CN112079585A - 一种利用微孔发泡制备的超疏水地聚合物及其制备方法 - Google Patents

一种利用微孔发泡制备的超疏水地聚合物及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用微孔发泡制备的超疏水地聚合物，包括以下重量份数的原料：硅铝质矿物原料30‑45份，碱激发剂35‑50份，聚二甲基硅氧烷0.5‑1.5份，硅烷偶联剂0.05‑0.15份，碳化硅粉末2‑5份，短纤维2‑4份，烷基糖苷1‑3份，双氧水1‑3份。本发明还公开了一种利用微孔发泡制备的超疏水地聚合物的制备方法。本发明利用短纤维对气泡的阻隔作用，碳化硅粉末和其固有杂质硅单质、碳单质在强碱环境下反应产生气体的性质，实现大量的、均匀的、孔径可调控的微气泡孔结构；从材料内部结构进行超疏水改性，避免性能受机械损伤的影响，使材料具有持久的疏水能力；制备低密度、高强度、耐腐蚀和高温的发泡材料，在疏水抗渗的同时，可用来过滤吸附、保温隔热、地基处理、结构填充。

Description

一种利用微孔发泡制备的超疏水地聚合物及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，尤其是涉及一种利用微孔发泡制备的超疏水地聚合物及其制备方法。
背景技术
地聚合物是一种由碱激发剂激发硅铝质矿物原料形成的新型胶凝材料。地聚合物材料具有致密的微观结构和数量可观的微米级孔隙结构，其机械强度高、防火耐热、抗腐蚀性能好、绿色低碳，可用于保护和钢结构和混凝土结构。
但是无机材料的亲水本质增强了地聚合物的吸水和渗透性能，导致例如物质溶出、冻融破坏和离子侵蚀等材料的结构损伤。现有的疏水改性研究多是集中于疏水涂层制作，其疏水效果良莠不齐，难以调控。疏水涂层也难以抵抗机械损伤破坏，改性材料机械强度和耐久性能差。因此，对地聚物材料从内部基质进行疏水改性，对其保护效果和耐久性能的进一步提高有重要的意义。并且，作为具有良好隔热防火能力的无机材料，发泡地聚合物实现了在过滤、吸附、保温隔热等方向的应用。地聚合物材料的超疏水性能和轻质发泡结构的结合，将使其能够运用在航空航天、海洋等诸多军工领域。
在现有的研究中，申请号为CN 201710641887.6的中国专利为《一种高强度多孔吸水性地质聚合物的制备方法》，此方法制备发泡剂工艺复杂，并且需要高温烧结工程应用性低，并且没有实现材料的疏水改性。
申请号为CN 201510638847.7的中国专利为《一种具有超疏水表面的偏高岭土基地质聚合物及其制备方法》，此方法以在偏高岭土基地聚合物表面涂刷或喷雾喷涂液体疏水改性剂，仅从表面上对地聚合物进行疏水改性，难以抵挡机械破坏。
申请号为CN 201911293381.6的中国专利为《一种无机保温隔热防火疏水涂料及其制备方法》，此方法以气流喷雾形式制备疏水保温涂层，其工艺复杂多种物料不易均匀分散，并且同样是涂层，抵抗机械破坏的能力弱。
申请号为CN 201911189687.7的中国专利为《一种用于海工混凝土结构的疏水抗菌型地聚合物材料及其制备方法》，此方法通过基质疏水改性和纳米二氧化钛的添加实现抗菌作用，但其疏水效果一般。
因此，从材料内部进行超疏水改性，制备集合轻质多孔、疏水耐腐、防火隔热、机械强度高的的地聚合物泡沫材料拥有广阔的应用前景
