CN116425445A - 一种碱响应自愈合剂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碱响应自愈合剂及其制备方法和应用，本发明利用层层自组装技术将负载后的纳米粘土依次加入聚电解质溶液中，通过粘土表面电荷与聚电解质之间的静电相互作用力在纳米粘土表面交替沉积多层聚电解质薄膜，从而对负载自愈合组分的粘土进行有效封装。该封装过程操作简单，具有较快的封装速度，且所形成聚电解质膜的厚度可控，方便调控所得自愈合剂的裂缝响应能力。
Description
技术领域
本发明属于建筑混凝土及油田开发类钻固井技术领域，具体来说涉及一种碱响应自愈合剂及其制备方法和应用。
背景技术
作为最大宗的材料之一，水泥被应用于各个领域，在建筑领域，水泥是组成基础设施的主要成分，在油气资源开发领域，水泥是形成固井水泥环的重要材料。在应用过程中，受外部荷载的影响，水泥的开裂无法避免，对于基础设施而言，水泥的微裂缝极易引发外部腐蚀性介质的进入，进而导致整体结构及功能的破坏，对固井水泥环而言，裂缝的产生会造成水泥环密封完整性的下降，严重时会导致环空窜流，威胁安全生产。为延长基础设施的使用寿命，水泥自修复技术的研究意义重大，尤其是对处于井下几千米的固井水泥环而言，高效的自修复对于确保水泥环长期密封安全，提高油气开采效率必须可少。因此，无需人工干预的自愈合水泥浆作为近年来迅速发展的一项技术极具经济意义与实用价值。
自主愈合是一种常见的自愈合方式，即在水泥基材料成型时内置自愈合剂，当服役期间发生开裂时，裂缝触发自愈合剂与水泥基质和外界环境反应，生成自愈合产物封堵裂缝，主要包括微胶囊、微生物、形状记忆合金以及吸水/油膨胀物等。其中，基于微胶囊的自愈技术具有易于操作、可灵活设计、自愈性好等特点。然而，现有的微胶囊自愈合剂极易导致水泥石力学性能的下降，同时自修复效率取决于微胶囊的破裂率，因此亟需研发新的自愈合剂以解决上述问题。
发明内容
针对现有技术不足，本发明的目的在于提供一种碱响应自愈合剂的制备方法，该制备方法获得的碱响应自愈合剂快速、智能碱性响应，对水泥机械性能无负面影响。
本发明的另一目的在于提供一种上述制备方法获得的碱响应自愈合剂。
本发明的另一目的在于提供一种碱响应自愈合剂的应用。
本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。
一种碱响应自愈合剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，将纳米粘土加入六偏磷酸钠溶液中加热搅拌，静置后取上层悬浮液过筛，离心、洗涤、干燥至恒重，煅烧，得到煅烧后纳米粘土；
在所述步骤1中，所述纳米粘土为工业级纳米粘土，具体为埃洛石。
在所述步骤1中，所述加热搅拌的温度为50～70℃，加热搅拌的时间为1.5～4h。
在所述步骤1中，所述静置的时间为20～60min。
在所述步骤1中，过筛所用的筛子为200目。
在所述步骤1中，离心所用转速为8000～10000rpm，离心时间为10～20min。
在所述步骤1中，所述煅烧的时间为2.5～5h，煅烧的温度为350～600℃。
步骤2，将步骤1所得的煅烧后纳米粘土与无机盐溶液搅拌，并分散均匀，多次抽真空负载并将压力回升至大气压保持平衡后，离心，洗涤，得到负载后纳米粘土，其中，按质量份数计，所述煅烧后纳米粘土和无机盐溶液的比为1:10，所述无机盐溶液的浓度为0.1～0.3g/mL。
在所述步骤2中，所述无机盐溶液为九水合硅酸钠溶液或磷酸二氢钠溶液。
在所述步骤2中，搅拌时间为5～10min。
在所述步骤2中，所述分散均匀是在超声细胞粉碎机中进行，分散的时间为5～20min。
在所述步骤2中，所述抽真空负载的时间为30～60min。
在所述步骤2中，所述压力回升至大气压保持平衡的时间为5～10min。
