CN115385648A - 具有自洁净功能的石膏基疏水复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有自洁净功能的石膏基疏水复合材料及其制备方法。按照重量份数，石膏基疏水复合材料的配方为：半水石膏50～75份；石墨烯溶液2～8份；矿物掺合料5～15份；疏水改性剂0.5～3份；硅烷偶联剂0.1～2份；水20～30份。本发明所制备的石膏基疏水复合材料具有优异的装饰性和自洁净功能，此外还具有导热系数低，耐水性好等性能。本发明技术方法实施性强，实现了工业副产石膏的高附加值利用，可广泛应用于工业、民用建筑的非承重墙体材料或装饰材料。

Description

具有自洁净功能的石膏基疏水复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种具有自洁净功能的石膏基疏水复合材料及其制备方法。

背景技术

石膏基建筑材料是指以天然石膏或工业副产石膏为主要原材料经水化硬化过程获得的具有轻质、保温性好、吸湿、隔音等诸多优异性能的材料。石膏建筑材料也是世界公认的、在发达国家广泛使用的绿色环保建筑材料。

随着“双碳”战略及石膏逐步替代部分水泥的实施，工业副产石膏规模化应用不断推进；随着我国建筑业和建材工业的发展，对节能和环保高要求的推进，石膏基建筑材料在建筑领域的应用不断增加；随着人们对高生活品质的不断追求，室内墙体材料及装饰材料的功能性日益凸显，开发具有自洁净、电磁屏蔽等的功能型石膏基建筑材料成为必然趋势。功能型石膏基建筑材料的开发不仅能够实现工业副产石膏的大规模可持续利用，同时可以实现工业副产石膏的高附加值利用。

自洁净材料/疏水材料是指材料表面静态接触角大于90°，能够起到自清洁、防腐蚀、抗菌、防覆冰、防雾等作用的材料。目前常使用的自洁净/疏水涂料一般通过将疏水组分直接喷涂、涂覆在水泥或其他胶凝材料基材表面，形成疏水表面起到疏水作用，但是由于胶凝材料在水化硬化过程中内部形成大量孔隙，仅表面附着疏水层不能改善其耐水性，进而影响其耐久性能。

目前，针对石膏基材料研究其自洁净性能的较少，大多都是以水泥基材料为主或疏水涂料为主。例如中国发明专利ZL 202110974914.8公开了《一种超高水灰比三维超疏水石膏制备方法》，该方法解决了超高水灰比下，石膏耐水性差的问题，但由于其具有较高的水灰比，其制品强度较低。中国发明专利ZL202110849415.6公开了《一种超疏水涂料及使用该涂料制备水泥基超疏水表面的方法》，该方法通过在水泥基材料表面预先构建粗糙结构后喷涂预制超疏水涂料，进而提高水泥基材料的疏水性。但该方法采用喷涂疏水材料的工艺，使水泥基材料的疏水性不能长久保持。

发明内容

针对现有技术不足及社会需求，本发明提供一种具有自洁净功能的石膏基疏水复合材料及其制备方法，采用工业副产石膏为主要原材料，利用石墨烯纳米材料及疏水改性剂进行材料改性，所制备的石膏基疏水复合材料具有优异的疏水性能、力学性能以及耐水性能，增加了石膏基建筑装饰材料的装饰功能性，拓宽了石膏基建筑装饰材料的应用领域，提高了石膏基建筑装饰材料的附加值。

本发明具体是通过以下技术方案来实现的，依据本发明提出的一种具有自洁净功能的石膏基疏水复合材料，其配方按照重量份数包括：

半水石膏50～75份；

石墨烯溶液2～8份；

矿物掺合料5～15份；

疏水改性剂0.5～3份；

硅烷偶联剂0.1～2份；

水20～30份。

优选地，所述的半水石膏选自脱硫基半水石膏或磷基半水石膏中的一种或两种按任意比例复合。

所述石墨烯溶液的固含量为1％～2％。

进一步地，所述石墨烯溶液按照以下方法制备：将片状石墨烯加入到固含量为40％的聚羧酸溶液中浸泡5～10min，然后采用细胞破碎超声分散仪超声分散30min，获得所述石墨烯溶液。