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种利用微孔发泡制备的超疏水地聚合物及其制备方法，其从基质层面对材料进行疏水改性，得到多孔、轻质且高强度、耐久性好的超疏水无机材料。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种利用微孔发泡制备的超疏水地聚合物，包括以下重量份数的原料：硅铝质矿物原料30-45份，碱激发剂35-50份，聚二甲基硅氧烷0.5-1.5份，硅烷偶联剂0.05-0.15份，碳化硅粉末2-5份，短纤维2-4份，烷基糖苷1-3份，双氧水1-3份。
作为优选，所述硅铝质矿物原料为复配材料，其包括偏高岭土15-20份，粉煤灰5-10份，硅灰10-15份。
作为优选，所述碱激发剂为复配材料，其包括固体氢氧化钠10-15份，硅酸钠溶液20-25份，去离子水5-10份，碱激发剂的总含水量为30％-50％。
作为优选，所述聚二甲基硅氧烷的粘度为50-200斯托克斯。
作为优选，所述碳化硅粉末为纳米级或微米级粉末，其粒径小于100微米。
作为优选，所述短纤维包括玄武岩纤维、碳纤维、氮化硅纤维、氧化铝纤维的一种或两种以上组合，其直径为5-50微米，长度为1-10毫米。
作为优选，所述双氧水为浓度为30％-50％的水溶液。
本发明还公开了一种利用微孔发泡制备的超疏水地聚合物的制备方法，包括以下步骤：
1)将30-45份硅铝质矿物原料、2-5份碳化硅粉末和2-4份短纤维混合搅拌研磨30-60分钟，得到固体原料；
2)将35-50份碱激发剂、0.5-1.5份聚二甲基硅氧烷、0.05-0.15份硅烷偶联剂、1-3份烷基糖苷以600-1200转/分钟转速混合搅拌15-30分钟，得到杂化碱激发剂；
3)将步骤1)中得到的固体原料加入步骤2)中得到的杂化碱激发剂中，以600-1200转/分钟转速混合搅拌20-40分钟，得到地聚合物浆料；
4)将1-3份双氧水滴入步骤3)中得到的地聚合物浆料中，继续以1000-1200转/分钟搅拌20-40秒，得到发泡地聚合物浆料；
5)将步骤4)中得到的发泡地聚合物浆料放入模具养护，首先在25-60摄氏度的烘箱或真空干燥箱内保水养护24-48小时；经过脱模处理后，再在室温环境下自然养护3-14天，即得。
作为优选，所述步骤2)中碱激发剂配制时搅拌至均匀澄清，倒入塑料容器中密封保存12-24小时，备用。
本发明中的硅铝质矿物原料复配有利于减小地聚合物的孔隙分布，增加了结构的致密度，减小了材料吸水；其中微球形的硅灰还能够增加地聚合物浆体的流动性，使原材料更好地分散；聚二甲基硅氧烷、硅烷偶联剂从表面化学结构上对材料基质进行疏水改性；双氧水作为发泡剂使材料微孔发泡；烷基糖苷不仅能作为稳泡剂稳定气泡，还能作为表面活性剂分散固体原料颗粒和粉末；短纤维提高了浆体浓度，从而阻隔了气泡合并，促进均匀丰富的微尺寸气泡孔产生；碳化硅粉末不仅有利于促进发泡，也提高了材料力学强度。微孔结构和短纤维的凸起提供了微米级粗糙度，毛细孔、凝胶结构和未反应原料提供了纳米级粗糙结构。所述方法从化学改性和粗糙度改善两方面使微孔发泡地聚合物实现超疏水性能。
本发明的有益效果是：1)本发明创新地利用了微孔发泡技术以改善地聚合物的微米级粗糙度，配合聚二甲基硅氧烷和硅烷偶联剂的化学改性使地聚合物材料实现了超疏水性能；2)本发明利用了短纤维对气泡的阻隔作用，碳化硅粉末和其固有杂质硅单质、碳单质在强碱环境下反应产生气体的性质，实现了大量的、均匀的、孔径可调控的微气泡孔结构；3)本发明从材料内部结构进行超疏水改性，避免性能受机械损伤的影响，使材料具有持久的疏水能力；4)本发明制备低密度、高强度、耐腐蚀和高温的发泡材料，在疏水抗渗的同时，可用来过滤吸附、保温隔热、地基处理、结构填充，运用于航空航天、海洋军工等诸多领域；5)本发明可利用粉煤灰、硅灰废弃物作为原材料，节能环保，且产品制造操作简单，养护周期短，制备过程绿色安全，符合可持续发展道理原则。