在所述步骤2中，离心所用转速为6000～8000rpm，离心时间为5～8min。
在所述步骤2中，所述多次的次数为2～4次。
步骤3，将步骤2所得的负载后纳米粘土和阳离子聚电解质溶液混合均匀，加入氯化钠搅拌均匀，以使更好形成聚电解质膜，离心，洗涤，得到电荷中和纳米粘土，其中，按质量份数计，所述负载后纳米粘土、阳离子电解质溶液和氯化钠的比为1:20：0.6，所述阳离子聚电解质溶液的浓度为2～4mg/mL。
在所述步骤3中，所述阳离子聚电解质溶液的阳离子聚电解质为聚(丙烯胺盐酸盐)、壳聚糖、聚二烯丙基二甲基氯化铵或聚乙烯亚胺。
在所述步骤3中，所述混合均匀的时间为5～10min。
在所述步骤3中，所述搅拌均匀的时间为5～10min。
在所述步骤3中，离心所用转速为6000～8000rpm，离心时间为5～8min。
步骤4，将步骤3所得的电荷中和纳米粘土和阴离子聚电解质溶液搅拌均匀，离心，洗涤，其中，按质量份数计，所述电荷中和纳米粘土和阴离子聚电解质溶液的比为1:20，所述阴离子聚电解质溶液的浓度为2～4mg/mL。
在所述步骤4中，所述阴离子聚电解质溶液的阴离子聚电解质为聚苯乙烯磺酸钠、聚丙烯酸、聚乙烯基磺酸或聚磷酸铵。
在所述步骤4中，所述搅拌均匀的时间为5～10min。
在所述步骤4中，离心所用转速为6000～8000rpm，离心时间为5～8min。
步骤5，依次重复步骤3和步骤4的过程1～2次，干燥至恒重，得到碱响应自愈合剂。
在所述步骤5中，所述干燥的温度为60℃。
上述制备方法获得的碱响应自愈合剂。
上述碱响应自愈合剂在水泥基材料裂缝封堵中的应用。
本发明的优点和有益效果为：
1、本发明以纳米粘土作为自愈合组分的载体，在利用其中空管腔负载无机盐的同时，其管状纳米结构和表面化学组成(铝氧八面体和硅氧四面体)对水泥石强度的发展大有裨益，可有效降低水泥常规微胶囊自愈合剂引发的水泥石强度下降。
2、利用层层自组装技术将负载后的纳米粘土依次加入聚电解质溶液中，通过粘土表面电荷与聚电解质之间的静电相互作用力在纳米粘土表面交替沉积多层聚电解质薄膜，从而对负载自愈合组分的粘土进行有效封装。该封装过程操作简单，具有较快的封装速度，且所形成聚电解质膜的厚度可控，方便调控所得自愈合剂的裂缝响应能力。
3、利用层层自组装技术所形成的聚电解质膜层具有碱响应能力，在水泥碱性环境下能够逐渐剥落。而后在服役开裂期间，水分进入裂缝内部，碱响应自愈合剂内部无机盐被释放并进一步与水泥石内部溶解的Ca2+发生反应，生成自愈合产物从而有效封堵裂缝，该产品能够快速释放可反应组分，实现裂缝的有效自愈合。
附图说明
图1为本发明的碱响应自愈合剂的碱响应行为，其中，(a)为实施例1制备的碱响应自愈合剂，(b)为实施例2制备的碱响应自愈合剂，(c)为实施例3制备的碱响应自愈合剂。
图2为掺入实施例1制备的碱响应自愈合剂的油井水泥石的抗压强度。
图3为油井水泥石的自修复测试—直观裂缝观测图，其中，(a)纯水泥石修复前，(b)为纯水泥石修复后，(c)为掺入实施例1的碱响应自愈合剂的水泥石修复前，(d)为掺入实施例1的碱响应自愈合剂的水泥石修复后，(e)为掺入实施例3的碱响应自愈合剂的水泥石修复前，(f)为掺入实施例3的碱响应自愈合剂的水泥石修复后。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
本发明具体实施方式中使用的材料如下：
水泥：嘉华G级油井水泥。
本发明具体实施方式中使用的装置如下：
真空负载装置：2XZ-4型旋片式真空泵，临海市谭氏真空设备有限公司；
实施例1
一种碱响应自愈合剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，将纳米粘土加入六偏磷酸钠溶液中加热至60℃搅拌2h，静置30min后取上层悬浮液过200目筛子，以10000rpm的转速离心10min、并用蒸馏水洗涤、干燥至恒重，放入马弗炉中400℃煅烧4h，得到煅烧后纳米粘土，其中，所述纳米粘土为埃洛石。
