CN116177936A - 一种原位聚合无机协同改性水泥基复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及涉及复合材料技术领域，尤其涉及一种原位聚合无机协同改性水泥基复合材料及其制备方法。该水泥基复合材料包括如下质量份数的组分：水泥100份，掺合料10～30份，无机外加剂1～15份，聚合物单体1～15份；所述聚合物单体选自丙烯酰胺类单体、丙烯酸类单体、甲基丙烯酸丁酯单体、乙二醇二甲基丙烯酸酯单体和甲基丙烯酸羟乙酯单体中的一种或多种；所述无机外加剂选自碳酸钡、水滑石、熟石灰、硫酸钠、氯化钙和氢氧化铝中的一种或多种。本发明利用聚合物单体原位聚合、结合高性价比的无机外加剂和掺合料提升该有机原位聚合‑无机协同改性水泥基复合材料的韧性与耐久性。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，尤其涉及一种原位聚合无机协同改性水泥基复合材料及其制备方法。
背景技术
水泥基材料内部结构复杂，存在大量孔洞和微裂缝，从而导致其韧性和耐久性相对较低。聚合物改性水泥基材料具有较好的黏结性、耐久性、耐磨性、抗弯性能，制品的防水性、耐腐蚀性及耐冲击性均有提高。但通常聚合物在水泥浆体中是以大分子形式的乳液或乳胶粉加入，聚合物在水泥浆体中会存在相容性差和分散不良等问题，从而影响水泥基材料的性能，特别是导致抗压强度显著下降。通过在水泥基体系中进行聚合物单体的原位聚合，有助于改善聚合物在水泥基材料中的分散性，填充集体的微观孔隙，从而提高水泥基材料的韧性。发明202210206579.1公布了一种聚合物单体原位聚合与纤维共同改性水泥基材料的方法，该发明提供的双尺度增韧水泥基复合材料较未掺加改性物质的水泥基材料抗压抗折性能提升。发明202210197316.9公开了一种聚合物单体原位聚合与晶须共同改性水泥基材料的方法，提升水泥基材料抗折强度的增强作用。
然而目前聚合物单体原位聚合的现有技术大多集中于在不降低抗压强度及提高水泥基材料韧性，没有充分发挥原位聚合对水泥基材料耐久性的改善作用，而且晶须、纤维等成本较高，严重影响了产品的推广与应用。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种原位聚合无机协同改性水泥基复合材料及其制备方法，本发明提供的有机原位聚合-无机协同改性水泥基复合材料利用聚合物单体原位聚合、结合高性价比的无机外加剂和掺合料提升该有机原位聚合-无机协同改性水泥基复合材料的韧性与耐久性。
第一方面，本发明提供的原位聚合无机协同改性水泥基复合材料，包括如下质量份数的组分：水泥100份，掺合料10～30份，无机外加剂1～15份，聚合物单体1～15份；所述聚合物单体选自丙烯酰胺类单体、丙烯酸类单体、甲基丙烯酸丁酯单体、乙二醇二甲基丙烯酸酯单体和甲基丙烯酸羟乙酯单体中的一种或多种；所述无机外加剂选自碳酸钡、水滑石、熟石灰、硫酸钠、氯化钙和氢氧化铝中的一种或多种。
本发明提供的水泥基复合材料，基于合适用量的水泥、掺合料、无机外加剂和聚合物单体，利用水溶性聚合物单体在水泥水化过程中原位聚合，改善其聚合物在水泥基材料中的分散性和相容性，同时结合掺合料的火山灰效应与填充效应进一步细化水泥基材料的孔结构，从而提高水泥基材料的韧性与耐久性。
作为优选，所述聚合物单体为丙烯酰胺类单体、甲基丙烯酸丁酯单体或乙二醇二甲基丙烯酸酯单体；进一步优选为丙烯酰胺单体或甲基丙烯酸丁酯单体。本发明中采用特定聚合物单体能够更好地与水泥水化产物结合，优化水泥基材料孔结构，同时提高水泥基材料韧性与耐久性。
作为优选，所述掺合料为粉煤灰、偏高岭土、硅灰或高炉矿渣粉，优选为硅灰。
本发明中特定聚合物单体与掺合料硅灰相互作用能发挥出优异的协同效果，进一步提高水泥基材料的韧性与耐久性。
作为优选，所述无机外加剂为碳酸钡、水滑石或氢氧化铝，进一步优选为碳酸钡。
