性能方面得到很大的改善，且新型纳米材料的引入极大地提升了发泡材料的抗拉伸性能，具有很好的推广应用价值。

Description

一种新型混凝土发泡材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种发泡材料的制备方法，具体涉及一种在混凝土建筑材料中具有抗拉伸性能和隔音性能发泡材料的制备方法。

背景技术

随着我国经济社会的发展，建筑节能材料的开发和应用受到了广泛的重视。泡沫混凝土凭借其轻质、保温、隔热、耐火及隔音的优良性能，在建筑工程领域得到了越来越多的应用。混凝土是当今使用量最大的建筑材料之一，发展保温、轻体、隔热、利废、节能等新型材料逐渐成为主要趋势。而加气混凝土、泡沫混凝土等其他新型墙体保温材料的研究、开发和应用正符合了社会的发展需要。目前，我国的建筑节能已进入了更快的发展阶段，国家正全力推进第三步建筑节能50%的目标。为此，国务院在2005年9月颁布了新的文件，要求全国各地采取措施，尽快达到上述建筑节能目标。作为建设节约型社会的一个重要内容，建筑节能已经成为政府重点推进的举措。因此，泡沫混凝土作为一种良好的节能材料应运而生。

然而泡沫混凝土虽然质量轻，但是其在抗拉伸性能及隔音性能等方面性能较差，不能广泛普及和应用于屋面、楼板地暖、非承重墙及热力管道等的保温层以及路桥空洞填充工程，因此，对发泡材料及泡沫混凝土进行深入的探索非常有必要。本发明基于上述泡沫混凝土所存在的问题，发明了一种增加混凝土抗拉伸性能和隔音性能的发泡材料，具有很好的推广应用价值。

发明内容

本发明公开了一种新型混凝土发泡材料的制备方法，主要解决了传统发泡材料在泡沫混凝剂中抗拉伸性能和隔音性能差的问题。

一种新型混凝土发泡材料的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

1）取145重量份质量分数15%的硅酸钠溶液和20重量份体积分数为65%的盐酸溶液，然后将10~50重量份TiH₂粉末按1：20的质量比加入到100~1000重量份去离子水中，85℃、300rmp下磁力搅拌2h，升温至105℃恒温搅拌2h，边搅拌边把硅酸钠溶液和盐酸溶液交替滴定到TiH₂溶液里，滴定中保持pH值为10，滴定速度为40ml/h，滴定结束后继续搅拌30min，在120℃条件下冷凝回流4~5h，高纯度氩气保护下降至室温，进行抽滤处理得到白色粉末；

2）将10重量份NaOH用200重量份60℃的热水溶解，并以150rmp转速不停搅拌至完全溶解，置于100℃恒温水浴锅中，将2~26重量份CNT@MnC_O2O₄纳米材料和步骤1）制备的粉末加入该碱液中，300rmp搅拌30min，超声分散1h，水浴锅加热4h，然后加入3重量份稳泡组分、1重量份增强组分和4重量份1.8-二羟基-3-羧基蒽醌，陈化2h后，过滤，105℃条件下烘干，得到新型发泡剂；

3）打开开炼机，设定温度为80℃，待温度稳定后，将100重量份聚酰亚胺颗粒加入到开炼机中，然后加入10重量份的硫磺和5重量份促进剂NOBS，薄通3遍，再打厚翻炼2遍，制备得到聚酰亚胺硫化胶；将该聚酰亚胺硫化胶与上述制备好的发泡剂同时放入己经预热的高压釜中密封，向高压釜中充入约2MPa氮气气体，冲洗高压釜排净空气，重复两次，设置12MPa的压力，在油浴110℃的温度下保温保压2h；保温保压完成后，快速放气卸压，当压力表数值降为零后，打开发泡罐取出发泡材料，自然冷却定型，即得到新型混凝土发泡材料。

所述CNT@MnCo₂O₄纳米材料的制备方法为：

称取2重量份多壁碳纳米管，加入60重量份体积分数为70%的浓硝酸，100rmp条件下缓慢搅拌，倒入水热反应釜，180℃条件下水热4h；待反应釜冷却，将沉淀物抽滤，用100重量份去离子水和150重量份无水乙醇分别冲洗3次，80℃烘干，得到活化的多壁碳纳米管；用分析天平称取0.5重量份上述处理过的多壁碳纳米管于反应釜，加入60重量份异丙醇，超声分散1h，再加入0.6重量份的硝酸锰，0.3重量份硝酸钻，继续搅拌0.5 h，然后转移至水热反应釜，150℃条件下水热，反应时间为10h，反应结束后冷却至室温，取出，得到黑色沉淀物，抽滤，用100重量份去离子水和150重量份无水乙醇分别冲洗数次，80℃条件下烘干，置于管式炉300℃氮气气氛中锻烧2h，升温速率1℃/min，煅烧结束冷却至室温后，停止通氮气，制得CNT@MnCo₂O₄纳米材料。