步骤2，将步骤1所得的煅烧后纳米粘土与无机盐溶液搅拌10min，在超声细胞粉碎机中分散10min至均匀，在真空负载装置中，重复3次抽真空负载30min并将压力回升至大气压保持平衡5min后，以8000rpm的转速离心5min，并用蒸馏水洗涤，得到负载后纳米粘土，其中，按质量份数计，所述煅烧后纳米粘土和无机盐溶液的比为1:10，所述无机盐溶液的浓度为0.2g/mL，所述无机盐溶液为磷酸二氢钠溶液。
步骤3，将步骤2所得的负载后纳米粘土和阳离子聚电解质溶液混合5min至均匀，加入氯化钠搅拌5min至均匀，以使更好形成聚电解质膜，以8000rpm的转速离心5min，并用蒸馏水洗涤，得到电荷中和纳米粘土，其中，按质量份数计，所述负载后纳米粘土、阳离子电解质溶液和氯化钠的比为1:20：0.6，所述阳离子聚电解质溶液的浓度为3mg/mL，所述阳离子聚电解质溶液的阳离子聚电解质为聚(丙烯胺盐酸盐)。
步骤4，将步骤3所得的电荷中和纳米粘土和阴离子聚电解质溶液搅拌10min至均匀，以8000rpm的转速离心5min，并用蒸馏水洗涤，其中，按质量份数计，所述电荷中和纳米粘土和阴离子聚电解质溶液的比为1:20，所述阴离子聚电解质溶液的浓度为3mg/mL，所述阴离子聚电解质溶液为聚苯乙烯磺酸钠。
步骤5，重复步骤3和步骤4的过程1次，于60℃干燥至恒重，得到碱响应自愈合剂。
实施例2
一种碱响应自愈合剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，将纳米粘土加入六偏磷酸钠溶液中加热至50℃搅拌1.5h，静置20min后取上层悬浮液过200目筛子，以8000rpm的转速离心20min、并用蒸馏水洗涤、干燥至恒重，放入马弗炉中350℃煅烧5h，得到煅烧后纳米粘土，其中，所述纳米粘土为埃洛石。
步骤2，将步骤1所得的煅烧后纳米粘土与无机盐溶液搅拌5min，在超声细胞粉碎机中分散5min至均匀，在真空负载装置中，重复3次抽真空负载30min并将压力回升至大气压保持平衡5min后，以6000rpm的转速离心8min，并用蒸馏水洗涤，得到负载后纳米粘土，其中，按质量份数计，所述煅烧后纳米粘土和无机盐溶液的比为1:10，所述无机盐溶液的浓度为0.2g/mL，所述无机盐溶液为磷酸二氢钠溶液。
步骤3，将步骤2所得的负载后纳米粘土和阳离子聚电解质溶液混合10min至均匀，加入氯化钠搅拌5min至均匀，以使更好形成聚电解质膜，以6000rpm的转速离心8min，并用蒸馏水洗涤，得到电荷中和纳米粘土，其中，按质量份数计，所述负载后纳米粘土、阳离子电解质溶液和氯化钠的比为1:20：0.6，所述阳离子聚电解质溶液的浓度为3mg/mL，所述阳离子聚电解质溶液的阳离子聚电解质为聚(丙烯胺盐酸盐)。
步骤4，将步骤3所得的电荷中和纳米粘土和阴离子聚电解质溶液搅拌5min至均匀，以6000rpm的转速离心8min，并用蒸馏水洗涤，其中，按质量份数计，所述电荷中和纳米粘土和阴离子聚电解质溶液的比为1:20，所述阴离子聚电解质溶液的浓度为3mg/mL，所述阴离子聚电解质溶液的阴离子聚电解质为聚苯乙烯磺酸钠。
步骤5，重复步骤3和步骤4的过程1次，于60℃干燥至恒重，得到碱响应自愈合剂。
实施例3
一种碱响应自愈合剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，将纳米粘土加入六偏磷酸钠溶液中加热至70℃搅拌4h，静置60min后取上层悬浮液过200目筛子，以9000rpm的转速离心15min、并用蒸馏水洗涤、干燥至恒重，放入马弗炉中600℃煅烧2.5h，得到煅烧后纳米粘土，其中，所述纳米粘土为埃洛石。
