CN114195418B - 一种高强度自修复胶囊及其生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明属于混凝土自修复领域，涉及一种高强度自修复胶囊及其生产工艺，包括：修复剂和麦芽糖。包括：将水泥、硅灰、膨胀剂混合均匀，得到修复剂粉末；向修复剂粉末中加入麦芽糖，得到复合修复剂粉末，将复合修复剂粉末进行预压，形成细小颗粒；将预压制成的细小颗粒过筛，造粒，得到囊芯颗粒；向囊芯颗粒喷洒PVA溶液，同时鼓吹热空气除去颗粒表层水分，使PVA溶液成膜，干燥，即得。在本发明工艺的基础上，可根据水泥基材料的工程服役环境和使用要求，优选合适的修复剂原材料进行组合，高效率生产胶囊，使其有针对性地发挥自修复效果。

Description

一种高强度自修复胶囊及其生产工艺

技术领域

本发明属于混凝土自修复领域，具体涉及一种高强度自修复胶囊及其配套生产工艺。

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。

随着混凝土大规模应用于现代建筑，其已逐渐向着高强、高性能、多功能和智能化的方向发展。但由于混凝土是一种脆性材料，且孔洞比较多，在其服役过程中易受到环境等因素的影响，易产生裂纹或局部损伤。如果不及时修复处理，会影响到混凝土构件的抗压和抗拉等强度，从而影响结构的正常使用，甚至威胁结构的稳定性。混凝土自修复技术无需人工检测且是修复最为及时的方式。因此，水泥基材料损伤的自修复及微裂缝自愈合性能的研究受到了国内外的广泛关注。

在水泥基材料中使用微胶囊是实现其自修复的重要措施之一。基于微胶囊的自修复技术是将修复剂封装于胶囊中，胶囊以一定的比例代替砂预先埋入混凝土结构内部，经过搅拌均匀分布于基体中。当混凝土产生裂缝时，该处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。但是，目前微胶囊自修复技术的生产方法主要停留在实验室阶段，比如原位聚合法、挤压法、滚圆造粒法等，微胶囊产量小、生产效率低，无法满足工程实际的推广与应用。此外，微胶囊的制备存在诸多问题：其一，制造囊芯过程中，部分修复剂提前发生了水化反应，使其之后的修复效果减弱；其二，粒径不易控制，制造出来的囊芯大小很难达到统一；其三，原材料的利用率较低，存在较为严重的浪费问题；其四，制造效率和制造质量不高；其五，生产出来的微胶囊强度很低，对基体的力学性能具有负面效应。以上种种弊端，限制了微胶囊技术的大规模应用。

发明内容

为了提高自修复材料的生产效率，满足未来工程应用，本发明提供了一种粒径及形状可控的高强度自修复胶囊及其配套生产工艺。该技术的核心是采用蝶式混料机、干式造粒机、旋转造粒机和包衣机完成混料、预制粒、成粒和成膜工作，形成硬度大的胶囊颗粒且原材料利用率达到100％。本发明最重要发明点：一是通过在修复剂原材料中添加麦芽糖以提供粘聚作用，使制备的胶囊颗粒能够保持压制形状且具有较高的强度；二是通过干式造粒机对修复剂混合料预压，解决修复剂粉末流动性差的问题；三是提供了这种高强度自修复胶囊完整的生产工艺流程。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面，提供了一种高强度自修复胶囊，包括：修复剂和麦芽糖。

为了提高自修复材料的生产效率，满足未来工程应用，本发明提供了一种高强度自修复胶囊及其配套生产工艺。

本发明的第二个方面，提供了一种高强度自修复胶囊的制备方法，包括：

将水泥、硅灰、膨胀剂混合均匀，得到修复剂粉末；

将修复剂粉末与麦芽糖进行混合，得到复合修复剂粉末；

将复合修复剂粉末进行预压，形成细小颗粒；

将预压制成的细小颗粒过筛，造粒，得到囊芯颗粒；

向囊芯颗粒喷洒PVA溶液，同时鼓吹热空气除去颗粒表层水分，使PVA溶液成膜，干燥，即得。

本发明的第三个方面，提供了上述的方法制备的高强度自修复胶囊在混凝土自修复中的应用。

本发明的有益效果在于：

(1)对修复剂粉末直接进行压制造粒，颗粒强度很低，颗粒出模后就会出现明显损坏，无法进行后续操作。麦芽糖可以起到粘合剂的作用，提供粘聚力，且麦芽糖的掺量要加以控制，太多会导致胶囊有效成分比例降低，太少会导致胶囊成粒效果不佳。所以，本发明为解决囊芯修复剂粘聚效果差无法保证颗粒完整的问题，向修复剂粉体中掺加3％～10％的麦芽糖作为粘合剂，从而保证囊芯颗粒的完整以及提高囊芯的硬度。胶囊硬度提升后，可最大程度地保障水泥基材料的力学性能及耐久性不受影响。

