CN114014601A - 耐碱隔热水泥砂浆及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了耐碱隔热水泥砂浆及其制备方法，所述制备方法由以下步骤组成：将石灰石、矿料、硅粉、玻璃填充纤维、聚乙二醇三甲氧基硅丙基醚、发泡剂、分散剂和水混合，然后搅拌，得到所述耐碱隔热水泥砂浆。本发明获得了保温隔热性能好、对碱耐性强的水泥砂浆。

Description

耐碱隔热水泥砂浆及其制备方法
技术领域
本发明涉及水泥砂浆技术领域，具体涉及耐碱隔热水泥砂浆及其制备方法。
背景技术
人们常常在水泥砂浆中添加一些具有保温、隔热能力的辅助材料作为实现保温隔热功能的一种常用技术手段，而这些应用于水泥行业中的保温隔热材料通常是以孔隙率高为基础特征的材料。陶瓷是一种常见的具有多孔结构的保温隔热材料，陶瓷可以加工成表面与内部具有致密气孔但彼此并不相连的连续蜂窝状结构，由此提升水泥材料的保温隔热性能。用这种多孔陶瓷作为填充骨料代替传统的高导热系数的砂石，可以改善水泥墙体的保温性能。但是，陶瓷骨料的表面常常是相较更为光滑，这使得它在与水泥砂浆共混搅拌的过程中，陶瓷骨料与水泥浆体之间表现出较差的相容性。不仅如此，现有技术中的陶瓷骨料往往具有较低密度，这使得陶瓷骨料在原料搅拌共混过程中非常容易发生上浮、与浆体分层割裂等问题，使得水泥砂浆难以搅拌均匀，严重影响水泥浆体在固化后的保温隔热性能以及施工效果。
玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料，以石英等矿材作为原料，经高温熔制、拉丝、络纱、织布等手段成型。玻璃纤维的单丝直径可达微米级别。玻璃纤维往往具有良好的绝缘性、很强的耐热性、良好的抗腐蚀性，较高的力学强度等优势，可作为辅助增强材料而用于水泥混凝土的原料体系中，在形成稳定复杂的交联结构后提高混凝土的稳定性。但是，现有技术中的玻璃纤维往往存在着在水泥基体中会发生侵蚀、脆化甚至开裂破坏等隐患，因此极其需要对现有的玻璃纤维制备手段进行改善处理，并且对水泥基体进行抗碱侵蚀性能提升，从而阻止混凝土遭受物理、化学侵蚀。
专利CN111777348A提供了一种耐碱性水泥混凝土用玄武岩纤维及其制备方法，以成膜剂、聚醋酸乙烯酯、表面活性剂、偶联剂、pH调节剂、抗静电剂、润滑剂作为主要成分，但其得到混凝土的耐碱性能未能满足市场需求，并且也没有解决保温隔热的问题。
发明内容
针对上述现有技术中存在的不足，本发明提供了耐碱隔热水泥砂浆及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
耐碱隔热水泥砂浆的制备方法，由以下步骤组成：将石灰石、矿料、硅粉、玻璃填充纤维、聚乙二醇三甲氧基硅丙基醚、发泡剂、分散剂和水混合，然后搅拌，得到所述耐碱隔热水泥砂浆。
优选的，耐碱隔热水泥砂浆的制备方法，由以下步骤组成：在20-30℃，将85-115重量份石灰石、40-62重量份矿料、21-27重量份硅粉、5-13重量份玻璃填充纤维、7-13重量份聚乙二醇三甲氧基硅丙基醚、1-5重量份发泡剂、1-5重量份分散剂和130-155重量份水混合，然后以80-100rpm的转速搅拌20-35min，得到所述耐碱隔热水泥砂浆。
所述矿料为高岭土、硅藻土、滑石粉中的至少一种。
优选的，所述矿料为高岭土、硅藻土、滑石粉以质量比(1-10):(1-6):(2-5)组成的混合物。
所述发泡剂为植物蛋白发泡剂、动物蛋白发泡剂、椰子油酸二乙醇酰胺、酪蛋白硼酸盐中的至少一种。
优选的，所述发泡剂为椰子油酸二乙醇酰胺、酪蛋白硼酸盐的混合物。
酪蛋白硼酸盐具有良好的发泡能力，可以搭配椰子油酸二乙醇酰胺使用使得所述耐碱隔热水泥砂浆获得丰富且细密、均匀的泡沫结构。由于空气具有高比热容和低导热系数，大量气泡空腔的存在可以显著降低水泥的导热系数，也就提高了水泥保温隔热的能力。并且，酪蛋白中的氨基与所述氨基硅氧烷、聚氨酯因为都含有氮元素而具有更高的亲和性和相容性，接入了聚氨酯基团的所述玻璃填充纤维可以增强酪蛋白硼酸盐的发泡能力，反过来酪蛋白硼酸盐也可增强所述玻璃填充纤维的保温隔热和耐碱性，产生了意料之外的技术效果。不仅如此，本发明采用的酪蛋白硼酸盐中的硼元素也与所述玻璃丝中的硼元素具有形成共价键，使得整个水泥材料体系具有更好的安定性，获得了意料之外的技术效果。
更优选的，所述发泡剂为椰子油酸二乙醇酰胺、酪蛋白硼酸盐以质量比(1-5):(3-12)组成的混合物。
所述分散剂为碱性木素、聚乙二醇单烯丙基醚、聚丙烯酰胺中的至少一种。
优选的，所述分散剂为碱性木素、聚乙二醇单烯丙基醚、聚丙烯酰胺以质量比(1-8.5):(1-7):(2-8)组成的混合物。
