CN111847946B - 高效无损制备可控粒径自修复微胶囊的方法及制备的微胶囊 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效无损制备可控粒径自修复微胶囊的方法及制备的微胶囊，制备方法，包括如下步骤：利用旋转式压片机将囊芯材料压制成球形颗粒；利用包芯压片机对囊芯球形颗粒包衣快硬性水泥囊壁；对包衣后的颗粒进行高温蒸养和恒温恒湿养护，使囊壁形成硬质外壳，即得。

Description

高效无损制备可控粒径自修复微胶囊的方法及制备的微胶囊

技术领域

本发明属于混凝土自修复材料技术领域，具体涉及一种高效无损制备可控粒径自修复微胶囊的方法及制备的微胶囊。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

现如今，混凝土仍是世界上用量最大、应用最广的建筑材料，但混凝土呈脆性，且受温度、载荷等因素影响容易产生大量微裂缝。一方面，混凝土中裂缝的出现减小了结构的承力面积，使结构的强度有所下降；另一方面，裂缝为外部环境中二氧化碳、氧气、水分及腐蚀性离子进入混凝土内部提供了快速通道，加速钢筋混凝土结构的腐蚀，严重威胁建筑物的稳定性、安全性、耐久性。因此，及时修复混凝土中产生的微裂缝对钢筋混凝土结构以达到其设计使用年限是非常必要的。

在对裂纹进行及时修复的研究中，自修复技术是其中的一个重要方法。内含矿物修复剂的微胶囊自修复是十分有效的方法之一。当混凝土产生裂缝时，附近的微胶囊囊壁在裂缝尖端应力的作用下破裂，修复剂散落并随水分散到裂缝周围，生成水化产物或膨胀性物质沉积填充在裂缝中，从而达到愈合裂缝的效果。

目前，常用的方法是湿法造粒，将粉体修复剂放入盘式造粒机中，在造粒机慢速旋转的过程中分批次将自来水喷涂到混合粉末上，使粉末初步凝聚成球状。然后在小球表面同时施加混合粉末和水雾，使其在滚动的过程中直径逐渐变大，直至观察到圆盘内颗粒大小达到理想的范围。

但以上将矿物修复剂制备成球形颗粒的方法存在诸多问题。其一，水分造成修复剂一定程度的水化，即让部分修复剂提前反应失效，减弱修复效力，且颗粒中掺杂硬化后的结块水化物，破裂时分散效果不好；其二，粒径不易控制，由于粉末和水雾难以均匀施加，所造出的颗粒直径相差较大，次品率高；其三，湿法造粒对原材料的利用率较低，存在浪费现象。第四，制备效率较低，操作过程中需要大量人为辅助，不适合量产。

发明内容

为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种高效无损制备可控粒径自修复微胶囊的方法及制备的微胶囊。

为实现上述发明目的，本发明的一个或多个实施例公开了以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种自修复微胶囊，包括囊芯和壳材，壳材包覆于囊芯的外侧，所述囊芯由囊芯材料压制而成；壳材为快硬性水泥囊壁，囊芯材料，由以下重量份的组分组成：水泥50-70份，膨胀剂10-30份，硅灰0-20份，石灰粉0-10份。

第二方面，本发明提供一种高效无损制备可控粒径自修复微胶囊的方法，包括如下步骤：

利用旋转式压片机将囊芯材料压制成球形颗粒；

利用包芯压片机对囊芯球形颗粒包衣快硬性水泥囊壁；

对包衣后的颗粒进行高温蒸养和恒温恒湿养护，使囊壁形成硬质外壳，即得。

与现有技术相比，本发明的以上一个或多个技术方案取得了以下有益效果：

第一，解决了胶囊粒径和囊壁厚度不可控的问题。本法通过压片机和模具的结合，对修复剂粉末进行成型和包衣的操作。通过电脑将提前测得的数据输入来控制施加的力和粉末填充的量，保证压出的产品既能成型，又不过于致密。其中，压片机成型的模具是可替换的，能够根据实际需求生产多种不同规格的产品，达到控制产品粒径在不同区域范围的目的，实现制备固定囊壁微胶囊的功能。