有益效果：本发明以硅酸钠和氢化钛（TiH₂）为主要原料，并引入CNT@MnCo₂O₄纳米材料，通过物理复配、化学合成等方法，制备出具有抗拉伸性能强和隔音效果好的发泡材料材料。硅酸钠和氢化钛的物理复配后，可以增加泡沫混凝土中大小不一的气孔和气孔壁所组成的复合体，增加的泡沫混凝土的孔壁包含了大小不等的硅钙质材料微粒及参与反应后剩下的残核与水泥粒子中未完全水化的部分，这些物料的固体颗粒间，汇聚了大量的水化产物和形状、大小不一的微孔或是缝隙，并形成了一个以硅质材料颗粒为骨架、水化硅酸盐胶体与结晶体粘附其周围、含有各种微小孔隙等缺陷的不均质的固-液-气三相堆聚结构；在形成的气孔壁结构中，各种物料颗粒间不仅存在直接接触或是机械齿合，并且浆料中各种物料颗粒还可发生化学反应，从而结合形成更加坚硬的水化产物，因此，气孔壁也就能增加抗拉伸性能。硅酸钠和氢化钛与CNT@MnCo₂O₄纳米材料的复合产生了特殊的协同作用，形成的发泡材料能够降低泡沫混凝土浆料的凝结硬化产生的负作用，一些水分子“冒充”稳泡剂而排列于气泡表面，使表面活性剂分子以紧密状态排列，泡沫总表面积大于发泡材料的有效表面积，泡沫稳定性显著提升；将此种泡沫加入到混凝土浆料中混合接触，泡沫不容易破裂，所含的表面活性剂不会吸附在水泥或粉煤灰颗粒表面，从而降低了水泥浆料的凝结，从而增强了隔音效果。

具体实施方式

实施例1

1）取145重量份质量分数15%的硅酸钠溶液和20重量份体积分数为65%的盐酸溶液，然后将45重量份TiH₂粉末按1：20的质量比加入到100~1000重量份去离子水中，85℃、300rmp下磁力搅拌2h，升温至105℃恒温搅拌2h，边搅拌边把硅酸钠溶液和盐酸溶液交替滴定到TiH₂溶液里，滴定中保持pH值为10，滴定速度为40ml/h，滴定结束后继续搅拌30min，在120℃条件下冷凝回流4~5h，高纯度氩气保护下降至室温，进行抽滤处理得到白色粉末；

2）将10重量份NaOH用200重量份60℃的热水溶解，并以150rmp转速不停搅拌至完全溶解，置于100℃恒温水浴锅中，将5重量份CNT@MnC_O2O₄纳米材料和步骤1）制备的粉末加入该碱液中，300rmp搅拌30min，超声分散1h，水浴锅加热4h，然后加入3重量份阿拉伯树胶粉、1重量份十二烷基磺酸钠和4重量份1.8-二羟基-3-羧基蒽醌，陈化2h后，过滤，105℃条件下烘干，得到新型发泡剂；

3）打开开炼机，设定温度为80℃，待温度稳定后，将100重量份聚酰亚胺颗粒加入到开炼机中，然后加入10重量份的硫磺和5重量份促进剂NOBS，薄通3遍，再打厚翻炼2遍，制备得到聚酰亚胺硫化胶；将该聚酰亚胺硫化胶与上述制备好的发泡剂同时放入己经预热的高压釜中密封，向高压釜中充入约2MPa氮气气体，冲洗高压釜排净空气，重复两次，设置12MPa的压力，在油浴110℃的温度下保温保压2h；保温保压完成后，快速放气卸压，当压力表数值降为零后，打开发泡罐取出发泡材料，自然冷却定型，即得到新型混凝土发泡材料。