聚丙烯酰胺结构单元中含有酰胺基、易形成氢键，易通过接枝或交联的方式获得支链或网状结构的多种改性物。本发明将聚丙烯酰胺作为水泥分散剂之一，聚丙烯酰胺中的酰胺基与所述氨基硅氧烷、聚氨酯之间产生大量氢键，在本就具有丰富细密泡沫蜂窝结构的水泥基体中又进一步产生了丰富的支链以及强度很高的三维空间网状交联关系，提高了水泥的安定性、保温隔热性和耐碱性。并且，聚丙烯酰胺与酪蛋白硼酸盐共用增强了后者的发泡能力以及所得泡沫的稳定性，获得了丰富、细腻、均一、持久的泡沫，形成了具有良好保温隔热性能的蜂窝内部结构，获得了保温隔热性能更好的所述耐碱隔热水泥砂浆。
所述玻璃填充纤维的制备方法，由以下步骤组成：
F1将二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化镁、氧化铁、二氧化钛、氧化硼混合，然后投入行星式球磨机中球磨，得到预制料；
F2在氮气保护下熔炼所述预制料，然后投入拉丝机中拉制成丝，得到玻璃丝；
F3将聚氨酯、氨基硅氧烷、丙烯酸、水混合并均质，得到整理乳；
F4将所述玻璃丝、整理乳、马来酸酐聚合物混合，以超声波辅助反应，过滤后用水冲洗滤渣，经过热风干燥后，得到所述玻璃填充纤维。
硼原子的半径为90pm，其价电子结构为2s2p，这使得硼具有电离能高、电负性大和易形成共价键分子的特征。本发明将氧化硼与二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化镁、氧化铁、二氧化钛混合作为玻璃纤维的烧结原料，获得了热膨胀系数低、抗热震、耐热、耐腐蚀、力学强度高的玻璃纤维，并将其用于所述耐碱隔热水泥砂浆及其制备方法中，获得了一种隔热性能好、耐碱性能强的水泥砂浆。
传统的玻璃纤维强化水泥的制备工艺中是将玻璃增强纤维直接加入到水泥体系中，但由于玻璃相与水泥体系中的矿物彼此是具有不同晶格系数和不同晶界能的，这就使得所得到的水泥产品在固化以及后续服役过程中，由于环境温度、湿度等条件的变化而容易在水泥内部出现内应力，内应力的存在将使得材料的性质处于一个亚稳态，即材料有发生包括开裂等在内的形变现象以释放多余内应力的倾向，这无疑会带来巨大的安全隐患。
聚氨酯比PVC发泡材料具有更好的稳定性、化学耐性、回弹性、力学强度和更小的压缩变型率，并且聚氨酯还具有良好隔热、隔音、抗震性能。因此本发明利用氨基硅氧烷、丙烯酸等原料将聚氨酯对所得玻璃纤维的表面进行改性处理，使得玻璃纤维借助聚氨酯的分子结构而与水泥体系之间的相容性增强，在提高水泥安定性的同时减小水泥的导热系数，提高水泥的保温隔热能力。
优选的，所述玻璃填充纤维的制备方法，由以下步骤组成：
F1在20-30℃，将二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化镁、氧化铁、二氧化钛、氧化硼以质量比(58-63.2):(10.4-12.7):(21.5-25.8):(1.1-3.2):(0.1-0.7):(0.2-0.9):(0.3-1)混合，然后投入行星式球磨机中以300-500rpm的转速球磨5-8h，磨球材质为烧结刚玉，球料比为(12-15):1，得到预制料；
F2在氮气保护下，将所述预制料在1640-1645℃熔炼2.5-4h，然后投入拉丝机中拉制成丝，拉丝速度为90-110m/min，得到直径为8-10μm的玻璃丝；
F3将聚氨酯、氨基硅氧烷、丙烯酸、水以质量比(1-1.4):(3.5-4):(2.5-3):(4-6)在48-55℃以4000-5000rpm的转速均质10-20min，得到整理乳；
F4将所述玻璃丝、整理乳、马来酸酐聚合物以质量比(4.5-5.5):(7.5-9):(0.75-0.9)混合并在79-83℃条件下以频率为38-42kHz、功率为300-330W的超声波辅助反应230-280min，过滤后用温度为43-48℃、流速为1-2L/min水冲洗滤渣10-15min，再以温度为75-80℃、风量为6000-7000m3/h的工作条件热风干燥2-3h，得到所述玻璃填充纤维。
所述氨基硅氧烷为N-(3-丙烯酰氧基-2-羟丙基)-3-氨丙基三乙氧基硅烷、3-(3-氨基苯氧基)丙基三甲氧基硅烷、N-(2-氨乙基)-3-氨丙基甲基二乙氧基硅烷中的至少一种。
氨基硅氧烷为N-(3-丙烯酰氧基-2-羟丙基)-3-氨丙基三乙氧基硅烷、3-(3-氨基苯氧基)丙基三甲氧基硅烷、N-(2-氨乙基)-3-氨丙基甲基二乙氧基硅烷中含有的氨基以及它们分别独有的分子量和分子构型，使得它们在接枝到所述玻璃纤维表面后可以进一步与聚氨酯中的碳氮键相连，二者所含有的氮元素共用电子云使得所述氨基硅氧烷与聚氨酯之间的交联强度进一步提升。
优选的，所述氨基硅氧烷为N-(3-丙烯酰氧基-2-羟丙基)-3-氨丙基三乙氧基硅烷、3-(3-氨基苯氧基)丙基三甲氧基硅烷、N-(2-氨乙基)-3-氨丙基甲基二乙氧基硅烷以质量比(3-5):(4-6):(5-9)组成的混合物。
所述马来酸酐聚合物为苯乙烯-马来酸酐无规共聚物、蓖麻子油与马来酸酐的聚合物中的至少一种。
