CN114853427A - 一种增强型高分子球填充的轻质复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种增强型高分子球填充的轻质复合材料及其制备方法。本发明通过“构筑球壳”与“灌注冷压”相结合的方式分别制备得到了增强型高分子球和轻质复合材料，所述增强型高分子球在轻质复合材料内部形成球状孔洞结构，极大限度地降低了复合材料的密度，第二增强相又可在保持低密度的同时进一步增强整体轻质复合材料的机械性能，球状封闭且独立孔洞结构的存在，加强了材料的储热能力，保温性能得到增强。本发明所制备得到的轻质复合材料的密度为0.8‑1.4g/cm3，抗压强度20‑35MPa，抗拉强度2‑3.5MPa，热导率0.15‑0.25W/mK，吸水率低于15％。
Description
技术领域
本发明涉及轻质复合材料技术领域，具体涉及一种增强型高分子球填充的轻质复合材料及其制备方法。
背景技术
建筑、工程行业的不断发展，也促使着建筑材料的不断创新。复合材料作为最基础的建筑材料之一，拥有举足轻重的地位。现阶段，传统复合材料已无法满足建筑要求，轻质复合材料作为新型复合材料材料被大量运用在隔热、节能墙体、夹芯构件等领域。相比于传统复合材料，轻质复合材料具有轻质、保温隔热性、隔音耐火性、减震性、绿色环保等优异特性。填充轻质填料、构筑中空结构均有利于降低轻质复合材料的密度，但降低密度的同时也要保证强度等其他性能满足需求。发泡成型的复合材料具有更低的密度以及更加优异的保温隔热性能，但容易产生微裂缝，从而导致强度损失。
发明内容
本发明的目的是通过“构筑球壳”与“灌注冷压”相结合的方式，制备得到一种保持复合材料低密度的同时，增强机械性能、吸水率和保温性性能的增强型高分子球填充的轻质复合材料。
本发明进一步提供一种制备工艺简单方便的增强型高分子球填充的轻质复合材料的制备方法。
本发明的技术方案在于：
一种增强型高分子球填充的轻质复合材料的制备方法，所述轻质复合材料包含以下组分：
水泥80-100份；基质增强相1-5份；水25-35份；砂石10-30份；粗骨料5-10份；外加剂0.5-5份；增强型高分子球60-90份；空心玻璃微珠60-80份；
所述增强型高分子球的组分包括：高分子聚合物80-120份；固化剂20-40份；高分子球10-20份；增强材料30-50份。
所述高分子球为聚苯乙烯球、聚乙烯球、聚丙烯球、聚四氟乙烯球或聚氨酯球中一种，所述高分子球的直径为3-12mm。
所述高分子聚合物为环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基酯或聚酰亚胺树脂中的一种或几种。
所述增强材料为空心玻璃微珠、气凝胶、碳纤维、竹纤维、碳纳米管、石墨烯、竹粉、水泥、轻钙或重钙中的一种或几种。
所述外加剂包括减水剂、早强剂、速凝剂、缓凝剂、加气剂、防水剂或抗冻剂中的一种或几种。
所述固化剂为胺类固化剂。
所述基质增强相包括空心玻璃微珠、碳纤维、竹纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、陶瓷质晶须(碳化硅，钛酸钾，硼酸铝等)、无机盐晶须(硫酸钙，碳酸钙等)或金属晶须(氧化铝，氧化锌等)一种或多种。
上述轻质复合材料的制备方法包括以下步骤：
(1)增强型高分子球的制备：利用高分子聚合物体系的粘结作用将增强材料粘附在高分子球外层；首先采用机械搅拌的方式来获得增强型高分子球；然后采用阶梯加热的方式固化增强型高分子球；可重复上述步骤，得到不同层数增强型高分子球；