所述CNT@MnCo₂O₄纳米材料的制备方法为：

称取2重量份多壁碳纳米管，加入60重量份体积分数为70%的浓硝酸，100rmp条件下缓慢搅拌，倒入水热反应釜，180℃条件下水热4h；待反应釜冷却，将沉淀物抽滤，用100重量份去离子水和150重量份无水乙醇分别冲洗3次，80℃烘干，得到活化的多壁碳纳米管；用分析天平称取0.5重量份上述处理过的多壁碳纳米管于反应釜，加入60重量份异丙醇，超声分散1h，再加入0.6重量份的硝酸锰，0.3重量份硝酸钻，继续搅拌0.5 h，然后转移至水热反应釜，150℃条件下水热，反应时间为10h，反应结束后冷却至室温，取出，得到黑色沉淀物，抽滤，用100重量份去离子水和150重量份无水乙醇分别冲洗数次，80℃条件下烘干，置于管式炉300℃氮气气氛中锻烧2h，升温速率1℃/min，煅烧结束冷却至室温后，停止通氮气，制得CNT@MnCo₂O₄纳米材料。

实施例2

与实施例1完全相同，不同在于：加入50重量份TiH₂粉末和2重量份CNT@MnCo₂O₄纳米材料。

实施例3

与实施例1完全相同，不同在于：加入40重量份TiH₂粉末和8重量份CNT@MnCo₂O₄纳米材料。

实施例4

与实施例1完全相同，不同在于：加入35重量份TiH₂粉末和11重量份CNT@MnCo₂O₄纳米材料。

实施例5

与实施例1完全相同，不同在于：加入30重量份TiH₂粉末和14重量份CNT@MnCo₂O₄纳米材料。

实施例6

与实施例1完全相同，不同在于：加入25重量份TiH₂粉末和17重量份CNT@MnCo₂O₄纳米材料。

实施例7

与实施例1完全相同，不同在于：加入20重量份TiH₂粉末和20重量份CNT@MnCo₂O₄纳米材料。

实施例8

与实施例1完全相同，不同在于：加入15重量份TiH₂粉末和23重量份CNT@MnCo₂O₄纳米材料。

实施例9

与实施例1完全相同，不同在于：加入10重量份TiH₂粉末和26重量份CNT@MnCo₂O₄纳米材料。

实施例10

与实施例1完全相同，不同在于：1）取145重量份质量分数15%的硅酸钠溶液和20重量份体积分数为65%的盐酸溶液，然后将45重量份TiH₂粉末按1：20的质量比加入到100~1000重量份去离子水中，85℃、300rmp下磁力搅拌2h，升温至105℃恒温搅拌2h，边搅拌边把硅酸钠溶液和盐酸溶液交替滴定到TiH₂溶液里，滴定中保持pH值为10，滴定速度为40ml/h，滴定结束后继续搅拌30min，在120℃条件下冷凝回流4~5h，高纯度氩气保护下降至室温，进行抽滤处理得到白色粉末，将粉末置于500重量份质量分数为5%的月桂酸乙醇溶液中，120℃下冷凝回流2h，过滤，干燥，备用；

2）将10重量份NaOH用200重量份60℃的热水溶解，并以150rmp转速不停搅拌至完全溶解，置于100℃恒温水浴锅中，将5重量份CNT@MnC_O2O₄纳米材料和步骤1）制备的粉末加入该碱液中，300rmp搅拌30min，超声分散1h，水浴锅加热4h，然后加入3重量份阿拉伯树胶粉、1重量份十二烷基磺酸钠和4重量份1.8-二羟基-3-羧基蒽醌，陈化2h后，过滤，105℃条件下烘干，得到新型发泡剂；

3）打开开炼机，设定温度为80℃，待温度稳定后，将100重量份聚酰亚胺颗粒加入到开炼机中，然后加入10重量份的硫磺和5重量份促进剂NOBS，薄通3遍，再打厚翻炼2遍，制备得到聚酰亚胺硫化胶；将该聚酰亚胺硫化胶与上述制备好的发泡剂同时放入己经预热的高压釜中密封，向高压釜中充入约2MPa氮气气体，冲洗高压釜排净空气，重复两次，设置12MPa的压力，在油浴110℃的温度下保温保压2h；保温保压完成后，快速放气卸压，当压力表数值降为零后，打开发泡罐取出发泡材料，自然冷却定型，即得到新型混凝土发泡材料。