苯乙烯-马来酸酐无规共聚物中的苯结构、蓖麻子油与马来酸酐的聚合物中长碳链可以增强所述玻璃填充纤维与椰子油酸二乙醇酰胺和聚乙二醇单烯丙基醚中的非极性基团之间的相容度，从而改性所得玻璃填充纤维在水泥基体中的分散性，避免由于引入聚氨酯而可能带来的团聚现象，使得所述砂浆在固化之后获得更加均一、各向同性的结构，避免后续服役过程中随着包括温度、湿度、压力等在内的外界条件的变动而可能产生的内应力甚至是破坏形变。
优选的，所述马来酸酐聚合物为苯乙烯-马来酸酐无规共聚物、蓖麻子油与马来酸酐的聚合物以质量比(1-3):(1-3)组成的混合物。
该两种马来酸酐聚合物中含有的碳碳双键分别处于不同的分子构型中而使得在将该两种马来酸酐聚合物复配用于制备所述玻璃填充纤维时，进一步增强聚氨酯与所述氨基硅氧烷的交联复杂度，通过改善接枝基团的能量状态来改善所述玻璃填充纤维与水泥体系之间的相容性，改善了所述玻璃填充纤维的分散情况，使得所述砂浆在固化之后获得更加均一、各向同性的结构，获得了丰富、细腻、均一、持久的泡沫，形成了具有良好保温隔热性能的蜂窝内部结构，获得了保温隔热性能更好的所述耐碱隔热水泥砂浆，获得了意想不到的技术效果。
更优选的，所述马来酸酐聚合物为苯乙烯-马来酸酐无规共聚物、蓖麻子油与马来酸酐的聚合物以质量比1:1.2组成的混合物。
本发明的有益效果：
1、提供了一种耐碱隔热水泥砂浆及其制备方法，将石灰石、矿料、硅粉、玻璃填充纤维、聚乙二醇三甲氧基硅丙基醚、发泡剂、分散剂和水混合，然后搅拌，得到所述耐碱隔热水泥砂浆，其中采用了由本发明特定方法制得的玻璃填充纤维，显著提高了所得水泥砂浆的保温隔热性能和耐碱性能。
2、提供了一种玻璃填充纤维及其制备方法，以二氧化硅、氧化铝、氧化硼、聚氨酯、氨基硅氧烷和马来酸酐聚合物作为原料，得到了导热系数更小、耐碱性能更好的玻璃填充纤维，可以用于所述耐碱隔热水泥砂浆及其制备方法中。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的上述发明内容作进一步详细描述，但不该将此理解成本发明上述主题的范围仅限于下述实施例。
本申请中部分原料的介绍：
石灰石，CAS号：1317-65-3，长兴青盛钙业有限公司，目数：200，执行标准：GB/T30190-2013《石灰石粉混凝土》。
高岭土，CAS号：1318-74-7，上海缘江化工有限公司，目数：150目，执行标准：JC/T2370-2016《精细高岭土》。
硅藻土，CAS号：68855-54-9，济南双盈化工有限公司，目数：100目，执行标准：JC/T414-2017《硅藻土》。
滑石粉，CAS号：14807-96-6，长兴晨明化工有限公司，目数：400目，执行标准：GB/T15342-2012《滑石粉》。
硅粉，CAS号：7440-21-3，山东坦领建筑材料有限公司，目数：600目，执行标准：DL/T 5777-2018《水工混凝土掺用硅粉技术规范》。
聚乙二醇三甲氧基硅丙基醚，CSA号：98358-37-3，曲阜易顺化工有限公司，分子量：2万。
椰子油酸二乙醇酰胺，CAS号：68603-42-9，湖北万得化工有限公司。
酪蛋白硼酸盐，CAS号：68131-51-1，武汉普洛夫生物科技有限公司，分子量：2.3万。
碱性木素，CAS号：8068-05-1，上海紫一试剂厂，货号：093932，分子量：505.01。
聚乙二醇单烯丙基醚，CAS号：27274-31-3，湖北楚烁生物科技有限公司，分子量:102.1317。
聚丙烯酰胺，CAS号：9003-05-8，成都市赫邦化工有限公司，分子量：830万。
二氧化硅，CAS号：7631-86-9，如皋市飞达化工厂，粒径：200目。
氧化铝，CAS号：1302-74-5，如皋市飞达化工厂，粒径：200目。
氧化钙，CAS号：1305-78-8，如皋市飞达化工厂，粒径：250目。
氧化镁，CAS号：1309-48-4，如皋市飞达化工厂，粒径：200目。
氧化铁，CAS号：1332-37-2，如皋市飞达化工厂，粒径：150目。
二氧化钛，CAS号：1317-80-2，如皋市飞达化工厂，粒径：400目。
氧化硼，CAS号：1303-86-2，如皋市飞达化工厂，粒径：100目。
聚氨酯，CAS号：9009-54-5，山东英凯聚氨酯有限公司，分子量：3万。
N-(3-丙烯酰氧基-2-羟丙基)-3-氨丙基三乙氧基硅烷，CAS号：123198-57-2，上海迈瑞尔化学技术有限公司。
3-(3-氨基苯氧基)丙基三甲氧基硅烷，CAS号：55648-29-8，上海迈瑞尔化学技术有限公司。
N-(2-氨乙基)-3-氨丙基甲基二乙氧基硅烷，CAS号：70240-34-5，上海迈瑞尔化学技术有限公司。
苯乙烯-马来酸酐无规共聚物，CAS号：31959-78-1，分子量：1.7万，天门恒昌化工有限公司。
蓖麻子油与马来酸酐的聚合物，CAS号：68308-83-8，分子量：2.4万，天门恒昌化工有限公司。