步骤2，将步骤1所得的煅烧后纳米粘土与无机盐溶液搅拌8min，在超声细胞粉碎机中分散20min至均匀，在真空负载装置中，重复3次抽真空负载60min并将压力回升至大气压保持平衡10min后，以7000rpm的转速离心7min，并用蒸馏水洗涤，得到负载后纳米粘土，其中，按质量份数计，所述煅烧后纳米粘土和无机盐溶液的比为1:10，所述无机盐溶液的浓度为0.2g/mL，所述无机盐溶液为九水合硅酸钠溶液。
步骤3，将步骤2所得的负载后纳米粘土和阳离子聚电解质溶液混合7min至均匀，加入氯化钠搅拌7min至均匀，以使更好形成聚电解质膜，以7000rpm的转速离心，并用蒸馏水洗涤，得到电荷中和纳米粘土，其中，按质量份数计，所述负载后纳米粘土、阳离子电解质溶液和氯化钠的比为1:20：0.6，所述阳离子聚电解质溶液的浓度为3mg/mL，所述阳离子聚电解质溶液的阳离子聚电解质为壳聚糖。
步骤4，将步骤3所得的电荷中和纳米粘土和阴离子聚电解质溶液搅拌8min至均匀，以7000rpm的转速离心7min，并用蒸馏水洗涤，其中，按质量份数计，所述电荷中和纳米粘土和阴离子聚电解质溶液的比为1:20，所述阴离子聚电解质溶液的浓度为3mg/mL，所述阴离子聚电解质溶液为聚苯乙烯磺酸钠溶液。
步骤5，重复步骤3和步骤4的过程2次，于60℃干燥至恒重，得到碱响应自愈合剂。
实施例4
一种碱响应自愈合剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，将纳米粘土加入六偏磷酸钠溶液中加热至60℃搅拌2h，静置30min后取上层悬浮液过200目筛子，以8000rpm的转速离心10min、并用蒸馏水洗涤、干燥至恒重，放入马弗炉中500℃煅烧3.5h，得到煅烧后纳米粘土，其中，所述纳米粘土为埃洛石。
步骤2，将步骤1所得的煅烧后纳米粘土与无机盐溶液搅拌10min，在超声细胞粉碎机中分散15min至均匀，在真空负载装置中，重复4次抽真空负载45min并将压力回升至大气压保持平衡8min后，以8000rpm的转速离心5min，并用蒸馏水洗涤，得到负载后纳米粘土，其中，按质量份数计，所述煅烧后纳米粘土和无机盐溶液的比为1:10，所述无机盐溶液的浓度为0.1g/mL，所述无机盐溶液为九水合硅酸钠溶液。
步骤3，将步骤2所得的负载后纳米粘土和阳离子聚电解质溶液混合5min至均匀，加入氯化钠搅拌5min至均匀，以使更好形成聚电解质膜，以8000rpm的转速离心5min，并用蒸馏水洗涤，得到电荷中和纳米粘土，其中，按质量份数计，所述负载后纳米粘土、阳离子电解质溶液和氯化钠的比为1:20：0.6，所述阳离子聚电解质溶液的浓度为2mg/mL，所述阳离子聚电解质溶液为聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液。
步骤4，将步骤3所得的电荷中和纳米粘土和阴离子聚电解质溶液搅拌10min至均匀，以8000rpm的转速离心5min，并用蒸馏水洗涤，其中，按质量份数计，所述电荷中和纳米粘土和阴离子聚电解质溶液的比为1:20，所述阴离子聚电解质溶液的浓度为2mg/mL，所述阴离子聚电解质溶液为聚乙烯基磺酸溶液。
步骤5，重复步骤3和步骤4的过程2次，于60℃干燥至恒重，得到碱响应自愈合剂。
实施例5
一种碱响应自愈合剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，将纳米粘土加入六偏磷酸钠溶液中加热至70℃搅拌2h，静置30min后取上层悬浮液过200目筛子，以8000rpm的转速离心10min、并用蒸馏水洗涤、干燥至恒重，放入马弗炉中400℃煅烧4h，得到煅烧后纳米粘土，其中，所述纳米粘土为埃洛石。
步骤2，将步骤1所得的煅烧后纳米粘土与无机盐溶液搅拌10min，在超声细胞粉碎机中分散20min至均匀，在真空负载装置中，重复2次抽真空负载30min并将压力回升至大气压保持平衡5min后，以8000rpm的转速离心5min，并用蒸馏水洗涤，得到负载后纳米粘土，其中，按质量份数计，所述煅烧后纳米粘土和无机盐溶液的比为1:10，所述无机盐溶液的浓度为0.3g/mL，所述无机盐溶液为磷酸二氢钠溶液。
