CN110963778B - 一种超疏水碳化硬化材料及其制备方法 - Google Patents

一种超疏水碳化硬化材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超疏水碳化硬化材料及其制备方法，该超疏水碳化硬化材料由如下质量份数的原料混合制成：碳化胶凝材料85～95份、碳化增强剂0.4～1.5份、表面修饰剂5～15份、第一溶剂5～15份、第二溶剂12～15份。本发明通过将碳化胶凝材料、碳化增强剂、表面修饰剂、第一溶剂和第二溶剂作为原料，得到超疏水碳化硬化材料，该超疏水碳化硬化材料的表面和内部均具有超疏水性能，与单纯只有表面具有超疏水性能的超疏水材料相比，疏水性能更加优异且使用范围更广。

Description

一种超疏水碳化硬化材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及超疏水材料技术领域，特别涉及一种超疏水碳化硬化材料及其制备方法。
背景技术
润湿性是固体表面的一种十分重要的物理性质，是指液体在固体材料表面的铺展能力，常用液滴与固体表面的接触角表征。当水滴与固体表面的接触角大于150°，且滚动角小于10°时，该固体表面被称为超疏水表面。自然界中早有对于超疏水表面的形容，如古文中提及到“出淤泥而不染，濯清涟而不妖”，就是对荷花表面超疏水性质的描述。超疏水材料具有许多独特的表面性能，如自清洁、防腐、超疏水、抗氧化、防止电流传导等，从而使超疏水材料具有广阔的应用前景。
现如今，超疏水材料引起了学术界的广泛关注，人工制造超疏水表面的新方法层出不穷。目前的制备方法主要分为：一种是用低表面能材料修饰具有微纳米结构的表面；二是在低表面能材料表面构建微纳米结构。具体包括湿化学、电化学刻蚀、电化学沉积、气相沉积、静电纺丝等。以上方法虽然可以制备超疏水表面，但是大多方法的过程较为复杂，能耗和成本高，许多方法都需要特定的仪器，不利于工业生产。
同时，现有的大部分超疏水材料采取表面涂层的方式仅能使材料表面具有超疏水性能，而忽略材料内部的疏水性能，从而使其材料的超疏水性能不够稳定，限制了超疏水材料的应用范围。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术不足，提出一种超疏水碳化硬化材料及其制备方法，解决现有技术中大部分超疏水材料只有表面具有超疏水性能，从而限制其使用范围的技术问题。
为达到上述技术目的，本发明的第一解决方案提供了一种超疏水碳化硬化材料，该超疏水碳化硬化材料由如下质量份数的原料混合制成：
碳化胶凝材料 85~95份、碳化增强剂0.4~1.5份、表面修饰剂5~15份、第一溶剂5~15份、第二溶剂12~15份。
本发明的第二解决方案提供了一种超疏水碳化硬化材料的制备方法，该超疏水碳化硬化材料的制备方法包括以下步骤：
将碳化增强剂与第二溶剂混合配置成碳化增强剂溶液；
对占碳化胶凝材料总质量为10%~30%的碳化胶凝材料用表面修饰剂进行表面处理；
将经表面处理后的碳化胶凝材料、未经表面处理的碳化胶凝材料和碳化增强剂溶液混合均匀，得到湿料；
将上述湿料置于模具中成型，得到坯体；
将上述坯体在二氧化碳气氛下养护，得到超疏水碳化硬化材料；