(2)由于修复剂粉末的流动性很差，并且要制备的胶囊粒径很小，粉末很难从旋转造粒机料仓自动填充到模具中(模具直径1～5mm)。因此，若在旋转造粒机中直接使用混合好的修复剂粉末，将无法完成囊芯颗粒的制备。为了提高修复剂的流动性，本发明提出对混合料进行预处理，利用干式造粒机对修复剂粉末和麦芽糖的混合物进行预压，形成0.1～0.3mm的细小颗粒。经预压后，修复剂流动性显著提升，旋转造粒机模具自动填料问题得以解决。

(3)本发明改进了旋转造粒机的模具，如图4所示，可根据需要制备不同形状(球形、圆柱形)及尺寸(1～5mm)的胶囊；同时可以通过增加模具的数量及调整转盘旋转速度，大大提升胶囊的生产效率，实现工业化批量生产。

(4)本发明的胶囊囊芯制备过程没有水分的参与，因此大大增加不同功能自修复材料制备的可能性。因此，在本发明工艺的基础上，可根据水泥基材料的工程服役环境和使用要求，优选合适的修复剂原材料进行组合，高效率生产胶囊，使其有针对性地发挥自修复效果。比如若想实现裂缝损伤持久自修复，可考虑将矿物膨胀剂加入修复剂配方；若想实现快速吸水止水及封堵，可考虑将高分子吸水树脂或膨胀橡胶粉体加入修复剂配方。上述两类修复剂配方，在有水参与的情况下很难制备，且水的使用会部分修复剂提前反应，大大限制了其修复效果与使用范围。

(5)采用本发明的方法制备的胶囊囊芯硬度较传统滚圆法制备囊芯，硬度提升200～300倍，达20～50N，包裹PVA外囊壁后，囊壁硬度还可继续提升2～3倍。

(6)本申请的操作方法简单、成本低、具有普适性，易于规模化生产。

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高强度自修复胶囊生产装置示意图；

图2高强度自修复胶囊生产流程；

图3旋转式压片机的仪器简图；

图4压制过程示意图；

图5新型胶囊结构示意图。

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，本发明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。

本发明对制备矿物膨胀剂持久修复的高强度自修复胶囊及其配套生产工艺进行说明：

储料：储料装置中分别盛装水泥、硅灰和膨胀剂等修复剂粉末以及作为粘合剂的麦芽糖粉末。

硅灰是一种具有高火山灰活性的矿物掺合料，与水泥水化生成的Ca(OH)₂反应生成低钙硅比的水化硅酸钙凝胶，填充水泥基材料的孔隙。当其作为胶囊的囊芯材料制备成的胶囊掺入到水泥基材料中时，裂缝产生，胶囊破裂之后，内部硅灰释放出来可以参与早期水合作用并产生裂缝愈合物质，硅灰的颗粒对水泥水化产物能起到“成核”作用，从而促进水泥的水化，并且硅灰具有较高的细度和聚集倾向，在早期不会完全消耗，并能在后期的愈合中发挥作用。

需要说明的是，本申请中对于膨胀剂的类型并不作特殊的限定，既可以是市售的膨胀剂产品，也可以是高分子吸水树脂或膨胀橡胶粉体等能起到膨胀作用的物质。

混料：生产开始时分别向蝶式混料机运送50％～70％质量的水泥、10％～30％质量的硅灰、10％～30％质量的膨胀剂以及粉末修复剂总质量3％～10％的麦芽糖，充分搅拌5～10分钟，将粉末修复剂混合均匀备用。