本发明中，根据不同产品需求，选择合适的无机外加剂，本发明发现采用碳酸钡、水滑石或氢氧化铝最佳为碳酸钡可以进一步低成本的提升材料的综合力学性能与耐久性。
作为优选，还包括引发剂、交联剂和促进剂，引发剂为聚合物单体的0.5～6％，交联剂为聚合物单体的0～3％，促进剂为聚合物单体的0～2％。
进一步优选，所述引发剂为过硫酸盐、亚硫酸盐、有机过氧化物-亚铁盐体系、多电子转移高价态化合物-亚硫酸盐体系和非过氧化物类引发剂中的一种或多种，优选为过硫酸铵。
进一步优选，所述交联剂为N,N-二甲基甲酰胺、六亚甲基四胺-对苯二酚、聚乙烯亚胺、对苯二胺和甲基丙烯酸二甲氨基乙酯中的一种或多种，优选为N,N-二甲基甲酰胺。
进一步优选，所述促进剂为N,N-二乙基苯胺、N,N-二甲基苯胺、N-甲基-N-羟乙基对甲苯胺及四甲基乙二胺中的一种或多种，优选为四甲基乙二胺。
本发明中，通过对添加剂的种类及用量进行优化，使得聚合物单体在水泥材料中的聚合速率可控，交联程度提升，聚合物自身强度增大，聚合物对水泥基材料改性作用增强。
进一步优选，本发明提供的水泥基复合材料，包括如下质量份数的组分：水泥100份，掺合料10～15份，无机外加剂3～5份，聚合物单体5～8份，所述引发剂为聚合物单体的2～3％，所述交联剂为聚合物单体的2.5～2.67％，所述促进剂为聚合物单体的1～2％。
本发明中，通过采用特定原料种类及其组成，并进一步优化用量，能够更好发挥原料间的协同作用，进一步提高水泥基材料的韧性与耐久性
第二方面，本发明提供的水泥基复合材料的制备方法，包括：
1)将水泥、掺合料、无机外加剂混合得到干料；
2)将聚合物单体、引发剂、交联剂、促进剂和水混合，得到原位聚合溶液；
3)将所述干料和所述原位聚合溶液混合，得到有机原位聚合-无机协同改性水泥基复合材料的浆体，将所述浆体进行浇注和养护。
本发明的有益效果至少在于：本发明提供的水泥基复合材料，在不降低力学性能的情况下，提高水泥基材料的韧性与耐久性，降低成本。本发明的水泥基复合材料，基于一定用量的水泥、掺合料、无机外加剂和聚合物单体相互作用，利用水溶性聚合物单体在水泥水化过程中原位聚合，改善其聚合物在水泥基材料中的分散性和相容性，同时结合掺合料的火山灰效应与填充效应进一步细化水泥基材料的孔结构，从而提高水泥基材料的韧性与耐久性；同时优化无机外加剂，进一步低成本的提升材料的综合力学性能与耐久性。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中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。
除非另有说明，以下实施例中使用的原料均为市售商品，或者可以通过已知方法制备。实施例中未注明具体技术或条件者，均为常规方法或者按照本领域的文献所描述的技术或条件进行，或者按照产品说明书进行。所用试剂和仪器等未注明生产厂商者，均为可通过正规渠道商购买得到的常规产品。
实施例1
将水泥1500g、硅灰150g、碳酸钡45g混合得到干料，将丙烯酰胺单体75g、过硫酸铵1.5g、N,N-二甲基甲酰胺2g、四甲基乙二胺1.5g、水675g混合得到原位聚合溶液。将干料和原位聚合溶液混合搅拌，得到有机原位聚合-无机协同改性水泥基复合材料浆体，将所得浆体进行浇注和养护。
实施例2
与实施例1基本相同，不同之处仅在于，将丙烯酰胺单体改为甲基丙烯酸丁酯。
实施例3
与实施例2基本相同，不同之处仅在于，聚合物单体为乙二醇二甲基丙烯酸酯单体。
实施例4
与实施例2基本相同，不同之处仅在于，掺合料为粉煤灰。
实施例5
与实施例2基本相同，不同之处仅在于，硅灰300g、碳酸钡15g，甲基丙烯酸丁酯45g、过硫酸铵0.9g、N,N-二甲基甲酰胺0.45g、四甲基乙二胺0.8g。
对比例1
将水泥1500g、水675g混合搅拌，将所得浆体进行浇注和养护。
对比例2