市售玻璃丝，山东森泓工程材料有限公司，货号：5575，纤维长度：15mm，纤维直径：10μm，弹性模量：80GPa，软化点：860℃。
实施例1
耐碱隔热水泥砂浆的制备方法，由以下步骤组成：在22℃，将100重量份石灰石、50重量份矿料、25重量份硅粉、10重量份聚乙二醇三甲氧基硅丙基醚、3重量份发泡剂、3重量份分散剂和145重量份水混合，然后以100rpm的转速搅拌25min，得到所述耐碱隔热水泥砂浆。
所述矿料为高岭土、硅藻土、滑石粉以质量比4:3:4组成的混合物。
所述发泡剂为椰子油酸二乙醇酰胺、酪蛋白硼酸盐以质量比4:7组成的混合物。
所述分散剂为碱性木素、聚乙二醇单烯丙基醚、聚丙烯酰胺以质量比5:2:3组成的混合物。
实施例2
耐碱隔热水泥砂浆的制备方法，由以下步骤组成：在22℃，将100重量份石灰石、50重量份矿料、25重量份硅粉、10重量份玻璃填充纤维、10重量份聚乙二醇三甲氧基硅丙基醚、3重量份发泡剂、3重量份分散剂和145重量份水混合，然后以100rpm的转速搅拌25min，得到所述耐碱隔热水泥砂浆。
所述矿料为高岭土、硅藻土、滑石粉以质量比4:3:4组成的混合物。
所述发泡剂为椰子油酸二乙醇酰胺、酪蛋白硼酸盐以质量比4:7组成的混合物。
所述分散剂为碱性木素、聚乙二醇单烯丙基醚、聚丙烯酰胺以质量比5:2:3组成的混合物。
所述玻璃填充纤维的制备方法，由以下步骤组成：
F1将聚氨酯、氨基硅氧烷、丙烯酸、水以质量比1.2:3.8:2.7:4.6在50℃以5000rpm的转速均质15min，得到整理乳；
F2将市售玻璃丝、整理乳、马来酸酐聚合物以质量比5:8:0.85混合并在80℃条件下以频率为40kHz、功率为310W的超声波辅助反应250min，过滤后用温度为45℃、流速为1L/min水冲洗滤渣10min，再以温度为80℃、风量为7000m3/h的工作条件热风干燥2h，得到所述玻璃填充纤维。
所述氨基硅氧烷为N-(3-丙烯酰氧基-2-羟丙基)-3-氨丙基三乙氧基硅烷、3-(3-氨基苯氧基)丙基三甲氧基硅烷、N-(2-氨乙基)-3-氨丙基甲基二乙氧基硅烷以质量比4:5:7组成的混合物。
所述马来酸酐聚合物为苯乙烯-马来酸酐无规共聚物。
实施例3
耐碱隔热水泥砂浆的制备方法，由以下步骤组成：在22℃，将100重量份石灰石、50重量份矿料、25重量份硅粉、10重量份玻璃填充纤维、10重量份聚乙二醇三甲氧基硅丙基醚、3重量份发泡剂、3重量份分散剂和145重量份水混合，然后以100rpm的转速搅拌25min，得到所述耐碱隔热水泥砂浆。
所述矿料为高岭土、硅藻土、滑石粉以质量比4:3:4组成的混合物。
所述发泡剂为椰子油酸二乙醇酰胺、酪蛋白硼酸盐以质量比4:7组成的混合物。
所述分散剂为碱性木素、聚乙二醇单烯丙基醚、聚丙烯酰胺以质量比5:2:3组成的混合物。
所述玻璃填充纤维的制备方法，由以下步骤组成：
F1在22℃，将二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化镁、氧化铁、二氧化钛、氧化硼以质量比60:11:24:2:0.6:0.7:0.8混合，然后投入行星式球磨机中以500rpm的转速球磨6h，磨球材质为烧结刚玉，球料比为14:1，得到预制料；
F2在氮气保护下，将所述预制料在1642℃熔炼3h，然后投入拉丝机中拉制成丝，拉丝速度为100m/min，得到直径为9μm的所述玻璃填充纤维。
所述氨基硅氧烷为N-(3-丙烯酰氧基-2-羟丙基)-3-氨丙基三乙氧基硅烷、3-(3-氨基苯氧基)丙基三甲氧基硅烷、N-(2-氨乙基)-3-氨丙基甲基二乙氧基硅烷以质量比4:5:7组成的混合物。
所述马来酸酐聚合物为苯乙烯-马来酸酐无规共聚物。
实施例4
耐碱隔热水泥砂浆的制备方法，由以下步骤组成：在22℃，将100重量份石灰石、50重量份矿料、25重量份硅粉、10重量份玻璃填充纤维、10重量份聚乙二醇三甲氧基硅丙基醚、3重量份发泡剂、3重量份分散剂和145重量份水混合，然后以100rpm的转速搅拌25min，得到所述耐碱隔热水泥砂浆。
所述矿料为高岭土、硅藻土、滑石粉以质量比4:3:4组成的混合物。
所述发泡剂为椰子油酸二乙醇酰胺、酪蛋白硼酸盐以质量比4:7组成的混合物。
所述分散剂为碱性木素、聚乙二醇单烯丙基醚、聚丙烯酰胺以质量比5:2:3组成的混合物。
所述玻璃填充纤维的制备方法，由以下步骤组成：
F1在22℃，将二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化镁、氧化铁、二氧化钛、氧化硼以质量比60:11:24:2:0.6:0.7:0.8混合，然后投入行星式球磨机中以500rpm的转速球磨6h，磨球材质为烧结刚玉，球料比为14:1，得到预制料；
F2在氮气保护下，将所述预制料在1642℃熔炼3h，然后投入拉丝机中拉制成丝，拉丝速度为100m/min，得到直径为9μm的玻璃丝；