目前，用作粉末干式成粒的辅料可以有：微晶纤维素、淀粉、硬脂酸镁等。但本申请研究发现：微晶纤维素的价格相对麦芽糖要高出很多；水泥等粉末修复剂自身不具备粘结性，采用淀粉作为胶粘剂需要向修复剂粉末中掺入较高的含量才能起到较好的效果，便会降低胶囊中有效成分的比例；硬质酸镁作为添加剂含有一定的重金属成分，对人体有一定的危害，混凝土工程作为一种长期工程，所采取的掺料不允许对人和环境产生危害；麦芽糖由小麦和糯米制成，来源广泛、价格较低且较低的掺量便可以起到很好的粘结作用，很适合作为胶粘剂掺入到修复剂粉末中。故综合胶粘剂的掺量、是否有毒性和经济效益，选择采用麦芽糖作为胶粘剂。

预压：将混合好的修复剂粉末运送到干式造粒机中，调节干式造粒机的压力值至0～10MPa。在干式造粒机中，对修复剂粉末进行预压，将预压制的颗粒过一遍筛网孔径0.15mm的振动筛，筛余的修复剂粉末由于没有水分的参与，故未发生水化，所以可以通过回料装置重新进入干式造粒机进行压制。

造粒：将预压完成的颗粒，倒入旋转式造粒机，启动强制加料装置并调节压力度(30～60KN)、速度(10～40r/min)和物料填充量，实现对囊芯颗粒的重量、密实度和硬度的控制，进行最终的囊芯成粒。旋转造粒机如图4所示的造粒模具可以进行更换，更换后可以实现多种粒径(1～5mm)和形状的囊芯材料制备。增加模具冲的数量和圆盘的转速，可以大大提高囊芯的生产效率。

成膜：将圆球颗粒运送至包衣机的锅体中，将5％～10％浓度的PVA水溶液倒入喷雾系统的漏斗中，调节喷枪的工作频率及喷头的雾化面积，使其雾化均匀、喷雾面大。在锅体顺时针旋转的过程中，利用高压喷枪将PVA溶液多次、均匀地喷涂在颗粒上，同时鼓吹40～70℃的热空气除去颗粒表层水分，使PVA溶液快速成膜。调节喷枪的启动频率及喷涂效率，当连续喷涂一定质量后，停止喷涂，待已喷涂在颗粒表面的PVA溶液完全干燥成膜后，再进行下一轮的喷涂。这样可以通过每一轮喷涂溶液质量和轮次控制PVA囊壁的厚度。保持包衣机持续工作，直至在颗粒表面形成均匀、稳定的PVA薄膜。PVA薄膜包裹完成以后，放入烘干箱中烘干2～4h取出，利用分样筛筛除粘结在一起的颗粒团后装袋保存。这样，高强度的自修复胶囊颗粒便制备完成。

根据旋转造粒机模具尺寸的更换，可实现1～5mm粒径范围内胶囊的批量生产，5mm并非上限粒径，选取5mm作为上限粒径是因为：①胶囊粒径过大，会导致硬度下降，掺入水泥基材料基体中，将对基体的性能产生较大的负面影响；②胶囊粒径较大时，水泥基材料生产搅拌时会将胶囊搅碎；③由于胶囊质量较小，振捣过程中容易使其上浮，无法在基体中均匀分布。

下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。

以下实施例中，膨胀剂采用的是江苏苏博特新材料有限公司生产的

水工混凝土氧化镁膨胀剂。

实施例1：

本发明公开了一种高强度自修复胶囊及其配套生产工艺，通过添加麦芽糖改善囊芯修复剂粉末的粘聚效果并利用干式造粒机预压来解决修复剂粉末流动性差的问题，旋转造粒机可实现粒径可控和高效率生产。制备高强度自修复胶囊包括以下几步：

储料：储料装置中分别盛装水泥、硅灰和膨胀剂等修复剂粉末以及作为粘合剂的麦芽糖粉末。

混料：生产开始时储料装置通过传送带等传送装置分别向蝶式混料机运送麦芽糖、水泥、硅灰和膨胀剂，其对应的质量比为3：57：20：20。利用蝶阀不锈钢混料机搅拌5分钟，使各物料之间分散、混合均匀。

预压：将混合好的修复剂粉末运送至干式造粒机，调整干式造粒机压力值为6MPa进行预压。干式造粒机出粒处安装有筛网孔径0.15mm的振动筛，将颗粒与未压制好的粉末修复剂分离开来，将颗粒取出，未压制成颗粒的粉末修复剂由回料装置进入进料口进行重复利用。