步骤3，将步骤2所得的负载后纳米粘土和阳离子聚电解质溶液混合5min至均匀，加入氯化钠搅拌5min至均匀，以使更好形成聚电解质膜，以8000rpm的转速离心5min，并用蒸馏水洗涤，得到电荷中和纳米粘土，其中，按质量份数计，所述负载后纳米粘土、阳离子电解质溶液和氯化钠的比为1:20：0.6，所述阳离子聚电解质溶液的浓度为4mg/mL，所述阳离子聚电解质溶液为聚乙烯亚胺溶液。
步骤4，将步骤3所得的电荷中和纳米粘土和阴离子聚电解质溶液搅拌10min至均匀，以8000rpm的转速离心5min，并用蒸馏水洗涤，其中，按质量份数计，所述电荷中和纳米粘土和阴离子聚电解质溶液的比为1:20，所述阴离子聚电解质溶液的浓度为4mg/mL，所述阴离子聚电解质溶液为聚磷酸铵溶液。
步骤5，重复步骤3和步骤4的过程1次，于60℃干燥至恒重，得到碱响应自愈合剂。
为了监测本发明的制备方法的层层自组装过程并确保碱响应自愈合剂的成功封装，对实施例1～5制备的碱响应自愈合剂在封装过程中表面Zeta电位的变化进行了测试，如表1所示，由于埃洛石外表面由硅氧四面体构成，故其表面呈负电，其表面电荷约为-20mV。当将其加入阳离子聚电解质溶液进行第一次聚电解质自组装后，阳离子聚电解质在静电作用力下沉积在带负电的埃洛石表面，致使表面电势发生明显变化，Zeta电位由负变正，证明第一层聚电解质薄膜的生成。该过程中阳离子的过度补偿沉积成为了后续阴离子聚电解质继续沉积的驱动力。随后在阴离子聚电解质溶液中，在静电作用力吸引下，阴离子聚电解质吸附沉积在呈正电的聚电解质膜上，并改变了表面电势，使其Zeta电位变为负值。该封装过程交替重复进行，由于重复步骤3和步骤4的次数不同，实施例1、实施例2及实施例5所制备的碱响应自愈合剂表面包覆了4层聚电解质，而实施例3和实施例4制备的碱响应自愈合剂表面包覆了6层聚电解质。从表1中可以看出，由于所用聚电解质种类的不同，Zeta电位的绝对值有一定差异，但是电位变化的总体趋势均为正负交替变化，证实了层层自组装程序的顺利进行。
表1
为证实所合成的碱响应自愈合剂能够在水泥基体内部实现智能碱性响应，一是能够在水泥基体的碱性环境下发生膜层脱落，能够在裂缝出现时提供自愈合组分；二是碱响应行为的快慢对封堵效果有影响，碱响应过快会出现在拌浆时就释放自愈合组分，碱响应过慢，影响封堵的效果，所以一般响应时间要在水泥固化后进行，一般约4-5小时。
本发明利用pH＝12的NaOH溶液模拟水泥石内部的碱性环境对碱响应自愈合剂的碱响应行为进行了测试，结果如图1所示。从图中可以看出，碱响应自愈合剂在蒸馏水中均没有出现内容物的释放，证实了碱响应自愈合剂的成功封装。而在pH＝12的NaOH溶液中，实施例1(图1(a))和实施例2(图1(b))制备的具有4层聚电解质包覆的碱响应自愈合剂表现出相似的碱响应释放行为，均在浸泡5h后出现了明显的内容物(磷酸盐)释放，并且释放量在12小时前迅速增加。在碱性环境下，阳离子聚电解质的电荷密度发生变化，导致阴阳离子聚电解质之间的静电作用力变弱甚至消失，从而导致了碱响应自愈合剂表面聚电解质膜的脱落，位于埃洛石管端及吸附在表面的磷酸盐快速溶解至水中。随后，装载在内腔的磷酸盐由于管壁的阻挡需要扩散到埃洛石的两端，然后逐渐释放到环境中，故磷酸盐释放速率变慢。随着时间的延长，释放量稳步上升直至168h达到稳定状态。而实施例3所制备的碱响应自愈合剂具有6层聚电解质膜，其在NaOH溶液中的碱响应行为要比其他两种慢一些，如图1(c)所示。因具有相同的聚电解质层数，实施例5表现出与实施例1，实施例2相似的碱响应行为，实施例4则是具有和实施例3相似的碱响应行为，此处不再赘述。