(2)轻质复合材料的制备：按照比例将水、水泥、砂石、增强型高分子球、基质增强相、外加剂搅拌均匀；加入步骤(1)制备得到的增强型高分子球，搅拌均匀，加入模具中，模具中涂覆上脱模剂，进行压实养护。
所述阶梯加热的方式为：以2-10℃/min的加热速度加热到50℃并保温2-4h，接着再以2-10℃/min的加热速度升温到80℃并保温1-2h。
上述步骤(1)中，所述机械搅拌时间大于30min。
上述步骤(2)中的砂石包括粗骨料和细骨料，所述粗骨料为天然岩石、卵石或矿山废石，所述细骨料为天然砂或人工砂。
步骤(2)的模具灌装过程采用真空灌装技术，并进行脱泡搅拌以除去多余的空气，加压过程采用机械加压的方式进行，机械加压时间为24-48h。
所述压实养护时间为28d或以上，期间保持空气湿度在90％以上。
本发明使用“构筑球壳”与“灌注冷压”相结合的方式，通过控制增强型高分子球的堆积体积分数、直径、层数；基质中填料的种类、级配；添加纤维(晶须)的种类、长度、含量等来实现轻质复合材料所需的不同功能。增强型高分子球在复合材料内部形成了封闭且独立的球状孔洞结构。制得的轻质复合材料保持低密度的同时仍具有较好的机械性能、保温性等，这是本发明的发明点。
附图说明
图1为本发明所述增强型高分子球的制备示例；
图2为本发明所述增强型高分子球填充的轻质复合材料的制备示例；
图3为本发明所述增强型高分子球填充的轻质复合材料的剖面及微观形貌。
具体实施方式
下面通过实施例及对比例，对本发明做进一步的详细描述。但本发明不仅限于下列实施例。
实施例1
一种增强型高分子球填充的轻质复合材料及其制备方法包括以下步骤：
原料用量如下表：
(1)增强型高分子球的制备：采用环氧树脂作为粘结相，选取不同直径的聚苯乙烯球包裹上环氧树脂，再将其放入气凝胶粉末中进行搅拌30mins，最后将得到的试样放入烘箱中进行阶梯固化处理。固化条件为：以5℃/min加热速度加热到50℃并保温2h，再以8℃/min的加热速度加热到80℃并保温1h。此时制备得到的增强型聚苯乙烯球为单层，重复上述可得到不同层数的气凝胶增强型聚苯乙烯球。
(2)轻质复合材料的制备。第一步是配置基质：将水、水泥、砂石、K1型空心玻璃微珠、减水剂、粗骨料、玻璃纤维(9mm)按照上表中的比例混合均匀。第二步是填充增强型聚苯乙烯球：将2层的9-10mm的气凝胶增强型聚苯乙烯球与基质搅拌均匀。第三步：将混合好的样品进行模具灌装，灌装过程中要密实，减少孔洞缺陷的产生。第四步：机械加压并在空气湿度大于90％的环境中养护28d及以上。
通过实验测试，轻质复合材料的最大抗压强度可达到20MPa，热导率为0.15W/mK，最大抗拉强度可达3MPa，吸水率为10％，密度为897kg/m3。
实施例2
一种增强型高分子球填充的轻质复合材料及其制备方法包括以下步骤：
原料用量如下表：
(1)增强型高分子球的制备：采用环氧树脂作为粘结相，选取不同直径的聚苯乙烯球包裹上环氧树脂，再将其放入S38HS型空心玻璃微珠中进行搅拌40mins，最后将得到的试样放入烘箱中进行阶梯固化处理。固化条件为：以5℃/min加热速度加热到50℃并保温2h，再以8℃/min的加热速度加热到80℃并保温1h。此时制备得到的增强型聚苯乙烯球为单层，重复上述可得到不同层数的S38HS增强型聚苯乙烯球。
(2)轻质复合材料的制备。第一步是配置基质：将水、水泥、砂石、K1型空心玻璃微珠、减水剂、粗骨料(卵石)、碳纤维(600目)按照上表中的比例混合均匀。其中基体中粗骨料和细骨料级配分别是1:2；1:3；1:4。第二步是填充增强型聚苯乙烯球：将2层的9-10mm的S38HS型空心玻璃微珠增强型聚苯乙烯球与基质搅拌均匀。第三步：将混合好的样品进行模具灌装，灌装过程中要密实，减少孔洞缺陷的产生。第四步：机械加压并在空气湿度大于90％的环境中养护28d及以上。