第二，解决了胶囊制备废品率大的问题，实现了无损耗制备。在利用压片机压片或包衣的过程中，会有少量的矿物粉末随颗粒的滚动而流出，落在接收胶囊的方盘里，而这些修复剂或快硬性水泥只进行了机械加工，并未添加其他物质，也未发生化学反应，因此边角料可再回收至压片机重新利用，不浪费材料，做到无损耗生产。此外，压制过程中出现的破裂颗粒可集中收集，再次碾压回粉末利用，这样减少了废品量，保证原料100％的利用率，实现了对于工艺绿色环保的要求。

第三，本法生产时实现了高效可量产的要求。相对于湿法造粒慢速滚圆的过程，本法在增加成品率的同时大幅度增加制备速度，并且生产速率可调节,是更有利于量产的方法。同时该方法中制备自修复微胶囊所使用的原材料均为低成本混凝土常用的材料，未使用任何高成本材料，因此价格低廉，利于在实际工程中推广应用。

第四，该胶囊的修复效果明显。微胶囊使用的新型矿物修复剂配方包含水泥(50％～70％)、膨胀剂(10％～30％)、硅灰(0～20％)和石灰粉(0％～10％)，这些材料已经通过大量的实验验证，证明其产物与混凝土的相容性好，修复效果优良有保障。

第五，微胶囊的整体性能改善。操作时可以调整压片机的压力或填料的量控制颗粒松散度或密实度，使得制备的颗粒既成型，又不是太致密，保证后期微胶囊开裂后遇水能够及时有效分散，从而保证修复效果。同时保证胶囊具备一定的硬度。通过后期高温蒸养使微胶囊外层快速形成硬质囊壁，使微胶囊具有一定的硬度，不仅保证胶囊在混凝土搅拌过程中不会受力破碎而提前反应，而且有助于保证混凝土原有的力学性能不受影响，更好的保证了微胶囊自修复混凝土的修复效果。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为旋转式压片机的结构简图；

图2为利用包芯压片机进行包衣的工作流程图；

图3为微胶囊的结构示意图。

图中，1、加料口，2、充量调节旋钮，3、显示屏，4、电机箱，5、压力调节旋钮，6、压片模具，7、水泥粉末，8、中模，9、下冲，10、囊芯颗粒，11、再填充水泥粉末，12、上冲，13、微胶囊，14、囊芯，15、囊壁。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

第一方面，本发明提供一种混凝土裂缝自修复微胶囊，包括囊芯和壳材，壳材包覆于囊芯的外侧，所述囊芯由上述囊芯材料压制而成；壳材为快硬性水泥囊壁；

囊芯材料，由以下重量份的组分组成：水泥50-70份，膨胀剂10-30份，硅灰0-20份，石灰粉0-10份。

囊芯材料，由以下重量份的组分组成：水泥50-70份，膨胀剂10-30份，硅灰1-20份，石灰粉1-10份。

囊芯材料，由以下重量份的组分组成：水泥50-70份，膨胀剂10-30份，硅灰2-20份，石灰粉2-10份。

囊芯材料，由以下重量份的组分组成：水泥50-60份，膨胀剂15-30份，硅灰5-20份，石灰粉5-10份。

在一些实施例中，微胶囊的粒径为2.4-3.4mm。

在一些实施例中，所述壳材的厚度为0.3-0.5mm。

在一些实施例中，还包括高分子材料囊壁，其包覆于快硬性水泥囊壁的外侧，具有成膜性能优良、膜的机械性能好，防水性能高等优点，不仅能够防止修复剂被水分侵入而提前失效，而且可以通过控制高分子材料薄膜的厚度来控制修复剂的释放时间。