将实施例1制备的碱响应自愈合剂以嘉华G级油井水泥质量的3％和5％加入到水泥体系中，水泥浆的制备方法及抗压强度试样制备、测试方式均参照GB/T19139—2012《油井水泥试验方法》进行。图2为掺入实施例1制备的碱响应自愈合剂的油井水泥石在60℃养护3天、7天和28天的抗压强度图。从图2中可以看出碱响应自愈合剂的加入并不会给水泥石的抗压强度带来负面影响，相反的，含有3％的碱响应自愈合剂的水泥石的抗压强度在养护7天后其抗压强度相较于纯水泥的强度提高了9.4％，而当碱响应自愈合剂的加量增加至5％时，其抗压强度提高了约10.7％。如图2所示，继续养护至28天后，含有碱响应自愈合剂的水泥石仍具有比纯水泥高的抗压强度。与纯水泥试样相比，碱响应自愈合剂含量为3％的试样的抗压强度提高了3.5％，碱响应自愈合剂含量增加至5％时，试样的抗压强度进一步提高了4.2％。抗压强度的提高一是因为埃洛石的纳米填孔效应以及桥接作用，二是，当表面聚电解质脱落后，埃洛石表面的氧化铝和二氧化硅会发生解离，从而发挥火山灰效应，形成更为致密的水化产物。因具有相同的原料组成，故实施例2，实施例3，实施例4，实施例5对水泥石长期抗压强度的影响与实施例1相似。
对纯水泥和含有实施例1及实施例3制备的碱响应自愈合剂的水泥试样进行自修复测试——直观裂缝观测。参照GB/T19139—2012《油井水泥试验方法》制备了尺寸为20mm×20mm×15mm的试样，在养护7天后，将其从中间劈裂，在其中一个断裂面的四个角上贴上双面胶，而后将两块水泥石重新拼接在一起并用U型夹固定。因双面胶的存在，重新拼接的水泥石中间会出现一条裂缝，裂缝的宽度可以通过双面胶的层数控制。在该测试中，裂缝的宽度被控制在200μm左右，并放入60℃水浴锅进行进一步修复养护。利用超景深显微镜对造缝后和养护7天后的裂缝区域进行拍照记录。图3为掺入实施例1制备的碱响应自愈合剂的油井水泥石自修复测试—直观裂缝观测图。图3(a)为纯水泥修复前的裂缝图像，图3(b)为经过7天的修复后裂缝的图像。可以看出经过为期7天的修复养护后，裂缝边缘出现零星自修复产物，但是裂缝宽度没有发生明显变化。而图3(c)和图3(d)分别为含有5％实施例1制备的碱响应自愈合剂的水泥石修复前后的裂缝图像，从中可以看出，含有5％实施例1制备碱响应自愈合剂的水泥石裂缝在经过7天的养护后，裂缝中出现了大量的自修复产物，裂缝被完全密封。图3(e)和图3(f)分别是含有5％实施例3制备的碱响应自愈合剂的水泥石修复前后的裂缝图像。从图中可以看出，相比于纯水泥，含有实施例3的水泥石裂缝内部出现了白色的自愈合产物，但由于因为实施例3制备的自愈合剂较实施例1具有较慢的碱响应行为，所以在7天时裂缝未完全密封，但整体裂纹的闭合效率也达到了90％，继续延长养护时间即可使裂缝完全闭合。含有实施例2和实施例5制备的碱响应自愈合剂的水泥石具有与含有实施例1制备的碱响应自愈合剂的水泥石相似的自愈合能力，而含实施例4制备的碱响应自愈合剂的水泥石具有与含实施例3制备的碱响应自愈合剂的水泥石相似的自愈合能力。
本发明的碱响应自愈合剂具有智能响应行为，能够有效提高水泥基体的自愈合能力，同时对水泥石力学性能无负面影响。该碱响应自愈合剂以具有中空管状结构的纳米粘土为载体，并采用层层自组装技术进行封装。将其掺入水泥基体后，因阳离子聚电解质在碱性环境下会发生电荷密度的改变，碱响应自愈合剂表面正负交替的聚电解质封装膜会逐渐解离脱落。当裂缝出现时，水分入侵，碱响应自愈合剂表面聚电解质膜进一步脱除，并快速释放出内部愈合组分与水泥基体内部Ca2+发生反应，从而生成大量自愈合产物并密封裂缝。同时，纳米粘土的火山灰效应也有利于裂缝区力学性能的恢复，对于水泥环开裂后的长期功能恢复具有积极作用。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种碱响应自愈合剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将纳米粘土加入六偏磷酸钠溶液中加热搅拌，静置后取上层悬浮液过筛，离心、洗涤、干燥至恒重，煅烧，得到煅烧后纳米粘土；
