无机矿物聚合材料（共6篇）
无机矿物聚合材料 篇1
摘要：研究活性集料掺量、水玻璃掺量、水玻璃模数等因素对无机矿物聚合材料碱集料反应(AAR)膨胀率的影响。结果表明,无机矿物聚合材料AAR膨胀率随水玻璃掺量增加而降低,随水玻璃模数的升高,先增大后减小。无机矿物聚合材料的抗AAR性能优于普通硅酸盐水泥。
关键词：无机矿物聚合材料,碱集料反应,矿渣,偏高岭土
无机矿物聚合材料(Geopolymer)是以天然铝硅酸盐矿物或工业固体废物(粉煤灰、煤矸石以及矿渣)为主要原料,与含铝质黏土(主要为偏高岭土或高岭石)和适量碱硅酸盐溶液充分混合后,在20～120℃低温条件下成型硬化,生成的一类新型碱激发胶凝材料[1,2]。这种材料内部为三维网状结构,具有高强度、高耐腐蚀性、耐高温、导热率低等优点[3,4,5,6],并且原材料价格低廉,储量丰富,可以减少污染,降低能耗,具有广阔的应用前景。
碱集料反应(AAR)是指混凝土孔隙中的碱性溶液(KOH、NaOH)与集料中的碱活性成分发生化学反应,生成膨胀物质(或吸水膨胀物质),使混凝土内部产生自膨胀应力,造成混凝土开裂破坏,是引起混凝土结构破坏的主要因素之一。无机矿物聚合材料中,碱组分是重要成分之一,能否发生碱-集料反应是广大学者担忧的问题,也是决定其能否在混凝土中广泛应用的关键所在。笔者针对无机矿物聚合材料的抗碱集料反应能力展开研究。
1 试验
1.1 原材料
矿渣:鞍山钢铁股份有限公司产高炉矿渣粉,符合GB/T18046—2000《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》要求,其主要化学成分见表1。
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偏高岭土:内蒙古煅烧偏高岭土,主要化学成分见表2。
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碱性激发剂:用高模数水玻璃与NaOH复合调配成的低模数水玻璃作为碱性激发剂。水玻璃,沈阳方达化工厂生产,模数3.3～3.4,Na2O含量为8.06%,SiO2含量为25.90%;NaOH,国药集团化学试剂有限公司产,分析纯,固含量不低于96%。
集料:活性集料,沈阳法库金圣达精细微晶石公司产石英玻璃砂,该集料主要含玻璃体;非活性集料,标准砂。
1.2 试验方法
按照美国ASTM C 1260—94《骨料潜在碱活性试验方法》(快速砂浆棒法)进行试验。
试件制备:将矿渣、偏高岭土在搅拌锅中搅匀,加入试验前1 d配制好的低模数水玻璃溶液,搅匀,然后加入细集料,搅匀后倒入25 mm×25 mm×285 mm试模中,成型无机矿物聚合物胶砂试件,每组3块。养护24 h后脱模,放入(80±2)℃的水浴中,24 h后取出试件,测量基准长度。然后将试件浸泡在(80±2)℃、1 mol/L的NaOH溶液中,一定龄期后测其长度,计算膨胀率。取每组3个试件的平均膨胀值(精确至0.01%)作为该组材料在给定龄期的膨胀值。在试验中,将无机矿物聚合物胶砂试件在NaOH溶液中浸泡龄期延长至28 d。
2 结果与分析
2.1 活性集料掺量的确定
以普通硅酸盐水泥为胶结料,按ASTM C 1260—94判断石英玻璃砂的碱活性。然后确定石英玻璃砂在无机矿物聚合材料中的“最不利含量”。石英玻璃砂和标准砂2种不同集料的膨胀曲线见图1。
由图1可见,掺标准砂的普通硅酸盐水泥胶砂试件浸泡在NaOH溶液中会逐渐产生膨胀。掺石英玻璃砂的试件7 d膨胀率已达0.177%,14 d膨胀率为0.28%,已经超过0.2%,故判定石英玻璃砂为碱活性集料。掺标准砂的试件14 d膨胀率为0.06%,小于0.1%,不具有潜在碱集料反应活性,所以判定标准砂为非活性集料。
图2是水玻璃掺量(以Na2O%计,下同)为4%时,石英玻璃砂掺量对无机矿物聚合材料各龄期AAR膨胀率的影响。
由图2可见,掺石英玻璃砂的无机矿物聚合材料在NaOH溶液中的膨胀率随着浸泡龄期的延长而增大,并且石英玻璃砂掺量在10%～15%时,无机矿物聚合材料的AAR膨胀率达到最大。说明这种活性集料存在引起试件最大膨胀的特定含量,当含量大于或小于特定值,无机矿物聚合材料的膨胀率都将减小,相应的含量称为“最不利含量”。石英玻璃砂在无机矿物聚合材料中的“最不利含量”为10%～15%。