第二方面，本发明提供所述混凝土裂缝自修复微胶囊的制备方法，包括如下步骤：

利用旋转式压片机将囊芯材料压制成球形颗粒；

利用包芯压片机对囊芯球形颗粒包衣快硬性水泥囊壁；

对包衣后的颗粒进行高温蒸养和恒温恒湿养护，使囊壁形成硬质外壳，即得。

在一些实施例中，还包括利用细筛对囊芯材料粉末进行筛分的步骤。

将囊芯材料中的大颗粒筛除，以免混入颗粒物影响压片操作或损坏仪器。

在一些实施例中，利用旋转式压片机压制囊芯颗粒的方法，具体为：

向旋转式压片机的中模孔内填充囊芯材料，上冲头下行，将囊芯材料压制成球状；

上冲提升出孔，下冲上升将颗粒顶出中模孔，完成一次压片过程。

在一些实施例中，旋转式压片机中随球形颗粒流出的囊芯粉末收集后放入加料口再次利用。

在一些实施例中，利用包芯压片机对囊芯球形颗粒包衣快硬性水泥囊壁的方法，包括如下步骤：

向下冲模具中填充满快硬性水泥粉料，下冲下行设定距离，并一直位于中模内；

向中模内填充囊芯颗粒；

将中模的剩余空间内填充快硬性水泥粉料；

上冲下行，将快硬性水泥粉料包覆于囊芯颗粒的外部，完成包衣。

在一些实施例中，高温蒸养的温度为60±5℃。

进一步的，养护的温度为48-52℃，养护的相对湿度为85-95％。

在一些实施例中，还包括在快硬性水泥囊壁的外侧包覆高分子材料囊壁的步骤。

进一步的，在快硬性水泥囊壁的外侧包覆高分子材料囊壁的方法，为利用包衣机向颗粒表面涂覆高分子材料溶液，调节高压喷枪的工作频率为每30s/次，同时通入60℃的热空气进行干燥。喷枪每次喷涂3g高分子材料溶液，确保溶液完全干燥后，开启下一轮喷涂，包衣机持续工作3-4h，以使颗粒外层形成0.2±0.05mm厚的高分子材料囊壁。

具体实施方法如下：

1.配制矿物粉体修复剂

利用电子天平依次称量定量的水泥、膨胀剂、硅灰和石灰粉，并用细筛筛除粉末中的小颗粒，防止压片时出现由原料引起的颗粒松散、破裂，片重差异等现象。将矿物修复剂粉末按照50％～70％、10％～30％、0～20％和0％～10％的大致比例混合在一起，调配好后放入小型净浆搅拌机中，以最低速搅拌一段时间，使各物料之间相互分散、均匀分布。

2.制备球型囊芯颗粒

利用电脑仿真系统计算囊芯的加压力度和速度，根据所需制备微胶囊颗粒的尺寸选择合适的模具，安装并调整旋转式压片机(通过上下冲施加压力，将粉末状物质压制成型的机器)的上冲、中膜和下冲，安装完毕后开启电动机，空转一段时间，待运转平稳后方可使用。将加料器和刮粉板固定至要求的位置，启动开关使压片机开始工作。压片机下冲的冲头部位(其工作位置朝上)由中模孔下端伸入中模孔中，封住中模孔底，利用加料器向中模孔中填充配置好的粉体修复剂，上冲的冲头部位(其工作位置朝下)自中模孔上端落入中模孔，并下行一定程度，将粉末压制成球状。然后上冲提升出孔，下冲上升将颗粒顶出中模孔，完成一次压片过程，下冲降到位，准备下一次填充。在压片机工作期间，可以通过控制机器右侧的调节手轮来调节物料的填充量，即囊芯颗粒的重量，也可以控制机器左侧的调节手轮来调节运转压力，即囊芯颗粒的密实度和硬度。此外，压制速度的选择对机器使用寿命、颗粒重量以及质量有直接的影响，需基于粉末性质、粘度，颗粒粒径分布以及压制压力等因素做出判断。重复压制多次后，在出粒口得到大量修复剂颗粒，随颗粒流出的粉末收集后放入加料口再次利用。旋转式压片机仪器的简图，如图1所示。