通过实验测试，当粗细骨料级配为1:3时，轻质复合材料的最大抗压强度可达到30MPa，热导率为0.2W/mK，抗拉强度可达3.5MPa，吸水率为12％，密度为1250kg/m3。
实施例3
一种增强型高分子球填充的轻质复合材料及其制备方法包括以下步骤：
原料用量如下表：
| 组分名称 | 份数 |
| 热固性酚醛树脂 | 80份 |
| 聚乙烯球(7-8mm) | 10份 |
| K1型空心玻璃微珠 | 60份 |
| 细磨重钙粉(800目) | 30份 |
| 水泥(PO425型) | 80份 |
| 砂石 | 10份 |
| 乙二醇防冻剂 | 2份 |
| 短切玻璃纤维(12mm) | 3份 |
(1)增强型高分子球的制备：采用酚醛树脂作为粘结相，选取不同直径的聚乙烯球包裹上有机硅树脂，再将其放入重钙粉末中进行搅拌40mins，最后将得到的试样放入烘箱中进行阶梯固化处理。固化条件为：以2℃/min加热速度加热到50℃并保温4h，再以5℃/min的加热速度加热到80℃并保温2h。此时制备得到的增强型聚乙烯球为单层，重复上述可得到不同层数的重钙粉末增强型聚乙烯球。
(2)轻质复合材料的制备。第一步是配置基质：将水、水泥、砂石、K1型空心玻璃微珠、防冻剂、粗骨料(卵石)、玻璃纤维(12mm)按照上表中的比例混合均匀。第二步是填充增强型高分子球：将3层的7-8mm的重钙粉增强型空心玻璃微珠增强型聚乙烯球与基质搅拌均匀。第三步：将混合好的样品进行模具灌装，灌装过程中要密实，减少孔洞缺陷的产生。第四步：机械加压并在空气湿度大于90％的环境中养护28d及以上。
通过实验测试，轻质复合材料的最大抗压强度可达到35MPa，热导率为0.25W/mK，抗拉强度可达3.5MPa，吸水率为13.5％，密度为1400kg/m3。
对比例1
原料用量如下表：
| 组分名称 | 份数 |
| 水泥(PO425型) | 100份 |
| 砂石 | 20份 |
| 水 | 35份 |
| 十二烷基苯磺酸钠发泡剂 | 30份 |
先通过发泡系统将十二烷基苯磺酸钠发泡剂用机械方式充分发泡，接着将泡沫与水泥、砂石、水、粗骨料、减水剂等均匀混合，然后经过发泡机的泵送系统进行模具成型，经养护后形成轻质复合材料。
通过实验测试，轻质复合材料的最大抗压强度可达到2MPa，热导率小于0.1W/mK，抗拉强度为0.2MPa，吸水率为15％，密度为500kg/m3。
对比例2
原料用量如下表：
| 组分名称 | 份数 |
| 水泥(PO425型) | 100份 |
| 粗骨料(矿上废石) | 10份 |
| 水 | 35份 |
| 脂肪酸系高效减水剂 | 5份 |
| 砂石 | 20份 |
第一步：将水、水泥、砂石、脂肪酸系高效减水剂、粗骨料、按照上表中的比例混合均匀。第二步：将混合好的样品进行模具灌装，灌装过程中要密实，减少孔洞缺陷的产生。第三步：机械加压并在空气湿度大于90％的环境中养护28d及以上。
通过实验测试，轻质复合材料的最大抗压强度可达到45MPa，热导率为0.4W/mK，抗拉强度为5MPa，吸水率为20％，密度为1800kg/m3。
通过对比例和实施例的对比可以看出，将通过“构筑球壳”的方式制备得到的增强型高分子球填充到轻质复合材料中，可以在复合材料内部形成了封闭且独立的球状孔洞结构。在抗压强度、抗拉强度等机械性能方面远远高于发泡型轻质复合材料；在密度、热导率、吸水率方面也是远远低于纯填充型复合材料。增强型高分子球填充的轻质复合材料平衡了密度、机械性能以及保温性能等，具有更广泛的工程应用。
Claims (10)