附图说明
图1为本发明的利用微孔发泡制备的超疏水地聚合物的实物照片。
图2为本发明的利用微孔发泡制备的超疏水地聚合物的电子计算机断层扫描(X-CT)图片，其中图(a)是二维图像重组后的三维结构图像；图(b)是X-CT直接获得的二维结构图像。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好的理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
实施例一
一种利用微孔发泡制备的超疏水地聚合物，包括偏高岭土20份，粉煤灰10份，硅灰10份，碱激发剂40份，聚二甲基硅氧烷1.5份，硅烷偶联剂0.15份，碳化硅粉末3份，玄武岩纤维2份，烷基糖苷1份，双氧水2份。
碱激发剂为复配材料，其包括固定氢氧化钠10份，硅酸钠溶液20份，去离子水10份。碱激发剂配制时用搅拌棒搅拌至均匀澄清，倒入塑料容器中密封保存12小时。
聚二甲基硅氧烷的粘度为100斯托克斯；碳化硅粉末的粒径为50-100纳米；玄武岩纤维的直径为20-25微米，平均长度为5毫米；双氧水的浓度为35％。
一种利用微孔发泡制备的超疏水地聚合物的制备方法，包括以下步骤：
1)将20份偏高岭土、10份粉煤灰、10份硅灰、3份碳化硅粉末和2份玄武岩纤维按比例混合搅拌研磨40分钟，得到固体原料；
2)将40份碱激发剂、1.5份聚二甲基硅氧烷、0.15份硅烷偶联剂、1份烷基糖苷以1200转/分钟转速混合搅拌20分钟，得到杂化碱激发剂；
3)将步骤1)中得到的固体原料加入步骤2)中得到的杂化碱激发剂中，以1200转/分钟转速混合搅拌40分钟，得到地聚合物浆料；
4)将2份双氧水滴入步骤3)中得到的地聚合物浆料中，继续以1200转/分钟搅拌30秒，得到发泡地聚合物浆料；
5)将步骤4)中得到的发泡地聚合物浆料放入模具养护，首先在40摄氏度的真空干燥箱内保水养护48小时；经过脱模处理后，再在室温环境下自然养护7天，即得。
实施例二
一种利用微孔发泡制备的超疏水地聚合物，包括偏高岭土15份，粉煤灰5份，硅灰15份，碱激发剂45份，聚二甲基硅氧烷1.5份，硅烷偶联剂0.15份，碳化硅粉末2份，氮化硅纤维2份，烷基糖苷2份，双氧水2份。
碱激发剂为复配材料，其包括固定氢氧化钠10份，硅酸钠溶液25份，去离子水10份。碱激发剂配制时用搅拌棒搅拌至均匀澄清，倒入塑料容器中密封保存12小时。
聚二甲基硅氧烷的粘度为100斯托克斯；碳化硅粉末的粒径为100-200纳米；氮化硅纤维的直径为10-15微米，平均长度为2毫米；双氧水的浓度为30％。
一种利用微孔发泡制备的超疏水地聚合物的制备方法，包括以下步骤：
1)将15份偏高岭土、5份粉煤灰、15份硅灰、2份碳化硅粉末和2份玄武岩纤维按比例混合搅拌研磨40分钟，得到固体原料；
2)将45份碱激发剂、1.5份聚二甲基硅氧烷、0.15份硅烷偶联剂、2份烷基糖苷以1200转/分钟转速混合搅拌40分钟，得到杂化碱激发剂；
3)将步骤1)中得到的固体原料加入步骤2)中得到的杂化碱激发剂中，以1200转/分钟转速混合搅拌40分钟，得到地聚合物浆料；
4)将2份双氧水滴入步骤3)中得到的地聚合物浆料中，继续以1000转/分钟搅拌20秒，得到发泡地聚合物浆料；
5)将步骤4)中得到的发泡地聚合物浆料放入模具养护，首先在30摄氏度的真空干燥箱内保水养护48小时；经过脱模处理后，再在室温环境下自然养护7天，即得。