3.包衣微胶囊的囊壁

选用比囊芯颗粒尺寸大一些的成型模具，安装并调试好仪器，使下冲的冲头位于中膜的顶端。将囊芯颗粒装入一侧加料器，在另一侧加料器中加入快硬性水泥粉末。打开压片机，装有快硬性水泥的加料器先释放粉末物质，填充满下冲模具后关闭，下冲下行一段距离，但不脱离中膜，给囊芯颗粒的加入留出空间。然后，装有颗粒的一侧加料器打开，向中膜内释放一颗圆球后关闭。接着，快硬性水泥一侧的加料器再次打开，将模具填充满后，上冲向下施加压力，由此在囊芯颗粒表面包衣一层水泥囊壁。与制备囊芯颗粒时相同，包芯压片机也是通过控制调节手轮及按钮来调节囊壁的厚度、重量，仪器的压力、速度。不同的是，包芯压片机的机体具有光电开关和压力传感器的双重检测系统，当遇到内芯缺失、压片过载和欠压的情况，系统会发出异常信号，PLC控制器会启动剔片程序，保证微胶囊中均含有囊芯颗粒。包芯压片机的工作流程如四中图2所示。

4.高温蒸养形成硬质囊壁

将包衣后的圆球颗粒放入蒸养机中，对自修复颗粒进行高恒温蒸养，设定升温时的最大温度及降温时的降温速度，恒温养护时间通过试验确定，使颗粒表面均匀地形成水灰比大约为0.2的水泥膜。蒸养过程结束后，取出圆球，利用恒温恒湿箱(温度为50±2℃，相对湿度为90±5℃)养护若干小时，待颗粒表面硬化后，得到外壳具有一定硬度而内部较松软的微胶囊颗粒。由此，自修复微胶囊颗粒便制备完成，其结构简图如图3所示。

实施例：

首先，利用电子天平称量250g水泥、150g高效膨胀剂、70g硅灰和30g石灰粉粉末，依次通过80μm的细筛，以免混入颗粒物影响压片操作或损坏仪器。将所有的矿物混合料加入小型水泥搅拌机中，以公转速度为60±5r/min，自转速度为140±5r/min的最低速搅拌3分钟，得到充分混合均匀的粉末。

然后，选用半径为1.2mm的半圆深凹上、下冲以及中模的模具，安装至旋转式压片机中，对机器进行试运行。转动手轮，使转台旋转2周，观察上下冲杆进入中模孔及在轨道上的运行情况，无卡阻和碰撞现象即为合格，并且出片处应高出转台工作面0.1～0.3mm。关闭所有箱门开动电动机，空转2分钟，待运转平稳后方可使用。将加料器装在加料器支撑架上，调节螺钉，使加料器底面与转台工作面之间间隙为0.05～0.1毫米，拧紧滚花螺钉，再调整刮粉板高低，使底平面与转台工作面平齐。向加料器中加入矿物混合粉料，打开仪器开关，通过左右侧调节手轮控制物料的填充量和压力大小(当手轮按顺时针方向旋转时，充填量减少、压力降低，反之增加和升高)，进而将压制颗粒的重量及硬度分别控制在0.5g/粒和3Kg/粒左右，压力在50N左右。在电动机的带动下，转台以20r/min的速度低速转动(因矿物粉末粘性差)，并带动20副冲模运动，上下冲随曲线导轨作圆周升降运动，完成填充与压片的工作。其中，调节上压轮的上下移动来调节上冲进模深度，从而控制压制颗粒的密实度。在压片过程中，经常检查颗粒的质量，如粒重、硬度、表面光洁度等，发现问题及时调整，直至在出料口处得到大批量粒径为2.4mm的囊芯颗粒。