造粒：启动旋转式造粒机，将转速调到30r/min，观察压制模具运行情况，无卡顿和碰撞即为合格，待运转平稳后方可使用。如图3所示装置，将预压完成的细小颗粒倒入加料口，启动强制加料装置(由修复剂的流动性决定强制加料装置的转速)，强制颗粒进入压制模具当中，旋转压力调节旋钮和填充量调节旋钮，观察压制出来的颗粒状态，适当调整压力调节旋钮和填充量调节旋钮(若颗粒较为松散，则加大压力并调高填充量，反之降低减少)，直至可以产出完整有一定硬度的球形囊芯。在压制过程中，如图4所示，上下模具将囊芯颗粒压制完成，由下模具由中模具中顶出。增加模具冲的数量和圆盘转速，可以大大提高生产效率。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。

包衣：将圆球囊芯颗粒和5％浓度的PVA水溶液分别放入包衣机的锅体和漏斗中，调节喷枪的工作频率(每30s启动一次)及喷头的雾化面积。在锅体顺时针旋转的过程中，利用高压喷枪将PVA溶液多次、均匀地喷涂在颗粒上，同时鼓吹65℃的热空气除去颗粒表层水分，使PVA溶液快速成膜。喷枪每次喷涂3g溶液，当连续喷涂一定质量后暂停仪器，待已喷涂在颗粒表面的PVA溶液完全干燥后，再进行下一轮的喷涂。包衣机持续工作，直至在颗粒表面形成厚度为0.2±0.05mm的PVA薄膜。取出胶囊放入40℃烘干箱烘干3h，得到如图5所示的新型微胶囊颗粒。

采用片剂硬度测试仪进行测试，结果表明：胶囊形状为球形，具有良好的流动性能。胶囊囊芯的硬度为20N，硬度很高，方便后续外囊壁的包裹，不会致使囊芯破裂，且包裹PVA外囊壁后，胶囊硬度还会继续提高。

对比例1

与实施例1相比，未加入麦芽糖。实验结果表明：未加入麦芽糖，修复剂粉末通过造粒机压制无法成形，轻碰囊芯便会破碎，无法进行强度检测。

对比例2

与实施例1相比，未进行预压。实验结果表明：如若不进行预压，由于修复剂粉末的流动性很差，修复剂粉末无法进入旋转造粒机的压制模具中，导致无法实现成粒。

最后应该说明的是，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，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。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 (11)

1.一种高强度自修复胶囊，其特征在于，包括：修复剂和麦芽糖；

所述高强度自修复胶囊的制备方法包括：

将水泥、硅灰、膨胀剂混合均匀，得到修复剂粉末；

向所述修复剂粉末中加入麦芽糖，得到复合修复剂粉末；

将复合修复剂粉末进行预压，形成细小颗粒；

将预压制成的细小颗粒过筛，造粒，得到囊芯颗粒；

向囊芯颗粒喷洒PVA溶液，同时鼓吹热空气除去颗粒表层水分，使PVA溶液成膜，干燥，即得。

2.如权利要求1所述的高强度自修复胶囊，其特征在于，所述麦芽糖的加入量为修复剂总质量3%~10%。

3.如权利要求1所述的高强度自修复胶囊，其特征在于，采用高分子吸水树脂或膨胀橡胶粉体替换所述膨胀剂。

4.如权利要求1所述的高强度自修复胶囊，其特征在于，所述囊芯颗粒的粒径为1~5mm。

5.如权利要求1所述的高强度自修复胶囊，其特征在于，所述造粒的条件为：压力度30~60KN、速度10~40r/min。

6.如权利要求1所述的高强度自修复胶囊，其特征在于，所述预压的压力为0~10MPa。

7.如权利要求1所述的高强度自修复胶囊，其特征在于，筛网的孔径为0.12~0.18mm。

8.如权利要求1所述的高强度自修复胶囊，其特征在于，所述PVA溶液的浓度为5%~10%。

9.如权利要求1所述的高强度自修复胶囊，其特征在于，所述热空气的温度为40~70℃。

10.如权利要求1所述的高强度自修复胶囊，其特征在于，所述干燥的条件为40~50℃下，干燥2~3h。

11.权利要求1-10任一项所述高强度自修复胶囊在混凝土自修复中的应用。

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