F3将聚氨酯、三乙氧基硅烷、丙烯酸、水以质量比1.2:3.8:2.7:4.6在50℃以5000rpm的转速均质15min，得到整理乳；
F4将所述玻璃丝、整理乳、马来酸酐聚合物以质量比5:8:0.85混合并在80℃条件下以频率为40kHz、功率为310W的超声波辅助反应250min，过滤后用温度为45℃、流速为1L/min水冲洗滤渣10min，再以温度为80℃、风量为7000m3/h的工作条件热风干燥2h，得到所述玻璃填充纤维。
所述马来酸酐聚合物为苯乙烯-马来酸酐无规共聚物。
实施例5
耐碱隔热水泥砂浆的制备方法，由以下步骤组成：在22℃，将100重量份石灰石、50重量份矿料、25重量份硅粉、10重量份玻璃填充纤维、10重量份聚乙二醇三甲氧基硅丙基醚、3重量份发泡剂、3重量份分散剂和145重量份水混合，然后以100rpm的转速搅拌25min，得到所述耐碱隔热水泥砂浆。
所述矿料为高岭土、硅藻土、滑石粉以质量比4:3:4组成的混合物。
所述发泡剂为椰子油酸二乙醇酰胺、酪蛋白硼酸盐以质量比4:7组成的混合物。
所述分散剂为碱性木素、聚乙二醇单烯丙基醚以质量比5:2组成的混合物。
所述玻璃填充纤维的制备方法，由以下步骤组成：
F1在22℃，将二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化镁、氧化铁、二氧化钛、氧化硼以质量比60:11:24:2:0.6:0.7:0.8混合，然后投入行星式球磨机中以500rpm的转速球磨6h，磨球材质为烧结刚玉，球料比为14:1，得到预制料；
F2在氮气保护下，将所述预制料在1642℃熔炼3h，然后投入拉丝机中拉制成丝，拉丝速度为100m/min，得到直径为9μm的玻璃丝；
F3将聚氨酯、氨基硅氧烷、丙烯酸、水以质量比1.2:3.8:2.7:4.6在50℃以5000rpm的转速均质15min，得到整理乳；
F4将所述玻璃丝、整理乳、马来酸酐聚合物以质量比5:8:0.85混合并在80℃条件下以频率为40kHz、功率为310W的超声波辅助反应250min，过滤后用温度为45℃、流速为1L/min水冲洗滤渣10min，再以温度为80℃、风量为7000m3/h的工作条件热风干燥2h，得到所述玻璃填充纤维。
所述氨基硅氧烷为N-(3-丙烯酰氧基-2-羟丙基)-3-氨丙基三乙氧基硅烷、3-(3-氨基苯氧基)丙基三甲氧基硅烷、N-(2-氨乙基)-3-氨丙基甲基二乙氧基硅烷以质量比4:5:7组成的混合物。
所述马来酸酐聚合物为苯乙烯-马来酸酐无规共聚物。
实施例6
耐碱隔热水泥砂浆的制备方法，由以下步骤组成：在22℃，将100重量份石灰石、50重量份矿料、25重量份硅粉、10重量份玻璃填充纤维、10重量份聚乙二醇三甲氧基硅丙基醚、3重量份发泡剂、3重量份分散剂和145重量份水混合，然后以100rpm的转速搅拌25min，得到所述耐碱隔热水泥砂浆。
所述矿料为高岭土、硅藻土、滑石粉以质量比4:3:4组成的混合物。
所述发泡剂为椰子油酸二乙醇酰胺。
所述分散剂为碱性木素、聚乙二醇单烯丙基醚、聚丙烯酰胺以质量比5:2:3组成的混合物。
所述玻璃填充纤维的制备方法，由以下步骤组成：
F1在22℃，将二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化镁、氧化铁、二氧化钛、氧化硼以质量比60:11:24:2:0.6:0.7:0.8混合，然后投入行星式球磨机中以500rpm的转速球磨6h，磨球材质为烧结刚玉，球料比为14:1，得到预制料；
F2在氮气保护下，将所述预制料在1642℃熔炼3h，然后投入拉丝机中拉制成丝，拉丝速度为100m/min，得到直径为9μm的玻璃丝；
F3将聚氨酯、氨基硅氧烷、丙烯酸、水以质量比1.2:3.8:2.7:4.6在50℃以5000rpm的转速均质15min，得到整理乳；
F4将所述玻璃丝、整理乳、马来酸酐聚合物以质量比5:8:0.85混合并在80℃条件下以频率为40kHz、功率为310W的超声波辅助反应250min，过滤后用温度为45℃、流速为1L/min水冲洗滤渣10min，再以温度为80℃、风量为7000m3/h的工作条件热风干燥2h，得到所述玻璃填充纤维。
所述氨基硅氧烷为N-(3-丙烯酰氧基-2-羟丙基)-3-氨丙基三乙氧基硅烷、3-(3-氨基苯氧基)丙基三甲氧基硅烷、N-(2-氨乙基)-3-氨丙基甲基二乙氧基硅烷以质量比4:5:7组成的混合物。
所述马来酸酐聚合物为苯乙烯-马来酸酐无规共聚物。
实施例7
耐碱隔热水泥砂浆的制备方法，由以下步骤组成：在22℃，将100重量份石灰石、50重量份矿料、25重量份硅粉、10重量份玻璃填充纤维、10重量份聚乙二醇三甲氧基硅丙基醚、3重量份发泡剂、3重量份分散剂和145重量份水混合，然后以100rpm的转速搅拌25min，得到所述耐碱隔热水泥砂浆。