所述CNT@MnCo₂O₄纳米材料的制备方法为：

称取2重量份多壁碳纳米管，加入60重量份体积分数为70%的浓硝酸，100rmp条件下缓慢搅拌，倒入水热反应釜，180℃条件下水热4h；待反应釜冷却，将沉淀物抽滤，用100重量份去离子水和150重量份无水乙醇分别冲洗3次，80℃烘干，得到活化的多壁碳纳米管；用分析天平称取0.5重量份上述处理过的多壁碳纳米管于反应釜，加入60重量份异丙醇，超声分散1h，再加入0.6重量份的硝酸锰，0.3重量份硝酸钻，继续搅拌0.5 h，然后转移至水热反应釜，150℃条件下水热，反应时间为10h，反应结束后冷却至室温，取出，得到黑色沉淀物，抽滤，用100重量份去离子水和150重量份无水乙醇分别冲洗数次，80℃条件下烘干，置于管式炉300℃氮气气氛中锻烧2h，升温速率1℃/min，煅烧结束冷却至室温后，停止通氮气，制得CNT@MnCo₂O₄纳米材料。

对比例1

与实施例1完全相同，不同在于：不加入CNT@MnCo₂O₄纳米材料。

对比例2

与实施例1完全相同，不同在于：制备CNT@MnCo₂O₄纳米材料过程中用浓硫酸代替浓硝酸。

对比例3

与实施例1完全相同，不同在于：制备CNT@MnCo₂O₄纳米材料过程中不加入异丙醇。

对比例4

与实施例1完全相同，不同在于：CNT@MnCo₂O₄纳米材料制备过程中不加入硝酸锰。

对比例5

与实施例1完全相同，不同在于：CNT@MnCo₂O₄纳米材料制备过程中不加入硝酸钻。

对比例6

与实施例1完全相同，不同在于：制备新型混凝土发泡材料过程中不加入TiH₂粉末。

对比例7

与实施例1完全相同，不同在于：制备新型混凝土发泡材料过程中不加入阿拉伯树胶粉。

对比例8

与实施例1完全相同，不同在于：制备新型混凝土发泡材料过程中不加入十二烷基磺酸钠。

对比例9

与实施例1完全相同，不同在于：制备新型混凝土发泡材料过程中不加入1.8-二羟基-3-羧基蒽醌。

对比例10

与实施例1完全相同，不同在于：制备新型混凝土发泡材料过程中将步骤1）中将白色粉末置于500重量份质量分数为5%的尿素水溶液中，120℃下冷凝回流2h，过滤，干燥。

按下述方法对实施例1~10和对比例1~10制备的发泡材料进行性能测试。

隔音性能测试：隔音性能采用STC传声等级测试方法，传声等级分类根据美国材料实验学会ASTM E413-04标准分级。STC等级越高，隔声性能越好。传声测试在室温11℃，相对湿度71%，传声和隔音测试在10平方米的标准房间内进行下进行。

抗拉伸性能测试：发泡材料样品按照GB/T 1040-2006在万能材料试验机上做力学性能测试，测试速度为10mm/min。

新型混凝土发泡材料的性能测试

由实施例1~9可以发现，当在实施例1所处于配比环境中，制得的新型混凝土发泡材料性能测试的隔音效果和抗拉伸性能最好，而实施例2~9制备的新型混凝土发泡材料隔音和抗拉伸性能与实施例1相比不是特别理想，说明实施例1原料配比和操作工艺可制备隔音和抗拉伸性能更好的发泡材料，可能的原因是硅酸钠和氢化钛的物理复配后，可以增加泡沫混凝土中大小不一的气孔和气孔壁所组成的复合体，增加的泡沫混凝土的孔壁包含了大小不等的硅钙质材料微粒及参与反应后剩下的残核与水泥粒子中未完全水化的部分，这些物料的固体颗粒间，汇聚了大量的水化产物和形状、大小不一的微孔或是缝隙，并形成了一个以硅质材料颗粒为骨架、水化硅酸盐胶体与结晶体粘附其周围、含有各种微小孔隙等缺陷的不均质的固-液-气三相堆聚结构；在形成的气孔壁结构中，各种物料颗粒间不仅存在直接接触或是机械齿合，并且浆料中各种物料颗粒还可发生化学反应，从而结合形成更加坚硬的水化产物，因此，气孔壁也就能增加抗拉伸性能。此外，硅酸钠和氢化钛与CNT@MnCo₂O₄纳米材料的复合产生了特殊的协同作用，形成的发泡材料能够降低泡沫混凝土浆料的凝结硬化产生的负作用，一些水分子“冒充”稳泡剂而排列于气泡表面，使表面活性剂分子以紧密状态排列，泡沫总表面积大于发泡材料的有效表面积，泡沫稳定性显著提升；将此种泡沫加入到混凝土浆料中混合接触，泡沫不容易破裂，所含的表面活性剂不会吸附在水泥或粉煤灰颗粒表面，从而降低了水泥浆料的凝结，从而增强了隔音效果。另外对比例1~5说明CNT@MnCo₂O₄纳米材料的加入对新型混凝土发泡材料的隔音、抗拉伸性能影响较大，对比例6~9说明制备新型混凝土发泡材料制备过程中原料及条件的选择对其隔音和抗拉伸性能有突出影响。申请人意外的发现，通过将步骤1中得到的白色粉末置于500重量份质量分数为5%的月桂酸乙醇溶液中，120℃下冷凝回流2h后，虽然抗拉伸性能有所降低，但其隔音性能相比其他实施例却得到大幅度的提升，可见将粉体置于月桂酸乙醇溶液中冷凝回流处理对于发泡材料的隔音性能有着出乎意料的促进作用。