上述超疏水碳化硬化材料的制备方法用于制备本发明第一解决方案中的超疏水碳化硬化材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明通过将碳化胶凝材料、碳化增强剂、表面修饰剂、第一溶剂和第二溶剂作为原料，得到超疏水碳化硬化材料，该超疏水碳化硬化材料的表面和内部均具有超疏水性能，与单纯只有表面具有超疏水性能的超疏水材料相比，疏水性能更加优异且使用范围更广。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
对于本发明的第一解决方案，本发明提供了一种超疏水碳化硬化材料，该超疏水碳化硬化材料由如下质量份数的原料混合制成：
碳化胶凝材料85~95份、碳化增强剂0.4~1.5份、表面修饰剂5~15份、第一溶剂5~15份、第二溶剂12~15份。
其中，上述碳化胶凝材料为γ型硅酸二钙（γ-C2S）、硅酸一钙、钢渣、二硅酸三钙中的一种或多种；优选地，上述碳化胶凝材料为γ-C2S；上述碳化增强剂为聚乙二醇、聚乙烯醇、壳聚糖、无定形硅质材料中的一种或多种；上述表面修饰剂为油酸、硬脂酸或硅烷类表面修饰剂中的一种或多种，优选地，上述表面修饰剂为油酸；上述第一溶剂为无水乙醇、异丙醇、正己烷中的一种或多种，优选地，上述第一溶剂为无水乙醇；上述第二溶剂为水。
具体的，上述γ-C2S为白色粉末，粒径分布于0.5~100µm，表观密度约为2.91g/cm3；上述油酸为无色油状液体，相对密度约为0.892g/ml；上述无水乙醇为含量大于99.7%的无色透明液体。
本发明中，碳化胶凝材料，如γ-C2S等，具有较低水化活性和较高碳化活性，碳化后具有有很高的力学性能，将其作为原料得到的超疏水材料同时也具有很高的力学性能，适用范围更广；利用表面修饰剂对碳化胶凝材料进行表面处理，使碳化胶凝材料的表面具有较低的自由能，从而实现超疏水性；碳化增强材料的掺入可进一步提高超疏水碳化硬化材料的强度；第一溶剂作为表面修饰剂的分散剂，便于使表面修饰剂与碳化胶凝材料混合均匀；第二溶剂作为碳化增强剂和碳化胶凝材料的分散剂，使经表面处理后得到的碳化胶凝材料和未经表面处理后得到的碳化胶凝材料混合均匀，得到湿料，便于后续成型和碳化过程的顺利进行。
对于本发明的第二解决方案，本发明提供一种超疏水碳化硬化材料的制备方法，该超疏水碳化硬化材料的制备方法包括以下步骤：
将碳化增强剂与第二溶剂混合配置成碳化增强剂溶液；
对占碳化胶凝材料总质量为10%~30%的碳化胶凝材料用表面修饰剂进行表面处理；
将经表面处理后的碳化胶凝材料、未经表面处理的碳化胶凝材料和碳化增强剂溶液混合均匀，得到湿料；其中，水灰比为0.14~0.16；
将上述湿料置于模具中成型，得到坯体；
将上述坯体在二氧化碳气氛下养护，得到超疏水碳化硬化材料；
上述超疏水碳化硬化材料的制备方法用于制备本发明第一方面提供的超疏水碳化硬化材料。
本发明中，上述对占碳化胶凝材料总质量为10%~30%的碳化胶凝材料进行表面处理的步骤具体为：将表面修饰剂与第一溶剂混合，得到混合液，然后向上述混合液中加入占碳化胶凝材料总质量为10%~30%的碳化胶凝材料搅拌均匀并烘干，得到经表面处理后的碳化胶凝材料；上述烘干过程为在烘箱中烘干至第一溶剂完全挥发，烘干过程的温度为80~100℃，烘干过程的时间为6~12 h，优选的，烘干过程的温度为100℃，烘干过程的时间为6h，在此温度和时间范围内，烘干完全且避免烘干时间过长。
本发明中，上述将经表面处理后的碳化胶凝材料、未经表面处理的碳化胶凝材料和碳化增强剂溶液混合均匀，得到湿料的具体步骤为：将上述经表面处理后的碳化胶凝材料和剩余未经表面处理的碳化胶凝材料混合后球磨，得到混合物，随后将混合物与碳化增强剂溶液混合均匀，得到湿料。