进一步地，所采用的片状石墨烯的尺寸为100nm。

图1是本发明所用的片状石墨烯的微观形貌图，图2是所制备的石墨烯溶液的照片，可以看出，石墨烯溶液未出现分层，说明石墨烯在其中分散均匀且稳定。

优选地，所述的矿物掺合料可以选自硅灰、粉煤灰或高炉矿渣中的一种；其中，硅灰粒径优选为0.1～0.3μm，粉煤灰优选为I级或Ⅱ级；矿粉优选为S95级。

所述的疏水改性剂可以选用甲基硅油、乙基硅油、二甲基硅油、羟基含氢硅油、甲基硅酸钠中的一种。

所述的硅烷偶联剂可以选用乙烯基三乙氧基硅烷、甲基丙烯酰氧基硅烷、氨基硅烷中的一种。

经检测，该具有自洁净功能的石膏基疏水复合材料的绝干抗压强度为30～45MPa，导热系数为0.08～0.2W/m·k，软化系数为0.4～0.9。

上述具有自洁净功能的石膏基疏水复合材料是按照以下方法制备的：

(1)将50～75份半水石膏与5～15份矿物掺合料机械搅拌1～2min，混合均匀，得到混合粉体；

(2)将2～8份石墨烯溶液与20～35份水混合均匀，然后加入到步骤(1)所制备的混合粉体中，机械搅拌1min，得到搅拌均匀的浆料；

(3)称取0.5～3份疏水改性剂及0.1～2份硅烷偶联剂，将其混合均匀，然后加入到步骤(2)所制备的浆料中，继续搅拌2min，得到均匀的混合浆体；

(4)将步骤(3)所得混合浆体成型、硬化，即得到具有自洁净功能的石膏基疏水复合材料。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。其至少具有下列优点：

(1)本发明将片状石墨烯加入到固含量为40％的聚羧酸溶液中浸泡，并采用细胞破碎超声分散仪超声分散获得石墨烯溶液，相对于其他单一分散方法获得的石墨烯溶液，本发明获得的石墨烯溶液，由于聚羧酸高效减水剂的作用，在石墨烯表面实现了官能团的接枝，从而提高了石墨烯的亲水性；后续通过超声分散作用使石墨烯在石膏浆体中能够长时间保持其稳定分散状态。

(2)本发明的制备方法采用三步搅拌工艺，首先将半水石膏、矿物掺合料粉体进行粉体预搅拌，使粉料进行充分混合；其次将配置好的石墨烯溶液与预先混合均匀的粉体进行混合，在粉体转变为浆体的同时，亲水性石墨烯能够更均匀、更稳定的分散在浆体中；最后将疏水改性剂加入预拌浆体中，疏水改性剂与均匀状态下的浆体进行混合搅拌，获得石膏基疏水复合材料浆体材料，成型养护后最终得到具有自洁净功能的石膏基疏水复合材料。该方法操作简单、条件温和，浆体均匀性、稳定性强。

(3)与普通石膏基墙体材料相比，本发明通过添加石墨烯提高复合材料的密实度，在一定程度上增强复合材料的强度，通过疏水改性剂的改性使所制备的石膏基疏水复合材料具有优异的疏水性能和耐水性能，能够起到疏水、防污、抗渗、防潮等作用，显著提高了石膏基建筑材料的使用寿命及应用范围。

(4)与其他具有疏水性能的建筑材料相比，本发明实现了工业副产物的高附加值利用，且制备工艺简单，适合建筑物内非承重墙体及装饰材料等的大规模应用。

附图说明

图1所示为片状石墨烯的微观形貌图；

图2所示为石墨烯溶液的照片；

图3所示为具有自洁净功能的石膏基疏水复合材料的制备技术路线图；

图4所示为实施例所制备的具有自洁净功能的石膏基疏水复合材料及对比例所制备的石膏材料的表面水接触角的照片。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例结合附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

具有自洁净功能的石膏基疏水复合材料按照重量份数其配方为：

脱硫基半水石膏65份；

石墨烯溶液6份；

硅灰6.5份；

甲基硅油1.5份；

甲基丙烯酰氧基硅烷1份；

水20份。

制备方法包括：

(1)将65份半水石膏、6.5份矿物掺合料机械搅拌1～2min，混合均匀，得到混合粉体；

(2)将6份石墨烯溶液、20份水混合均匀，然后加入到步骤(1)所制备的混合粉体中，机械搅拌1min，得到搅拌均匀的浆料；

(3)称取1.5份疏水改性剂及1份硅烷偶联剂，将其混合均匀，然后加入到步骤(2)所制备的浆料中，继续搅拌2min，得到均匀的混合浆体；

(4)将步骤(3)所得混合浆体按照常规方法成型、硬化，即得到具有自洁净功能的石膏基疏水复合材料。

对所制备的具有自洁净功能的石膏基疏水复合材料进行性能测试，其接触角为106°，如图4(a)，表明形成了超疏水性的复合材料。石膏基疏水复合材料的绝干抗压强度为35.5MPa，导热系数为0.18W/m·k，软化系数为0.63。

实施例2

具有自洁净功能的石膏基疏水复合材料按照重量份数其配方为：

磷基半水石膏60份；

石墨烯溶液4份；

高炉矿渣11份；

甲基硅酸钠0.5份；

乙烯基三乙氧基硅烷0.5份；

水24份。

制备方法参照实施例1。

对所制备的具有自洁净功能的石膏基疏水复合材料进行性能测试，其接触角为92°，如图4(b)，表明形成了疏水性复合材料。石膏基疏水复合材料的绝干抗压强度为30.1MPa，导热系数为0.15W/m·k，软化系数为0.47。