Claims (4)

1.一种新型混凝土发泡材料的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

1）取145重量份质量分数15%的硅酸钠溶液和20重量份体积分数为65%的盐酸溶液，然后将10~50重量份TiH₂粉末按1：20的质量比加入到100~1000重量份去离子水中，85℃、300rmp下磁力搅拌2h，升温至105℃恒温搅拌2h，边搅拌边把硅酸钠溶液和盐酸溶液交替滴定到TiH₂溶液里，滴定中保持pH值为10，滴定速度为40ml/h，滴定结束后继续搅拌30min，在120℃条件下冷凝回流4~5h，高纯度氩气保护下降至室温，进行抽滤处理得到白色粉末；

2）将10重量份NaOH用200重量份60℃的热水溶解，并以150rmp转速不停搅拌至完全溶解，置于100℃恒温水浴锅中，将2~26重量份CNT@MnC_O2O₄纳米材料和步骤1）制备的粉末加入该碱液中，300rmp搅拌30min，超声分散1h，水浴锅加热4h，然后加入3重量份稳泡组分、1重量份增强组分和4重量份1.8-二羟基-3-羧基蒽醌，陈化2h后，过滤，105℃条件下烘干，得到新型发泡剂；

3）打开开炼机，设定温度为80℃，待温度稳定后，将100重量份聚酰亚胺颗粒加入到开炼机中，然后加入10重量份的硫磺和5重量份促进剂NOBS，薄通3遍，再打厚翻炼2遍，制备得到聚酰亚胺硫化胶；将该聚酰亚胺硫化胶与上述制备好的发泡剂同时放入己经预热的高压釜中密封，向高压釜中充入约2MPa氮气气体，冲洗高压釜排净空气，重复两次，设置12MPa的压力，在油浴110℃的温度下保温保压2h；保温保压完成后，快速放气卸压，当压力表数值降为零后，打开发泡罐取出发泡材料，自然冷却定型，即得到新型混凝土发泡材料。

2.根据权利要求1中一种新型混凝土发泡材料的制备方法，其特征在于步骤2）中稳泡组分是阿拉伯树胶粉、三乙醇胺、明胶、十二醇、聚乙烯醇、羧甲基纤维素、羟乙基甲基纤维素中的一种或几种。

3.根据权利要求1中一种新型混凝土发泡材料的制备方法，其特征在于步骤2）中增强组分为十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、十二烷基醚硫酸钠中的一种或几种。

4.根据权利要求1中一种新型混凝土发泡材料的制备方法，其特征在于步骤2）中CNT@MnCo₂O₄纳米材料的制备方法为：

称取2重量份多壁碳纳米管，加入60重量份体积分数为70%的浓硝酸，100rmp条件下缓慢搅拌，倒入水热反应釜，180℃条件下水热4h；待反应釜冷却，将沉淀物抽滤，用100重量份去离子水和150重量份无水乙醇分别冲洗3次，80℃烘干，得到活化的多壁碳纳米管；用分析天平称取0.5重量份上述处理过的多壁碳纳米管于反应釜，加入60重量份异丙醇，超声分散1h，再加入0.6重量份的硝酸锰，0.3重量份硝酸钻，继续搅拌0.5 h，然后转移至水热反应釜，150℃条件下水热，反应时间为10h，反应结束后冷却至室温，取出，得到黑色沉淀物，抽滤，用100重量份去离子水和150重量份无水乙醇分别冲洗数次，80℃条件下烘干，置于管式炉300℃氮气气氛中锻烧2h，升温速率1℃/min，煅烧结束冷却至室温后，停止通氮气，制得CNT@MnCo₂O₄纳米材料。