实施例三
一种利用微孔发泡制备的超疏水地聚合物，包括偏高岭土20份，粉煤灰10份，硅灰10份，碱激发剂45份，聚二甲基硅氧烷1份，硅烷偶联剂0.1份，碳化硅粉末3份，玄武岩纤维2份，烷基糖苷1份，双氧水3份。
碱激发剂为复配材料，其包括固定氢氧化钠8份，硅酸钠溶液25份，去离子水12份。碱激发剂配制时用搅拌棒搅拌至均匀澄清，倒入塑料容器中密封保存12小时。
聚二甲基硅氧烷的粘度为50斯托克斯；碳化硅粉末的粒径为100-200纳米；玄武岩纤维的直径为20-25微米，平均长度为5毫米；双氧水的浓度为30％。
一种利用微孔发泡制备的超疏水地聚合物的制备方法，包括以下步骤：
1)将20份偏高岭土、10份粉煤灰、10份硅灰、3份碳化硅粉末和2份玄武岩纤维按比例混合搅拌研磨40分钟，得到固体原料；
2)将45份碱激发剂、1份聚二甲基硅氧烷、0.1份硅烷偶联剂、1份烷基糖苷以1200转/分钟转速混合搅拌40分钟，得到杂化碱激发剂；
3)将步骤1)中得到的固体原料加入步骤2)中得到的杂化碱激发剂中，以1200转/分钟转速混合搅拌40分钟，得到地聚合物浆料；
4)将3份双氧水滴入步骤3)中得到的地聚合物浆料中，继续以1000转/分钟搅拌20秒，得到发泡地聚合物浆料；
5)将步骤4)中得到的发泡地聚合物浆料放入模具养护，首先在45摄氏度的真空干燥箱内保水养护48小时；经过脱模处理后，再在室温环境下自然养护7天，即得。
对比实施例四
一种地聚合物，包括偏高岭土20份，粉煤灰10份，硅灰15份，碱激发剂40份，聚二甲基硅氧烷1.5份，硅烷偶联剂0.15份，玄武岩纤维2份。
碱激发剂为复配材料，其包括固定氢氧化钠10份，硅酸钠溶液20份，去离子水10份。碱激发剂配制时用搅拌棒搅拌至均匀澄清，倒入塑料容器中密封保存12小时。
聚二甲基硅氧烷的粘度为50斯托克斯；玄武岩纤维的直径为20-25微米，平均长度为5毫米；双氧水的浓度为30％。
上述地聚合物的制备方法，包括以下步骤：
1)将20份偏高岭土、10份粉煤灰、15份硅灰和2份玄武岩纤维按比例混合搅拌研磨40分钟，得到固体原料；
2)将40份碱激发剂、1.5份聚二甲基硅氧烷、0.15份硅烷偶联剂以1200转/分钟转速混合搅拌20分钟，得到杂化碱激发剂；
3)将步骤1)中得到的固体原料加入步骤2)中得到的杂化碱激发剂中，以1200转/分钟转速混合搅拌40分钟，得到地聚合物浆料；
4)将步骤3)中得到的地聚合物浆料放入模具养护，首先在40摄氏度的真空干燥箱内保水养护48小时；经过脱模处理后，再在室温环境下自然养护7天，即得。
对比实施例五
一种地聚合物，包括偏高岭土20份，粉煤灰10份，硅灰15份，碱激发剂40份，烷基糖苷1份，碳化硅粉末3份，玄武岩纤维2份，双氧水2份。
碱激发剂为复配材料，其包括固定氢氧化钠10份，硅酸钠溶液20份，去离子水10份。碱激发剂配制时用搅拌棒搅拌至均匀澄清，倒入塑料容器中密封保存12小时。
碳化硅粉末的粒径为100-200纳米；玄武岩纤维的直径为20-25微米，平均长度为5毫米；双氧水的浓度为35％。
上述地聚合物的制备方法，包括以下步骤：
1)将20份偏高岭土、10份粉煤灰、15份硅灰、3份碳化硅粉末和2份玄武岩纤维按比例混合搅拌研磨40分钟，得到固体原料；
2)将40份碱激发剂、1份烷基糖苷以800转/分钟转速混合搅拌20分钟，得到杂化碱激发剂；
3)将步骤1)中得到的固体原料加入步骤2)中得到的杂化碱激发剂中，以1200转/分钟转速混合搅拌40分钟，得到地聚合物浆料；