1.一种增强型高分子球填充的轻质复合材料的制备方法，其特征在于，所述轻质复合材料包含以下组分：
水泥80-100份，基质增强相1-5份，水25-35份，砂石10-30份，粗骨料5-10份，外加剂0-5份，增强型高分子球60-90份，空心玻璃微珠60-80份；
所述增强型高分子球的组分包括：高分子聚合物80-120份，固化剂0-40份，高分子球10-20份，增强材料30-50份。
所述高分子球为聚苯乙烯球、聚乙烯球、聚丙烯球、聚四氟乙烯球或聚氨酯球中一种，所述高分子球的直径为3-12mm。
2.根据权利要求1所述的增强型高分子球填充的轻质复合材料的制备方法，其特征在于，所述高分子聚合物为环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基酯或聚酰亚胺树脂中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的增强型高分子球填充的轻质复合材料的制备方法，其特征在于，所述增强材料为空心玻璃微珠、气凝胶、碳纤维、竹纤维、碳纳米管、石墨烯、竹粉、水泥、轻钙或重钙中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的增强型高分子球填充的轻质复合材料的制备方法，其特征在于，所述外加剂包括减水剂、早强剂、速凝剂、缓凝剂、加气剂、防水剂或抗冻剂中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的增强型高分子球填充的轻质复合材料的制备方法，其特征在于，所述固化剂为胺类固化剂。
6.根据权利要求1所述的增强型高分子球填充的轻质复合材料的制备方法，其特征在于，所述基质增强相为空心玻璃微珠、碳纤维、竹纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、陶瓷质晶须、无机盐晶须或金属晶须中的一种或多种。
7.据权利要求1-6一项所述的增强型高分子球填充的轻质复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
(1)增强型高分子球的制备：利用高分子聚合物体系的粘结作用将增强材料粘附在高分子球外层；首先采用机械搅拌的方式来获得增强型高分子球；然后采用阶梯加热的方式固化增强型高分子球；可重复上述步骤，得到不同层数增强型高分子球；
(2)轻质复合材料的制备：按照比例将水、水泥、砂石、增强型高分子球、基质增强相、外加剂搅拌均匀；加入步骤(1)制备得到的增强型高分子球，搅拌均匀，加入模具中，模具中涂覆上脱模剂，进行压实养护。
8.据权利要求7述的增强型高分子球填充的轻质复合材料的制备方法，其特征在于，所述阶梯加热的方式为：以2-10℃/min的加热速度加热到50℃并保温2-4h，接着再以2-10℃/min的加热速度升温到80℃并保温1-2h；
上述步骤(1)中，所述机械搅拌时间大于30min。
9.据权利要求7述的增强型高分子球填充的轻质复合材料的制备方法，其特征在于，上述步骤(2)中的砂石包括粗骨料和细骨料，所述粗骨料为天然岩石、卵石或矿山废石，所述细骨料为天然砂或人工砂。
10.权利要求7述的增强型高分子球填充的轻质复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)的模具灌装过程采用真空灌装技术，并进行脱泡搅拌以除去多余的空气，加压过程采用机械加压的方式进行，机械加压时间为24-48h；
所述压实养护时间为28d或以上，期间保持空气湿度在90％以上。
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