实施例3

具有自洁净功能的石膏基疏水复合材料按照重量份数其配方为：

脱硫基半水石膏58份；

石墨烯溶液6份；

硅灰10份；

甲基硅酸钠2.5份；

氨基硅烷1.5份；

水22份。

制备方法参照实施例1。

对所制备的具有自洁净功能的石膏基疏水复合材料进行性能测试，其接触角为160°，如图4(c)，表明形成了超疏水性复合材料。石膏基疏水复合材料的绝干抗压强度为42.6MPa，导热系数为0.08W/m·k，软化系数为0.86。

实施例4

具有自洁净功能的石膏基疏水复合材料按照重量份数其配方为：

磷基半水石膏20份；

脱硫基半水石膏32份；

石墨烯溶液2份；

粉煤灰15份；

二甲基硅油3份；

氨基硅烷2份；

水26份。

制备方法参照实施例1。

对所制备的具有自洁净功能的石膏基疏水复合材料进行性能测试，其接触角为128°，如图4(d)，表明形成了超疏水性的复合材料。石膏基疏水复合材料的绝干抗压强度为38.3MPa，导热系数为0.1W/m·k，软化系数为0.8。

对比例

石膏材料按照重量份数其配方为：

脱硫基半水石膏70份；

硅灰5份；

水25份。

制备方法：

将70份脱硫基半水石膏、5份硅灰机械搅拌1～2min，混合均匀，得到混合粉体；在混合粉体中加入25份水，机械搅拌1min，得到浆料；将所得浆料成型、硬化，得到对比例的石膏材料。

对所制备的石膏材料进行性能测试，其接触角为12°，如图4(e)，表明没有形成疏水性材料。其绝干抗压强度为20.8MPa，导热系数为0.25W/m·k，软化系数为0.35。

表1.实施例及对比例原料配方

表2.实施例及对比例所得材料的性能对比

通过以上对比可知，与对比例相比，本发明在添加了石墨烯溶液和疏水改性剂之后，显著提高了石膏基复合材料的强度，所制备的复合材料的接触角大于90°，具有优异的疏水性和耐水性。同时，与对比例相比，本发明制备的石膏基疏水复合材料还具有更低的导热系数和更高的软化系数，适合应用于工业、民用建筑的非承重墙体材料或装饰材料。

以上所述仅是本发明的实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，本发明还可以根据以上结构和功能具有其它形式的实施例，不再一一列举。因此，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.具有自洁净功能的石膏基疏水复合材料，其特征在于，按照重量份数，其配方包括：

半水石膏50～75份；

石墨烯溶液2～8份；

矿物掺合料5～15份；

疏水改性剂0.5～3份；

硅烷偶联剂0.1～2份；

水20～30份。

2.如权利要求1所述的具有自洁净功能的石膏基疏水复合材料，其特征在于，所述的半水石膏为脱硫基半水石膏或磷基半水石膏中的一种或两种。

3.如权利要求1所述的具有自洁净功能的石膏基疏水复合材料，其特征在于，所述石墨烯溶液的固含量为1％～2％。

4.如权利要求1或3所述的具有自洁净功能的石膏基疏水复合材料，其特征在于，石墨烯溶液按照以下方法制备：将尺寸为100nm的片状石墨烯加入到固含量为40％的聚羧酸溶液中浸泡5～10min，然后采用细胞破碎超声分散仪超声分散30min，获得所述石墨烯溶液。

5.如权利要求1所述的具有自洁净功能的石膏基疏水复合材料，其特征在于，所述的矿物掺合料为硅灰、粉煤灰或高炉矿渣中的一种。

6.如权利要求1所述的具有自洁净功能的石膏基疏水复合材料，其特征在于，疏水改性剂为甲基硅油、乙基硅油、二甲基硅油、羟基含氢硅油、甲基硅酸钠中的一种。

7.如权利要求1所述的具有自洁净功能的石膏基疏水复合材料，其特征在于，硅烷偶联剂为乙烯基三乙氧基硅烷、甲基丙烯酰氧基硅烷、氨基硅烷中的一种。

8.如权利要求1所述的具有自洁净功能的石膏基疏水复合材料，其特征在于，其绝干抗压强度为30～45MPa，导热系数为0.08～0.2W/m·k，软化系数为0.4～0.9。

9.具有自洁净功能的石膏基疏水复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将50～75份半水石膏与5～15份矿物掺合料机械搅拌1～2min，混合均匀，得到混合粉体；

(2)将2～8份石墨烯溶液与20～35份水混合均匀，然后加入到步骤(1)所制备的混合粉体中，机械搅拌1min，得到搅拌均匀的浆料；

(3)称取0.5～3份疏水改性剂及0.1～2份硅烷偶联剂，将其混合均匀，然后加入到步骤(2)所制备的浆料中，继续搅拌2min，得到均匀的混合浆体；

(4)将步骤(3)所得混合浆体成型、硬化，即得到具有自洁净功能的石膏基疏水复合材料。

10.如权利要求9所述的具有自洁净功能的石膏基疏水复合材料的制备方法，其特征在于，所述的石墨烯溶液的固含量为1％～2％；其制备过程为：将尺寸为100nm的片状石墨烯加入到固含量为40％的聚羧酸溶液中浸泡5～10min，然后采用细胞破碎超声分散仪超声分散30min，即得。

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