CN111018383A - 一种壳聚糖增强碳化硬化体的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种壳聚糖增强碳化硬化体的制备方法，包括以下步骤：将低分子量壳聚糖与水按0.02～0.1g/mL配置成溶液备用；选取高碳化活性硅酸钙矿物，通过粉磨控制其粒度为5‑15μm备用；将粉磨后的硅酸钙与壳聚糖水溶液混合，经搅拌、研磨后使其混合均匀，通过压制成型，然后在二氧化碳气氛下养护获得碳化硬化体材料。本发明创造性的利用壳聚糖增强碳化硬化体，使其具有更高的力学性能，壳聚糖在碳化体中可以调控碳化产物晶型，促进钙离子溶出从而促进碳化反应的进行。该增强技术成本低廉，工艺简单，并且极大地提高了碳化硬化体的机械强度，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于材料技术领域，具体涉及一种壳聚糖增强碳化硬化体的制备方法。
背景技术
波特兰水泥自1824年发明以来，由于其良好的力学性能和施工性能成为世界上应用最为广泛的建筑材料。然而，水泥工业是全球公认的二氧化碳排放大户，其二氧化碳排放主要来源于化石燃料的燃烧与碳酸钙的分解。根据英国皇家国际事务研究所和国际能源署2016年的两份报告中显示，在2016年一年的时间中，全球整个水泥行业排放了22亿公吨的二氧化碳，在全球碳排放总量中占比达到8％。而中国在高速发展的今天，对水泥混凝土等建筑材料的需求日益增长，2016年中国水泥产量占全球水泥产量的50％以上。因此，减少水泥工业的碳排放，寻求水泥工业的可持续发展是刻不容缓的事情。
在1979年，Bukowski和Berger发现了无水化活性的硅酸钙表现出对二氧化碳的反应活性，Papadakis等学者也通过研究发现可水化的硅酸钙也表现出对二氧化碳的反应活性。近年来，由于成型与碳化工艺的提升，高活性硅酸钙矿物碳化硬化体成为了研究热点，其高二氧化碳吸收量，快速的强度发展，优越的力学性能，使其有望成为水泥工业可持续发展的突破点。中国发明专利CN201810468190.8公开了一种固碳混凝土预制件的制备方法，其利用工业废气与混凝土预制件进行碳化反应达到了降低工业废气中二氧化碳排放的目的；中国发明专利CN201811491680.6公开了一种0-3型PZT-钢渣压电复合材料，采用钢渣碳化硬化形成压电复合材料基体，利用粉料预混压制成型模式提高了压电相在基体内的分散，并具有较高的力学性能。
壳聚糖是甲壳素脱乙酰基的产物，其广泛存在于海洋生物、藻类、高等植物细胞壁等中，是地球上仅次于植物纤维的第二大生物资源。其在贝壳中与碳酸钙形成高度有序的结构以及对碳酸钙生长过程的控制赋予了贝壳高强高韧的性能，在碳化硬化体中，碳酸钙是碳化过程中的主要产物，与贝壳的组成相似，这为壳聚糖在碳化硬化体中的应用提供了启发。
发明内容
本发明目的在于进一步提升碳化硬化体的力学性能，扩展其在建筑材料与功能材料领域的应用，提供了一种生产成本低廉、工艺简单的增强碳化硬化体的制备方法。
为达到上述目的，采用技术方案如下：
一种壳聚糖增强碳化硬化体的制备方法，包括以下步骤：
1)将低分子量壳聚糖与水按0.02～0.1g/mL配置成溶液备用；
2)选取高碳化活性硅酸钙矿物，通过粉磨控制其粒度为5-15μm备用；
3)将粉磨后的硅酸钙与壳聚糖水溶液混合，经搅拌、研磨后使其混合均匀，通过压制成型，然后在二氧化碳气氛下养护获得碳化硬化体材料。
按上述方案，所述高碳化活性硅酸钙为硅酸三钙(C3S)、γ型硅酸二钙(γ-C2S)、β型硅酸二钙(β-C2S)、硅酸一钙(CS)中的一种。
按上述方案，所述低分子量壳聚糖分子量低于5000，为甲壳素脱乙酰基制得。
按上述方案，步骤3中压制成型压力为10-100MPa，保压时间为3-5min；二氧化碳气氛下养护压力为0.1-0.5MPa，养护时间为10-48h。
按上述方案，步骤3中硅酸钙与壳聚糖水溶液按水灰比为0.15混合；壳聚糖占高活性硅酸钙矿物的0.3-1.5wt％。
本发明相对于现有技术的有益效果在于：
本发明创造性的利用壳聚糖增强碳化硬化体，使其具有更高的力学性能，壳聚糖在碳化体中可以调控碳化产物晶型，促进钙离子溶出从而促进碳化反应的进行。
通过XRD定量分析结果可知，添加壳聚糖后碳化产物中方解石含量更高，说明壳聚糖的加入有利于方解石的生成；添加壳聚糖的含量越高，碳化产物碳酸钙的含量越多，碳化程度越高，说明壳聚糖的加入可以促进碳化反应的进行。
该增强技术成本低廉，工艺简单，并且极大地提高了碳化硬化体的机械强度，具有良好的应用前景。
附图说明
图1添加不同掺量壳聚糖后的硅酸二钙碳化体XRD定量分析结果；
图2添加不同掺量壳聚糖后的硅酸二钙碳化体热分析与碳化程度结果；