4)将2份双氧水滴入步骤3)中得到的地聚合物浆料中，继续以1200转/分钟搅拌30秒，得到发泡地聚合物浆料
5)将步骤4)中得到的发泡地聚合物浆料放入模具养护，首先在40摄氏度的真空干燥箱内保水养护48小时；经过脱模处理后，再在室温环境下自然养护7天，即得。
对比实施例六
一种地聚合物，包括偏高岭土15份，粉煤灰15份，硅灰15份，碱激发剂40份，聚二甲基硅氧烷1.5份，硅烷偶联剂0.15份，烷基糖苷1份，双氧水2份。
碱激发剂为复配材料，其包括固定氢氧化钠10份，硅酸钠溶液20份，去离子水10份。碱激发剂配制时用搅拌棒搅拌至均匀澄清，倒入塑料容器中密封保存12小时。
聚二甲基硅氧烷的粘度为100斯托克斯；双氧水的浓度为30％。
上述地聚合物的制备方法，包括以下步骤：
1)将15份偏高岭土、15份粉煤灰和15份硅灰按比例混合搅拌研磨30分钟，得到固体原料；
2)将40份碱激发剂、1.5份聚二甲基硅氧烷、0.15份硅烷偶联剂、1份烷基糖苷以1200转/分钟转速混合搅拌20分钟，得到杂化碱激发剂；
3)将步骤1)中得到的固体原料加入步骤2)中得到的杂化碱激发剂中，以1200转/分钟转速混合搅拌40分钟，得到地聚合物浆料；
4)将2份双氧水滴入步骤3)中得到的地聚合物浆料中，继续以1200转/分钟搅拌30秒，得到发泡地聚合物浆料
5)将步骤4)中得到的发泡地聚合物浆料放入模具养护，首先在40摄氏度的真空干燥箱内保水养护48小时；经过脱模处理后，再在室温环境下自然养护7天，即得。
为了验证本发明的利用微孔发泡制备的超疏水地聚合物材料的发泡效果和疏水性能，进行了密度试验、气泡孔孔隙率测量、抗压强度试验以及接触角测试具体方法和结果如下：
(1)密度试验：取实施例和对比实施例制得的长方体泡沫地聚合物材料作为测试样品，多次测量其长、宽、高和质量，计算得到其密度，并取平均值。
(2)气泡孔孔隙率测量：取实施例和对比实施例制得的泡沫地聚合物材料作为测试样品，利用电子计算机断层扫描得到其大于4微米的气泡孔孔隙结构，利用图像处理软件计算得到气泡孔孔隙率。
(3)抗压强度试验：取实施例和对比实施例制得的泡沫地聚合物材料作为测试样品，按照GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》测试其抗压强度。
(4)接触角测试：取实施例和对比实施例制得的泡沫地聚合物材料作为测试样品，进行自然干燥后切开，分别测试其表面和内部疏水接触角。
表1：利用微孔发泡制备的超疏水地聚合物材料测试结果
Figure BDA0002610685250000091
实施例一、二、三的测试结果表明，对于利用微孔发泡制备的超疏水地聚合物，其具有小于0.6g/cm3的低密度和大于65％的高气泡孔孔隙率，此发明创造了一种轻质多孔的地聚合物泡沫材料。此地聚合物泡沫材料的抗压强度大于10MPa，高于同等密度条件下的水泥基泡沫材料，属于泡沫材料中的高强材料。其材料表面和内部疏水角平均大于150°，说明材料实现了基质的超疏水改性，具有非常好的疏水效果。其中内部大于150°疏水接触角表明，此方法解决了机械损伤对表面疏水涂层的破坏作用，使材料具有高效持久的疏水效果。
对比实施例四的测试结果表明，对于非发泡(不添加碳化硅粉末、烷基糖苷和双氧水)的地聚合物材料，其密度大，气泡孔孔隙率非常小。但非发泡材料比泡沫材料抗压强度高，这得益于其基质间交联得到的致密结构。其表面和内部疏水角均大幅下降，约下降30°，说明微孔发泡对地聚合物材料实现超疏水性能有重要的作用。