本发明中，将上述湿料置于模具中成型，得到坯体的具体步骤为：将上述湿料置于不同的模具中通过模具压制成型或者冷等静压成型的方式将湿料压制成坯体。其中，根据需要，利用不同的模具得到具有不同形状的坯体。
本发明中，上述坯体在二氧化碳气氛下养护的过程中，所用碳化养护容器内的温度为5~50℃，相对湿度为50~100%，二氧化碳浓度为10~99.8%，气压为0.1~0.5MPa，碳化时间为2~8小时，在上述碳化时间范围内，能保证碳化反应完全，同时也避免碳化时间过长。
油酸、硬脂酸、硅烷类等表面修饰剂，一般用于对材料进行表面处理，可赋予材料疏水性能；本发明中，利用表面修饰剂对部分碳化胶凝材料进行表面处理，降低了碳化胶凝材料的表面能，使碳化硬化材料具有疏水性，便于后续得到超疏水碳化硬化材料。
本发明中，将经表面处理后得到的碳化胶凝材料、未经表面处理后的碳化胶凝材料和碳化增强剂溶液混合的原因在于：一方面有利于使碳化增强剂溶液均匀分散在体系中；另一方面便于使第二溶剂与混合物混合得到湿料，便于成型；若直接将碳化胶凝材料与碳化增强剂、第一溶剂、第二溶剂和表面修饰剂混合，由于表面修饰剂在第二溶剂中分散效果不好，导致对碳化胶凝材料的处理效果差，不能得到材料表面和内部同时具有超疏水性能的超疏水碳化硬化材料；若直接对所有的碳化胶凝材料进行表面处理，随后再加入第二溶剂，表面处理后的碳化胶凝材料具有一定的疏水性，也不能与第二溶剂混合，依然无法得到材料表面和内部同时具有超疏水性能的超疏水碳化硬化材料。因此，为了实现本发明的目的，必须严格控制工艺条件。
为避免赘述，本发明以下实施例中使用的原料总结如下：
本发明实施例中所用碳化胶凝材料为γ-C2S，所用γ-C2S通过摩尔比为2：1的氢氧化钙和二氧化硅混合后，加入与氢氧化钙和二氧化硅混合物等质量的水进一步混合后在1400℃下烧结3h而成，所得γ-C2S为白色粉末，粒径分布为0.5~100µm，表观密度约为2.91g/cm3；
所用油酸为无色油状液体，相对密度约为0.892g/ml；
所用无水乙醇为实验室用，含量大于99.7%的无色透明液体。
实施例1
本实施例提供了一种超疏水碳化硬化材料，该超疏水碳化硬化材料的制备方法包括以下步骤：
（1）将1份聚乙二醇与14.3份水混合配置成碳化增强剂溶液；
（2）将5份油酸与5份无水乙醇混合，得到混合液，然后向混合液中加入19份γ-C2S搅拌均匀并烘干至无水乙醇完全挥发，得到经表面处理后的γ-C2S；其中，烘干过程的温度为100℃，烘干过程的时间为6 h；
（3）将19份经表面处理后的γ-C2S与76份未经表面处理的γ-C2S混合后球磨1h，得到混合物；然后向混合物中加入上述碳化增强剂溶液，进一步混合均匀后，得到湿料；
（4）将湿料置于直径20mm模具中制备厚度2mm的圆片；
（5）将制得的圆片立即放入碳化桶中进行碳化，碳化压力为0.3MPa，碳化时间2h。
通过上述过程得到的超疏水碳化硬化材料的水接触角为152.3°，2小时抗压强度为62.4MPa。
实施例2
本实施例提供了一种超疏水碳化硬化材料，该超疏水碳化硬化材料的制备方法包括以下步骤：
（1）将0.6份壳聚糖与13.5份水混合配置成碳化增强剂溶液；
（2）将10份油酸与10份无水乙醇混合，得到混合液，然后向混合液中加入18份γ-C2S搅拌均匀并烘干至无水乙醇完全挥发，得到经表面处理后的γ-C2S；其中，烘干过程的温度为100℃，烘干过程的时间为6 h；