具体实施方式
为进一步阐述本发明为达成发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合较佳实施例，对依据本发明提出的一种壳聚糖增强碳化硬化体及其制备方法的具体实施方式、步骤、特征及其功效，详细说明如下：
实施例1-4：
一种壳聚糖增强碳化硬化体及其制备方法，包含以下步骤：
称取一定质量的γ-C2S置于球磨罐中研磨6h后备用，测试平均粒径为14.3μm。
配置不同浓度的壳聚糖溶液，分别为0.2、0.4、0.6g/mL。
称取10g备用的γ-C2S，分别加入1.5g水与1.5g壳聚糖溶液，经搅拌、研磨后使其混合均匀，通过压制成型，在30MPa下保压3min，然后将试块放入气压为0.3MPa的二氧化碳气氛中养护24h。各组分的原料重量份数和碳化硬化体的性能参数见表1。
表1
从表1中可以看出：壳聚糖的加入可以显著提升碳化硬化体的力学性能，并且能够促进碳化反应的进行以获得更高的碳化程度。
添加不同掺量壳聚糖后的硅酸二钙碳化体XRD定量分析结果如图1所示，通过XRD定量分析结果可知，添加壳聚糖后碳化产物中方解石含量更高，说明壳聚糖的加入有利于方解石的生成。
添加不同掺量壳聚糖后的硅酸二钙碳化体热分析与碳化程度结果如图2所示，添加壳聚糖的含量越高，碳化产物碳酸钙的含量越多，碳化程度越高，说明壳聚糖的加入可以促进碳化反应的进行。
实施例5
一种壳聚糖增强碳化硬化体及其制备方法，包含以下步骤：
称取一定质量的CS置于球磨罐中研磨3h后备用，测试平均粒径为19.5μm。
配置浓度为0.4g/mL的壳聚糖溶液。
称取10g备用的CS，分别加入1.5g水与1.5g壳聚糖溶液，经搅拌、研磨后使其混合均匀，通过压制成型，在50MPa下保压3min，然后将试块放入气压为0.2MPa的二氧化碳气氛中养护24h。空白组碳化硬化体与壳聚糖增强碳化硬化体抗压强度分别为76.3MPa与95.2Mpa，抗折强度分别为7.2MPa与12.3MPa，碳化程度分别为36.32％与40.11％。
实施例6
一种壳聚糖增强碳化硬化体及其制备方法，包含以下步骤：
称取一定质量的β-C2S置于球磨罐中研磨4h后备用，测试平均粒径为16.5μm。
配置浓度为0.5g/mL的壳聚糖溶液。
称取10g备用的β-C2S，分别加入1.5g水与1.5g壳聚糖溶液，经搅拌、研磨后使其混合均匀，通过压制成型，在60MPa下保压3min，然后将试块放入气压为0.3MPa的二氧化碳气氛中养护24h。空白组碳化硬化体与壳聚糖增强碳化硬化体抗压强度分别为93.2MPa与149.7Mpa，抗折强度分别为11.3MPa与24.5MPa，碳化程度分别为40.12％与45.21％。
实施例7
一种壳聚糖增强碳化硬化体及其制备方法，包含以下步骤：
称取一定质量的C3S置于球磨罐中研磨5h后备用，测试平均粒径为14.3μm。
配置浓度为0.6g/mL的壳聚糖溶液。
称取10g备用的C3S，分别加入1.5g水与1.5g壳聚糖溶液，经搅拌、研磨后使其混合均匀，通过压制成型，在30MPa下保压3min，然后将试块放入气压为0.3MPa的二氧化碳气氛中养护10h。空白组碳化硬化体与壳聚糖增强碳化硬化体抗压强度分别为67.8MPa与87.4Mpa，抗折强度分别为6.5MPa与11.8MPa，碳化程度分别为35.12％与39.21％。
Claims (5)
1.一种壳聚糖增强碳化硬化体的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)将低分子量壳聚糖与水按0.02～0.1g/mL配置成溶液备用；
2)选取高碳化活性硅酸钙矿物，通过粉磨控制其粒度为5-15μm备用；
3)将粉磨后的硅酸钙与壳聚糖水溶液混合，经搅拌、研磨后使其混合均匀，通过压制成型，然后在二氧化碳气氛下养护获得碳化硬化体材料。
2.如权利要求1所述壳聚糖增强碳化硬化体的制备方法，其特征在于所述高碳化活性硅酸钙为硅酸三钙、γ型硅酸二钙、β型硅酸二钙、硅酸一钙中的一种。
3.如权利要求1所述壳聚糖增强碳化硬化体的制备方法，其特征在于所述低分子量壳聚糖分子量低于5000，为甲壳素脱乙酰基制得。
4.如权利要求1所述壳聚糖增强碳化硬化体的制备方法，其特征在于步骤3中压制成型压力为10-100MPa，保压时间为3-5min；二氧化碳气氛下养护压力为0.1-0.5MPa，养护时间为10-48h。
5.如权利要求1所述壳聚糖增强碳化硬化体的制备方法，其特征在于步骤3中硅酸钙与壳聚糖水溶液按水灰比为0.15混合；壳聚糖占高活性硅酸钙矿物的0.3-1.5wt％。
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