其次，将半径为1.5mm的深凹半圆上下冲模具以及配套的中模安装在包芯压片机上，同时在模具两侧均固定加料器，分别施加囊芯颗粒和快硬性水泥粉末。以相同的方法试运行2min，确保仪器正常运作。调节下压轮，使下冲的顶端与中模顶面平齐，启动包芯压片机。一侧的加料器向下冲的半圆模具内加入快硬性水泥粉末，下冲被填充满后，下降5mm；另一侧加料器向下冲模具内垂直加入一粒修复剂圆球，确保圆球正好落在水泥粉末的中心位置，并凭借自身重力少部分陷入粉末，使粉末在圆球周围分散开来；继续将下冲模具填充满，再下降20mm。此时，上下冲同时以5mm/s的慢速均匀加压，使粉末中的空气有充裕的时间逸出模孔，水泥粉末便作为囊壁包裹在囊芯颗粒上。上冲提升出孔，下冲上升将圆球颗粒顶出中模，完成一次包衣过程，多次重复操作(上下冲每15s启动一次施压)，制得粒径为3mm的圆球颗粒，剩余的粉末重复利用。

最后，把球形颗粒放入蒸养机中，蒸养过程分为升温、恒温、降温三个阶段。其中，升温速度不宜大于10℃/h，恒温蒸养温度控制在60±5℃左右(最大温度不超过65℃，恒温养护时间1h)，降温速度不宜大于10℃/h，使0.3mm厚度的水泥囊壁与水蒸气接触。再将圆球颗粒放入恒温恒湿箱(温度为50±2℃，相对湿度为90±5℃)中养护2h，待颗粒表面的水泥膜硬化后，即得到外壳具有一定硬度内部松软的自修复微胶囊颗粒。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (8)

1.一种自修复微胶囊，其特征在于：包括囊芯、壳材和高分子材料囊壁，壳材包覆于囊芯的外侧，所述囊芯由囊芯材料压制而成；壳材为快硬性水泥囊壁；高分子材料囊壁包覆于快硬性水泥囊壁的外侧；

其中，囊芯材料，由以下重量份的组分组成：水泥50-70份，膨胀剂10-30份，硅灰0-20份，石灰粉0-10份;

所述微胶囊的制备方法，包括如下步骤：

利用旋转式压片机将囊芯材料压制成球形颗粒，具体为：

向旋转式压片机的中模孔内填充囊芯材料，上冲头下行，将囊芯材料压制成球状；

上冲提升出孔，下冲上升将颗粒顶出中模孔，完成一次压片过程；

利用包芯压片机对囊芯球形颗粒包衣快硬性水泥囊壁，包括如下步骤：

向下冲模具中填充满快硬性水泥粉料，下冲下行设定距离，并一直位于中模内；

向中模内填充囊芯颗粒；

将中模的剩余空间内填充快硬性水泥粉料；

上冲下行，将快硬性水泥粉料包覆于囊芯颗粒的外部，完成包衣；

对包衣后的颗粒进行高温蒸养和恒温恒湿养护，使囊壁形成硬质外壳，即得；

在快硬性水泥囊壁的外侧包覆高分子材料囊壁，具体为：

利用包衣机向颗粒表面涂覆高分子材料溶液，调节高压喷枪的工作频率，同时通入热空气进行干燥，确保溶液完全干燥后，开启下一轮喷涂，在颗粒外层形成0.2±0.05mm厚的高分子材料囊壁。。

2.根据权利要求1所述的自修复微胶囊，其特征在于：微胶囊的粒径为2.4-3.4mm。

3.根据权利要求1所述的自修复微胶囊，其特征在于：所述壳材的厚度为0.3-0.5mm。

4.权利要求1-3任一所述的自修复微胶囊的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

利用旋转式压片机将囊芯材料压制成球形颗粒；

利用包芯压片机对囊芯球形颗粒包衣快硬性水泥囊壁；

对包衣后的颗粒进行高温蒸养和恒温恒湿养护，使囊壁形成硬质外壳，即得。

5.根据权利要求4所述的自修复微胶囊的制备方法，其特征在于：还包括利用细筛对囊芯材料粉末进行筛分的步骤。

6.根据权利要求4所述的自修复微胶囊的制备方法，其特征在于：旋转式压片机中随球形颗粒流出的囊芯粉末收集后放入加料口再次利用。

7.根据权利要求4所述的自修复微胶囊的制备方法，其特征在于：高温蒸养的温度为60±5℃。

8.根据权利要求4所述的自修复微胶囊的制备方法，其特征在于：养护的温度为48-52℃，养护的相对湿度为85-95%。

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