（3）将18份经表面处理后的γ-C2S与72份未经表面处理的γ-C2S混合后球磨1h，得到混合物；然后向混合物中加入上述碳化增强剂溶液，进一步混合均匀后，得到湿料；
（4）将湿料置于直径20mm模具中制备厚度2mm的圆片；
（5）将制得的圆片立即放入碳化桶中进行碳化，碳化压力为0.3MPa，碳化时间2h。
通过上述过程得到的超疏水碳化硬化材料的水接触角为151.2°，2小时抗压强度为58.2 MPa。
实施例3
本实施例提供了一种超疏水碳化硬化材料，该超疏水碳化硬化材料的制备方法包括以下步骤：
（1）将1.5份壳聚糖与12.8份水混合配置成碳化增强剂溶液；
（2）将5份油酸与5份无水乙醇混合，得到混合液，然后向混合液中加入17份γ-C2S搅拌均匀并烘干至无水乙醇完全挥发，得到经表面处理后的γ-C2S；其中，烘干过程的温度为100℃，烘干过程的时间为6 h；
（3）将17份经表面处理后的γ-C2S与68份未经表面处理的γ-C2S混合后球磨1h，得到混合物；然后向混合物中加入上述碳化增强剂溶液，进一步混合均匀后，得到湿料；
（4）将湿料置于直径20mm模具中制备厚度2mm的圆片；
（5）将制得的圆片立即放入碳化桶中进行碳化，碳化压力为0.3MPa，碳化时间2h。
通过上述过程得到的超疏水碳化硬化材料的水接触角为151.8°，2小时抗压强度为65.1MPa。
实施例4
本实施例提供了一种超疏水碳化硬化材料，该超疏水碳化硬化材料的制备方法包括以下步骤：
（1）将0.4份聚乙烯醇与15份水混合配置成碳化增强剂溶液；
（2）将5份油酸与5份无水乙醇混合，得到混合液，然后向混合液中加入9.5份γ-C2S搅拌均匀并烘干至无水乙醇完全挥发，得到经表面处理后的γ-C2S；其中，烘干过程的温度为100℃，烘干过程的时间为6 h；
（3）将9.5份经表面处理后的γ-C2S与85.5份未经表面处理的γ-C2S混合后球磨1h，得到混合物；然后向混合物中加入上述碳化增强剂溶液，进一步混合均匀后，得到湿料；
（4）将湿料置于直径20mm模具中制备厚度2mm的圆片；
（5）将制得的圆片立即放入碳化桶中进行碳化，碳化压力为0.3MPa，碳化时间2h。
通过上述过程得到的超疏水碳化硬化材料的水接触角为150.6°，2小时抗压强度为52.9 MPa。
实施例5
本实施例提供了一种超疏水碳化硬化材料，该超疏水碳化硬化材料的制备方法包括以下步骤：
（1）将1.2份聚乙烯醇与14份水混合配置成碳化增强剂溶液；
（2）将5份油酸与5份无水乙醇混合，得到混合液，然后向混合液中加入28.5份γ-C2S搅拌均匀并烘干至无水乙醇完全挥发，得到经表面处理后的γ-C2S；其中，烘干过程的温度为100℃，烘干过程的时间为6 h；
（3）将28.5份经表面处理后的γ-C2S与66.5份未经表面处理的γ-C2S混合后球磨1h，得到混合物；然后向混合物中加入上述碳化增强剂溶液，进一步混合均匀后，得到湿料；
（4）将湿料置于直径20mm模具中制备厚度2mm的圆片；
（5）将制得的圆片立即放入碳化桶中进行碳化，碳化压力为0.3MPa，碳化时间2h。
通过上述过程得到的超疏水碳化硬化材料的水接触角为151.2°，2小时抗压强度为68.1MPa。
对比例1
对比例1提供了一种碳化硬化材料，该碳化硬化材料的制备方法包括以下步骤：
（1）将95份γ-C2S和14.3份水混合均匀后，得到湿料；
（3）将湿料置于直径20mm模具中制备厚度2mm的圆片；