所述矿料为高岭土、硅藻土、滑石粉以质量比4:3:4组成的混合物。
所述发泡剂为椰子油酸二乙醇酰胺、酪蛋白硼酸盐以质量比4:7组成的混合物。
所述分散剂为碱性木素、聚乙二醇单烯丙基醚、聚丙烯酰胺以质量比5:2:3组成的混合物。
所述玻璃填充纤维的制备方法，由以下步骤组成：
F1在22℃，将二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化镁、氧化铁、二氧化钛、氧化硼以质量比60:11:24:2:0.6:0.7:0.8混合，然后投入行星式球磨机中以500rpm的转速球磨6h，磨球材质为烧结刚玉，球料比为14:1，得到预制料；
F2在氮气保护下，将所述预制料在1642℃熔炼3h，然后投入拉丝机中拉制成丝，拉丝速度为100m/min，得到直径为9μm的玻璃丝；
F3将聚氨酯、氨基硅氧烷、丙烯酸、水以质量比1.2:3.8:2.7:4.6在50℃以5000rpm的转速均质15min，得到整理乳；
F4将所述玻璃丝、整理乳、马来酸酐聚合物以质量比5:8:0.85混合并在80℃条件下以频率为40kHz、功率为310W的超声波辅助反应250min，过滤后用温度为45℃、流速为1L/min水冲洗滤渣10min，再以温度为80℃、风量为7000m3/h的工作条件热风干燥2h，得到所述玻璃填充纤维。
所述氨基硅氧烷为N-(3-丙烯酰氧基-2-羟丙基)-3-氨丙基三乙氧基硅烷、3-(3-氨基苯氧基)丙基三甲氧基硅烷、N-(2-氨乙基)-3-氨丙基甲基二乙氧基硅烷以质量比4:5:7组成的混合物。
所述马来酸酐聚合物为蓖麻子油与马来酸酐的聚合物。
实施例8
耐碱隔热水泥砂浆的制备方法，由以下步骤组成：在22℃，将100重量份石灰石、50重量份矿料、25重量份硅粉、10重量份玻璃填充纤维、10重量份聚乙二醇三甲氧基硅丙基醚、3重量份发泡剂、3重量份分散剂和145重量份水混合，然后以100rpm的转速搅拌25min，得到所述耐碱隔热水泥砂浆。
所述矿料为高岭土、硅藻土、滑石粉以质量比4:3:4组成的混合物。
所述发泡剂为椰子油酸二乙醇酰胺、酪蛋白硼酸盐以质量比4:7组成的混合物。
所述分散剂为碱性木素、聚乙二醇单烯丙基醚、聚丙烯酰胺以质量比5:2:3组成的混合物。
所述玻璃填充纤维的制备方法，由以下步骤组成：
F1在22℃，将二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化镁、氧化铁、二氧化钛、氧化硼以质量比60:11:24:2:0.6:0.7:0.8混合，然后投入行星式球磨机中以500rpm的转速球磨6h，磨球材质为烧结刚玉，球料比为14:1，得到预制料；
F2在氮气保护下，将所述预制料在1642℃熔炼3h，然后投入拉丝机中拉制成丝，拉丝速度为100m/min，得到直径为9μm的玻璃丝；
F3将聚氨酯、氨基硅氧烷、丙烯酸、水以质量比1.2:3.8:2.7:4.6在50℃以5000rpm的转速均质15min，得到整理乳；
F4将所述玻璃丝、整理乳、马来酸酐聚合物以质量比5:8:0.85混合并在80℃条件下以频率为40kHz、功率为310W的超声波辅助反应250min，过滤后用温度为45℃、流速为1L/min水冲洗滤渣10min，再以温度为80℃、风量为7000m3/h的工作条件热风干燥2h，得到所述玻璃填充纤维。
所述氨基硅氧烷为N-(3-丙烯酰氧基-2-羟丙基)-3-氨丙基三乙氧基硅烷、3-(3-氨基苯氧基)丙基三甲氧基硅烷、N-(2-氨乙基)-3-氨丙基甲基二乙氧基硅烷以质量比4:5:7组成的混合物。
所述马来酸酐聚合物为苯乙烯-马来酸酐无规共聚物。
实施例9
耐碱隔热水泥砂浆的制备方法，由以下步骤组成：在22℃，将100重量份石灰石、50重量份矿料、25重量份硅粉、10重量份玻璃填充纤维、10重量份聚乙二醇三甲氧基硅丙基醚、3重量份发泡剂、3重量份分散剂和145重量份水混合，然后以100rpm的转速搅拌25min，得到所述耐碱隔热水泥砂浆。
所述矿料为高岭土、硅藻土、滑石粉以质量比4:3:4组成的混合物。
所述发泡剂为椰子油酸二乙醇酰胺、酪蛋白硼酸盐以质量比4:7组成的混合物。
所述分散剂为碱性木素、聚乙二醇单烯丙基醚、聚丙烯酰胺以质量比5:2:3组成的混合物。
所述玻璃填充纤维的制备方法，由以下步骤组成：
F1在22℃，将二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化镁、氧化铁、二氧化钛、氧化硼以质量比60:11:24:2:0.6:0.7:0.8混合，然后投入行星式球磨机中以500rpm的转速球磨6h，磨球材质为烧结刚玉，球料比为14:1，得到预制料；
F2在氮气保护下，将所述预制料在1642℃熔炼3h，然后投入拉丝机中拉制成丝，拉丝速度为100m/min，得到直径为9μm的玻璃丝；
F3将聚氨酯、氨基硅氧烷、丙烯酸、水以质量比1.2:3.8:2.7:4.6在50℃以5000rpm的转速均质15min，得到整理乳；