步骤2，将步骤1所得的煅烧后纳米粘土与无机盐溶液搅拌并分散均匀，多次抽真空负载并将压力回升至大气压保持平衡后，离心，洗涤，得到负载后纳米粘土，其中，按质量份数计，所述煅烧后纳米粘土和无机盐溶液的比为1:10，所述无机盐溶液的浓度为0.1～0.3g/mL；
步骤3，将步骤2所得的负载后纳米粘土和阳离子聚电解质溶液混合均匀，加入氯化钠搅拌均匀，以使更好形成聚电解质膜，离心，洗涤，得到电荷中和纳米粘土，其中，按质量份数计，所述负载后纳米粘土、阳离子电解质溶液和氯化钠的比为1:20：0.6，所述阳离子聚电解质溶液的浓度为2～4mg/mL；
步骤4，将步骤3所得的电荷中和纳米粘土和阴离子聚电解质溶液搅拌均匀，离心，洗涤，其中，按质量份数计，所述电荷中和纳米粘土和阴离子聚电解质溶液的比为1:20，所述阴离子聚电解质溶液的浓度为2～4mg/mL；
步骤5，依次重复步骤3和步骤4的过程1～2次，干燥至恒重，得到碱响应自愈合剂。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤1中，所述纳米粘土为工业级纳米粘土，为埃洛石；
在所述步骤1中，所述加热搅拌的温度为50～70℃，加热搅拌的时间为1.5～4h；
在所述步骤1中，所述静置的时间为20～60min；
在所述步骤1中，过筛所用的筛子为200目。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤1中，离心所用转速为8000～10000rpm，离心时间为10～20min；
在所述步骤1中，所述煅烧的时间为2.5～5h，煅烧的温度为350～600℃。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤2中，所述无机盐溶液为九水合硅酸钠溶液或磷酸二氢钠溶液。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤2中，搅拌时间为5～10min；
在所述步骤2中，所述分散均匀是在超声细胞粉碎机中进行，分散的时间为5～20min；
在所述步骤2中，所述抽真空负载的时间为30～60min；
在所述步骤2中，所述压力回升至大气压保持平衡的时间为5～10min；
在所述步骤2中，离心所用转速为6000～8000rpm，离心时间为5～8min；
在所述步骤2中，所述多次的次数为2～4次。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤3中，所述阳离子聚电解质溶液的阳离子聚电解质为聚(丙烯胺盐酸盐)、壳聚糖、聚二烯丙基二甲基氯化铵或聚乙烯亚胺。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤3中，所述混合均匀的时间为5～10min；
在所述步骤3中，所述搅拌均匀的时间为5～10min；
在所述步骤3中，离心所用转速为6000～8000rpm，离心时间为5～8min。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤4中，所述阴离子聚电解质溶液的阴离子聚电解质为聚苯乙烯磺酸钠、聚丙烯酸、聚乙烯基磺酸或聚磷酸铵；
在所述步骤4中，所述搅拌均匀的时间为5～10min；
在所述步骤4中，离心所用转速为6000～8000rpm，离心时间为5～8min。
9.如权利要求1～8中任一项所述的制备方法获得的碱响应自愈合剂。
10.一种如权利要求9所述的碱响应自愈合剂在水泥基材料裂缝封堵中的应用。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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