（4）将制得的圆片立即放入碳化桶中进行碳化，碳化压力为0.3MPa，碳化时间2h。
通过上述过程得到的超疏水碳化硬化材料的水接触角为45°，2小时抗压强度为54.83MPa。
由实施例1~5和对比例1可知，通过本发明的方法得到的超疏水碳化硬化材料同时具有较好的超疏水性能和较好的力学性能，且所得超疏水碳化硬化材料的力学性能随着油酸与γ-C2S之间加入比例的增加而降低。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明通过将碳化胶凝材料、表面修饰剂、第一溶剂和第二溶剂作为原料，得到超疏水碳化硬化材料，该超疏水碳化硬化材料的表面和内部均具有超疏水性能，与单纯只有表面具有超疏水性能的超疏水材料相比，性能更稳定且使用范围更广；
本发明通过将部分碳化胶凝材料进行表面修饰，再与未经表面修饰的碳化胶凝材料和碳化增强剂溶液混合，经成型和碳化后得到超疏水碳化硬化材料，工艺简单、可控程度高且成本低；
本发明得到的超疏水碳化硬化材料同时具有超疏水性能和较好的力学性能，进一步扩展了超疏水材料的应用范围。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种超疏水碳化硬化材料，其特征在于，所述超疏水碳化硬化材料由如下质量份数的原料混合制成：碳化胶凝材料85~95份、碳化增强剂0.4~1.5份、表面修饰剂5~15份、第一溶剂5~15份、第二溶剂12~15份；所述碳化胶凝材料为γ型硅酸二钙、硅酸一钙、钢渣、二硅酸三钙中的一种或多种；所述第一溶剂为无水乙醇、异丙醇、正己烷中的一种或多种；所述第二溶剂为水；所述碳化增强剂为聚乙二醇、聚乙烯醇、壳聚糖、无定形硅质材料中的一种或多种；
所述超疏水碳化硬化材料的制备方法包括以下步骤：
将碳化增强剂与第二溶剂混合配置成碳化增强剂溶液；
将表面修饰剂与第一溶剂混合，得到混合液，然后向所述混合液中加入占碳化胶凝材料总质量10%~30%的碳化胶凝材料搅拌均匀并烘干，得到经表面处理后的碳化胶凝材料；
将经表面处理后的碳化胶凝材料、未经表面处理的碳化胶凝材料和碳化增强剂溶液混合均匀，得到湿料；
将所述湿料置于模具中成型，得到坯体；
将所述坯体在二氧化碳气氛下养护，得到超疏水碳化硬化材料。
2.根据权利要求1所述超疏水碳化硬化材料，其特征在于，所述表面修饰剂为油酸、硬脂酸或硅烷类表面修饰剂中的一种或多种。
3.一种超疏水碳化硬化材料的制备方法，其特征在于，所述超疏水碳化硬化材料的制备方法包括以下步骤：
将碳化增强剂与第二溶剂混合配置成碳化增强剂溶液；
将表面修饰剂与第一溶剂混合，得到混合液，然后向所述混合液中加入占碳化胶凝材料总质量10%~30%的碳化胶凝材料搅拌均匀并烘干，得到经表面处理后的碳化胶凝材料；
将经表面处理后的碳化胶凝材料、未经表面处理的碳化胶凝材料和碳化增强剂溶液混合均匀，得到湿料；
将所述湿料置于模具中成型，得到坯体；
将所述坯体在二氧化碳气氛下养护，得到超疏水碳化硬化材料；
所述超疏水碳化硬化材料的制备方法用于制备权利要求1~2中任一所述超疏水碳化硬化材料。
4.根据权利要求3所述超疏水碳化硬化材料的制备方法，其特征在于，所述坯体在二氧化碳气氛下养护的过程中，所用碳化养护容器内的温度为5~50℃，相对湿度为50~100%，二氧化碳浓度为10~99.8%，气压为0.1~0.5MPa，碳化时间为2~8小时。
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