F4将所述玻璃丝、整理乳、马来酸酐聚合物以质量比5:8:0.85混合并在80℃条件下以频率为40kHz、功率为310W的超声波辅助反应250min，过滤后用温度为45℃、流速为1L/min水冲洗滤渣10min，再以温度为80℃、风量为7000m3/h的工作条件热风干燥2h，得到所述玻璃填充纤维。
所述氨基硅氧烷为N-(3-丙烯酰氧基-2-羟丙基)-3-氨丙基三乙氧基硅烷、3-(3-氨基苯氧基)丙基三甲氧基硅烷、N-(2-氨乙基)-3-氨丙基甲基二乙氧基硅烷以质量比4:5:7组成的混合物。
所述马来酸酐聚合物为苯乙烯-马来酸酐无规共聚物、蓖麻子油与马来酸酐的聚合物以质量比1:1.2组成的混合物。
测试例1
耐碱测试：根据GB/T 38143-2019《水泥混凝土和砂浆用耐碱玻璃填充纤维》测试由本发明实施例2-9所得玻璃填充纤维的的耐碱强力保留率。
试样的长度为35mm。将试样放置在温度为50℃的烘箱中烘干1h。拉伸试验机的拉伸速度为1mm/min。
每个实施例均取20个不同试样进行试验，试验结果取平均值。测试结果如表1所示。
表1玻璃填充纤维的的耐碱强力保留率
Figure BDA0003394006680000151
Figure BDA0003394006680000161
硼原子的半径为90pm，其价电子结构为2s2p，这使得硼具有电离能高、电负性大和易形成共价键分子的特征。本发明将氧化硼与二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化镁、氧化铁、二氧化钛混合作为玻璃纤维的烧结原料，获得了热膨胀系数低、抗热震、耐热、耐腐蚀、力学强度高的玻璃纤维，并将其用于所述耐碱隔热水泥砂浆及其制备方法中，获得了一种隔热性能好、耐碱性能强的水泥砂浆。聚氨酯具有良好的耐碱性能，以N-(3-丙烯酰氧基-2-羟丙基)-3-氨丙基三乙氧基硅烷、3-(3-氨基苯氧基)丙基三甲氧基硅烷、N-(2-氨乙基)-3-氨丙基甲基二乙氧基硅烷组成的所述氨基硅氧烷中含有的氨基以及它们分别独有的分子量和分子构型，使得它们在连同聚氨酯一起接枝到所述玻璃填充纤维的表面后，可以进一步与聚氨酯中的碳氮键相连，二者所含有的氮元素共用电子云使得所述玻璃填充纤维的自由能降低，使得所述玻璃填充纤维和所得水泥的能量状态趋于更低能量、更稳定，表现之一就是对碱的耐性提升。本发明所采用的两种马来酸酐聚合物中含有的碳碳双键分别处于不同的分子构型中，使得而使得该两种马来酸酐聚合物复配用于制备所述玻璃填充纤维时，进一步增强聚氨酯与所述氨基硅氧烷的交联程度，改善了接枝基团的能态，进一步表现为增强了所述玻璃填充纤维以及所得水泥的包括耐碱性在内的化学抗性。
测试例2
隔热测试：根据GB/T 32064-2015《建筑用材料导热系数和热扩散系数瞬态平面热源测试法》测定由本发明中的实施例1-9所得耐碱隔热水泥砂浆的导热系数，以导热系数作为衡量隔热能力的指标。
将本发明实施例1-9所得耐碱隔热水泥砂浆以常规浇筑方式(浇筑环境的温度为23℃，相对湿度为50％)获得长度为10cm、宽度为10cm、厚度为2cm的块状试样。所述耐碱隔热水泥砂浆在浇筑完成后在温度为23℃、相对湿度为50％的环境中调节，从开始浇筑到调节完毕总共用时7d。
试验环境温度为25℃，相对湿度为55％。每个实施例均取5个不同试样进行试验，试验结果取平均值。测试结果如表2所示。
表2耐碱隔热水泥砂浆的隔热能力
导热系数(W/(m·K))
实施例1 0.064
实施例2 0.040
实施例3 0.052
实施例4 0.036
实施例5 0.033
实施例6 0.037
实施例7 0.031
实施例8 0.028
实施例9 0.026
传统的玻璃纤维强化水泥的制备工艺中是将玻璃增强纤维直接加入到水泥体系中，但由于玻璃相与水泥体系中的矿物彼此是具有不同晶格系数和不同晶界能的，这就使得所得到的水泥产品在固化以及后续服役过程中，由于环境温度、湿度等条件的变化而容易在水泥内部出现内应力，内应力的存在将使得材料的性质处于一个亚稳态，即材料有发生包括开裂等在内的形变现象以释放多余内应力的倾向，这无疑会带来巨大的安全隐患。聚氨酯比PVC发泡材料具有更好的稳定性、化学耐性、回弹性、力学强度和更小的压缩变型率，并且聚氨酯还具有良好隔热、隔音、抗震性能。因此本发明利用氨基硅氧烷、丙烯酸等原料将聚氨酯对所得玻璃纤维的表面进行改性处理，使得玻璃纤维借助聚氨酯的分子结构而与水泥体系之间的相容性增强，在提高水泥安定性的同时减小水泥的导热系数，提高水泥的保温隔热能力。氨基硅氧烷为N-(3-丙烯酰氧基-2-羟丙基)-3-氨丙基三乙氧基硅烷、3-(3-氨基苯氧基)丙基三甲氧基硅烷、N-(2-氨乙基)-3-氨丙基甲基二乙氧基硅烷中含有的氨基以及它们分别独有的分子量和分子构型，使得它们在接枝到所述玻璃纤维表面后可以进一步与聚氨酯中的碳氮键相连，二者所含有的氮元素共用电子云使得所述氨基硅氧烷与聚氨酯之间的交联强度进一步提升。