将水泥1500g、硅灰150g、碳酸钡45g、水675g混合搅拌，将所得浆体进行浇注和养护。
对比例3
将丙烯酰胺单体75g、过硫酸铵1.5g、N,N-二甲基甲酰胺2g、四甲基乙二胺1.5g、水675g混合得到原位聚合溶液。将1500g水泥和原位聚合溶液混合搅拌，得到有机原位聚合-无机协同改性水泥基复合材料浆体，将所得浆体进行浇注和养护。
按照GB/T 17671-1999水泥胶砂强度检验方法(ISO法)，对实施例1～5和对比例1～3的试块的抗压、抗折强度进行测试；将实施例1～5和对比例1～3的试块标准养护28d后浸泡在5％硫酸钠溶液中180d，测试其抗压强度。测试结果见表1。
表1测试结果
与对比例1相比，本发明的实施例可在不影响抗压强度的同时提高抗折强度与抗硫酸盐侵蚀能力。与对比例2相比，相较于只掺入无机外加剂，实施例的有机原位聚合可以在提高抗折强度的同时，进一步提高耐久性。与对比例3相比，在有机原位聚合的基础上加入合适的无机外加剂，可以在不影响强度发展的同时，进一步提高耐久性。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种原位聚合无机协同改性水泥基复合材料，其特征在于，包括如下质量份数的组分：水泥100份，掺合料10～30份，无机外加剂1～15份，聚合物单体1～15份；所述聚合物单体选自丙烯酰胺类单体、丙烯酸类单体、甲基丙烯酸丁酯单体、乙二醇二甲基丙烯酸酯单体和甲基丙烯酸羟乙酯单体中的一种或多种；所述无机外加剂选自碳酸钡、水滑石、熟石灰、硫酸钠、氯化钙和氢氧化铝中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的原位聚合无机协同改性水泥基复合材料，其特征在于，所述聚合物单体为丙烯酰胺类单体、甲基丙烯酸丁酯单体或乙二醇二甲基丙烯酸酯单体。
3.根据权利要求2所述的原位聚合无机协同改性水泥基复合材料，其特征在于，所述掺合料为粉煤灰、偏高岭土、硅灰或高炉矿渣粉。
4.根据权利要求1-3任一项所述的原位聚合无机协同改性水泥基复合材料，其特征在于，所述无机外加剂为碳酸钡、水滑石或氢氧化铝。
5.根据权利要求1-4任一项所述的原位聚合无机协同改性水泥基复合材料，其特征在于，作为优选，还包括引发剂、交联剂和促进剂，引发剂为聚合物单体的0.5～6％，交联剂为聚合物单体的0～3％，促进剂为聚合物单体的0～2％。
6.根据权利要求5所述的原位聚合无机协同改性水泥基复合材料，其特征在于，所述引发剂为过硫酸盐、亚硫酸盐、有机过氧化物-亚铁盐体系、多电子转移高价态化合物-亚硫酸盐体系和非过氧化物类引发剂中的一种或多种。
7.根据权利要求5或6所述的原位聚合无机协同改性水泥基复合材料，其特征在于，所述交联剂为N,N-二甲基甲酰胺、六亚甲基四胺-对苯二酚、聚乙烯亚胺、对苯二胺和甲基丙烯酸二甲氨基乙酯中的一种或多种。
8.根据权利要求5-7任一项所述的原位聚合无机协同改性水泥基复合材料，其特征在于，所述促进剂为N,N-二乙基苯胺、N,N-二甲基苯胺、N-甲基-N-羟乙基对甲苯胺及四甲基乙二胺中的一种或多种。
9.根据权利要求1-8任一项所述的原位聚合无机协同改性水泥基复合材料，其特征在于，包括如下质量份数的组分：水泥100份，掺合料10～15份，无机外加剂3～5份，聚合物单体5～8份，所述引发剂为聚合物单体的2～3％，所述交联剂为聚合物单体的2.5～2.67％，所述促进剂为聚合物单体的1～2％。
10.权利要求1-9任一项所述原位聚合无机协同改性水泥基复合材料的制备方法，其特征在于，包括：
1)将水泥、掺合料、无机外加剂混合得到干料；
2)将聚合物单体、引发剂、交联剂、促进剂和水混合，得到原位聚合溶液；
3)将所述干料和所述原位聚合溶液混合，得到有机原位聚合-无机协同改性水泥基复合材料的浆体，将所述浆体进行浇注和养护。
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