对比实施例五的测试结果表明，对于不进行疏水改性(不添加聚二甲基硅氧烷和硅烷偶联剂)发泡的地聚合物材料，其表面和内部疏水角均小于20°。地聚合物材料本身具有很强的亲水性，是无机亲水材料。
对比实施例六的测试结果表明，对于不添加碳化硅粉末和短纤维的发泡疏水地聚合物，对比实施例其密度提高，其气泡孔孔隙率降低，说明碳化硅粉末能够促进材料的发泡作用。其表面和内部疏水角均在120°左右，有大幅的降低，说明没有短纤维对气泡合并的抑制，材料的增大的气泡孔结构不利于疏水性能的提高。其还失去了短纤维突起产生的微米级粗糙度，使材料的疏水性能降低。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种利用微孔发泡制备的超疏水地聚合物，其特征在于包括以下重量份数的原料：硅铝质矿物原料30-45份，碱激发剂35-50份，聚二甲基硅氧烷0.5-1.5份，硅烷偶联剂0.05-0.15份，碳化硅粉末2-5份，短纤维2-4份，烷基糖苷1-3份，双氧水1-3份。
2.根据权利要求1所述的利用微孔发泡制备的超疏水地聚合物，其特征在于：所述硅铝质矿物原料为复配材料，其包括偏高岭土15-20份，粉煤灰5-10份，硅灰10-15份。
3.根据权利要求1所述的利用微孔发泡制备的超疏水地聚合物，其特征在于：所述碱激发剂为复配材料，其包括固体氢氧化钠10-15份，硅酸钠溶液20-25份，去离子水5-10份，碱激发剂的总含水量为30％-50％。
4.根据权利要求1所述的利用微孔发泡制备的超疏水地聚合物，其特征在于：所述聚二甲基硅氧烷的粘度为50-200斯托克斯。
5.根据权利要求1所述的利用微孔发泡制备的超疏水地聚合物，其特征在于：所述碳化硅粉末为纳米级或微米级粉末，其粒径小于100微米。
6.根据权利要求1所述的利用微孔发泡制备的超疏水地聚合物，其特征在于：所述短纤维包括玄武岩纤维、碳纤维、氮化硅纤维、氧化铝纤维的一种或两种以上组合，其直径为5-50微米，长度为1-10毫米。
7.根据权利要求1所述的利用微孔发泡制备的超疏水地聚合物，其特征在于：所述双氧水为浓度为30％-50％的水溶液。
8.一种利用微孔发泡制备的超疏水地聚合物的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)将30-45份硅铝质矿物原料、2-5份碳化硅粉末和2-4份短纤维混合搅拌研磨30-60分钟，得到固体原料；
2)将35-50份碱激发剂、0.5-1.5份聚二甲基硅氧烷、0.05-0.15份硅烷偶联剂、1-3份烷基糖苷以600-1200转/分钟转速混合搅拌15-30分钟，得到杂化碱激发剂；
3)将步骤1)中得到的固体原料加入步骤2)中得到的杂化碱激发剂中，以600-1200转/分钟转速混合搅拌20-40分钟，得到地聚合物浆料；
4)将1-3份双氧水滴入步骤3)中得到的地聚合物浆料中，继续以1000-1200转/分钟搅拌20-40秒，得到发泡地聚合物浆料；
5)将步骤4)中得到的发泡地聚合物浆料放入模具养护，首先在25-60摄氏度的烘箱或真空干燥箱内保水养护24-48小时；经过脱模处理后，再在室温环境下自然养护3-14天，即得。
9.根据权利要求8所述的利用微孔发泡制备的超疏水地聚合物的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中碱激发剂配制时搅拌至均匀澄清，倒入塑料容器中密封保存12-24小时，备用。
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