酪蛋白硼酸盐具有良好的发泡能力，可以搭配椰子油酸二乙醇酰胺使用使得所述耐碱隔热水泥砂浆获得丰富且细密、均匀的泡沫结构。由于空气具有高比热容和低导热系数，大量气泡空腔的存在可以显著降低水泥的导热系数，也就提高了水泥保温隔热的能力。并且，酪蛋白中的氨基与所述氨基硅氧烷、聚氨酯因为都含有氮元素而具有更高的亲和性和相容性，接入了聚氨酯基团的所述玻璃填充纤维可以增强酪蛋白硼酸盐的发泡能力，反过来酪蛋白硼酸盐也可增强所述玻璃填充纤维的保温隔热和耐碱性，产生了意料之外的技术效果。不仅如此，本发明采用的酪蛋白硼酸盐中的硼元素也与所述玻璃丝中的硼元素具有形成共价键，使得整个水泥材料体系具有更好的安定性，获得了意料之外的技术效果。聚丙烯酰胺结构单元中含有酰胺基、易形成氢键，易通过接枝或交联的方式获得支链或网状结构的多种改性物。本发明将聚丙烯酰胺作为水泥分散剂之一，聚丙烯酰胺中的酰胺基与所述氨基硅氧烷、聚氨酯之间产生大量氢键，在本就具有丰富细密泡沫蜂窝结构的水泥基体中又进一步产生了丰富的支链以及强度很高的三维空间网状交联关系，提高了水泥的安定性、保温隔热性和耐碱性。并且，聚丙烯酰胺与酪蛋白硼酸盐共用增强了后者的发泡能力以及所得泡沫的稳定性，获得了丰富、细腻、均一、持久的泡沫，形成了具有良好保温隔热性能的蜂窝内部结构，获得了保温隔热性能更好的所述耐碱隔热水泥砂浆。苯乙烯-马来酸酐无规共聚物中的苯结构、蓖麻子油与马来酸酐的聚合物中长碳链可以增强所述玻璃填充纤维与椰子油酸二乙醇酰胺和聚乙二醇单烯丙基醚中的非极性基团之间的相容度，从而改性所得玻璃填充纤维在水泥基体中的分散性，避免由于引入聚氨酯而可能带来的团聚现象，使得所述砂浆在固化之后获得更加均一、各向同性的结构，避免后续服役过程中随着包括温度、湿度、压力等在内的外界条件的变动而可能产生的内应力甚至是破坏形变。该两种马来酸酐聚合物中含有的碳碳双键分别处于不同的分子构型中而使得在将该两种马来酸酐聚合物复配用于制备所述玻璃填充纤维时，进一步增强聚氨酯与所述氨基硅氧烷的交联复杂度，通过改善接枝基团的能量状态来改善所述玻璃填充纤维与水泥体系之间的相容性，改善了所述玻璃填充纤维的分散情况，使得所述砂浆在固化之后获得更加均一、各向同性的结构，获得了丰富、细腻、均一、持久的泡沫，形成了具有良好保温隔热性能的蜂窝内部结构，获得了保温隔热性能更好的所述耐碱隔热水泥砂浆，获得了意想不到的技术效果。

Claims (9)

1.耐碱隔热水泥砂浆的制备方法，其特征在于，由以下步骤组成：将石灰石、矿料、硅粉、玻璃填充纤维、聚乙二醇三甲氧基硅丙基醚、发泡剂、分散剂和水混合，然后搅拌，得到所述耐碱隔热水泥砂浆。
2.如权利要求1所述耐碱隔热水泥砂浆的制备方法，其特征在于：将85-115重量份石灰石、40-62重量份矿料、21-27重量份硅粉、5-13重量份玻璃填充纤维、7-13重量份聚乙二醇三甲氧基硅丙基醚、1-5重量份发泡剂、1-5重量份分散剂和130-155重量份水混合。
3.如权利要求1或2所述耐碱隔热水泥砂浆的制备方法，其特征在于：所述矿料为高岭土、硅藻土、滑石粉中的至少一种。
4.如权利要求1或2所述耐碱隔热水泥砂浆的制备方法，其特征在于：所述发泡剂为植物蛋白发泡剂、动物蛋白发泡剂、椰子油酸二乙醇酰胺、酪蛋白硼酸盐中的至少一种。
5.如权利要求1或2所述耐碱隔热水泥砂浆的制备方法，其特征在于：所述分散剂为碱性木素、聚乙二醇单烯丙基醚、聚丙烯酰胺中的至少一种。
6.如权利要求1或2所述耐碱隔热水泥砂浆的制备方法，其特征在于，所述玻璃填充纤维的制备方法，由以下步骤组成：
F1将二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化镁、氧化铁、二氧化钛、氧化硼混合，然后投入行星式球磨机中球磨，得到预制料；
F2在氮气保护下熔炼所述预制料，然后投入拉丝机中拉制成丝，得到玻璃丝；
F3将聚氨酯、氨基硅氧烷、丙烯酸、水混合并均质，得到整理乳；
F4将所述玻璃丝、整理乳、马来酸酐聚合物混合，以超声波辅助反应，过滤后用水冲洗滤渣，经过热风干燥后，得到所述玻璃填充纤维。
7.如权利要求6所述耐碱隔热水泥砂浆的制备方法，其特征在于：所述氨基硅氧烷为N-(3-丙烯酰氧基-2-羟丙基)-3-氨丙基三乙氧基硅烷、3-(3-氨基苯氧基)丙基三甲氧基硅烷、N-(2-氨乙基)-3-氨丙基甲基二乙氧基硅烷中的至少一种。
8.如权利要求6所述耐碱隔热水泥砂浆的制备方法，其特征在于：所述马来酸酐聚合物为苯乙烯-马来酸酐无规共聚物、蓖麻子油与马来酸酐的聚合物中的至少一种。
9.耐碱隔热水泥砂浆，其特征在于：由权利要求1-8中任一项所述耐碱隔热水泥砂浆的制备方法得到。
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