2.2 水玻璃掺量对AAR膨胀率的影响
根据确定的石英玻璃砂“最不利含量”,取石英玻璃砂掺量为15%、水玻璃模数为1.4,以水玻璃掺量为变量,无机矿物聚合材料AAR膨胀率的变化曲线见图3。
从图3可以看出,水玻璃掺量为3%、4%、5%的试件,14 d膨胀率分别为0.047%、0.038%、0.026%,28 d膨胀率分别为0.107%、0.055%、0.034%。试件膨胀率随水玻璃掺量增加呈降低趋势,水玻璃掺量为5%的试件膨胀率最小,抗碱集料反应效果最好。
水玻璃掺量对无机矿物聚合材料抗压强度的影响见图4。由图4可以看出,随水玻璃掺量增加,无机矿物聚合材料胶砂的抗压强度增大。水玻璃掺量增加,溶液中碱度增大,更好地激发原材料活性,使矿渣与偏高岭土中的SiO2与Al2O3易于断键,解聚生成[SiO4]四面体和[AlO4]四面体,进而发生缩聚反应,生成新的—O—Si—O—Al—O—无机聚合物网络结构[7]。强度增加,说明参与聚合作用的碱量增多,生成的产物量增大,材料内部结构更加密实。剩余碱含量和初始碱掺量的多少并非成正比关系,因此膨胀率不是随着水玻璃掺量的增加而增大。
根据ASTM C 1260—94评定标准,试件14 d膨胀率小于0.1%时,不会发生碱集料反应,说明当水玻璃掺量为3%～5%,无机矿物聚合材料不会发生碱集料反应。但水玻璃掺量为3%的试件,28 d膨胀率大于0.1%,有潜在的碱集料反应活性,结合力学性能考虑,无机矿物聚合材料在使用过程中,水玻璃掺量以5%为最佳。
2.3 水玻璃模数对AAR膨胀率影响
在水玻璃掺量为4%时,水玻璃模数对无机矿物聚合材料碱集料反应膨胀率的影响如图5所示。
由图5可以看出,水玻璃模数升高,无机矿物聚合材料碱集料反应膨胀率呈先增大后减小的规律,膨胀率以水玻璃模数为1.2时最小,水玻璃模数为1.6时最大。
有研究表明[8],溶解活性硅形成碱硅凝胶的数量与其向水泥石液相扩散的难易程度有关。无机矿物聚合材料基体液相中的硅离子浓度和液相黏度均随水玻璃模数的升高而增大,这样会阻碍溶解活性硅向液相的扩散和迁移,使溶解活性硅趋向于形成膨胀性碱硅凝胶,从而使试件膨胀率增大[9]。当水玻璃模数增大到一定量后,液相黏度增大,以至影响激发效果,液相对活性集料的溶解能力降低,试件的碱集料反应膨胀率下降。
2.4 与普通硅酸盐水泥胶砂AAR膨胀率比较
通过对影响无机矿物聚合材料碱集料反应主要因素的分析,选取水玻璃掺量为5%、水玻璃模数为1.4的无机矿物聚合材料胶砂试件(G),与普通硅酸盐水泥胶砂试件(P)的膨胀率进行比较,结果见图6。
由图6可以看出,无机矿物聚合材料胶砂试件各龄期的碱集料反应膨胀率都远小于普通硅酸盐水泥,说明其抗碱集料反应性能要优于普通硅酸盐水泥胶砂试件。根据Lee和Van Deventer[10]的研究,无机矿物聚合材料中,激发剂在激发原材料中SiO2的同时,也能溶解活性集料中的SiO2,使其参与矿物聚合反应,消除了薄弱的界面过渡区,使结构更加密实。在无机矿物聚合材料中,碱激发剂中的大部分碱参与了碱激发反应,剩余碱含量不高,而活性集料中的一部分SiO2又被碱激发剂溶解,因此在无机矿物聚合物中发生碱集料反应的可能性较小。
3 结论
(1)水玻璃掺量对无机矿物聚合材料的AAR膨胀率影响很大。当水玻璃掺量为3%～5%时,随着水玻璃掺量(以Na2O计)增大,无机矿物聚合材料的AAR膨胀率逐渐降低。水玻璃掺量为5%时,试件膨胀率最小,抗碱集料反应效果最佳。
(2)水玻璃模数和活性集料掺量对无机矿物聚合材料AAR膨胀率有一定影响。水玻璃模数在1.2～1.8时,无机矿物聚合物的碱集料反应膨胀率随水玻璃模数的增大呈先增加后降低趋势,水玻璃模数为1.2时膨胀率最小,1.6时膨胀率最大。石英玻璃砂掺量在10%～15%时,能引起无机矿物聚合材料的最大碱集料反应膨胀。
(3)用ASTM C 1260—94进行评价,当水玻璃掺量为3%～5%时,无机矿物聚合材料不会发生碱集料反应,但水玻璃掺量为3%时,试件有潜在的碱集料反应活性,结合力学性能考虑,无机矿物聚合材料中水玻璃掺量以5%为最佳。
参考文献
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无机矿物聚合材料 篇2
1 原材料与试验方法
1.1 原材料
高岭土:采用内蒙古产煅烧高岭土,主要化学成分见表1。
%
矿渣:采用鞍山钢铁股份有限公司产粒化高炉矿渣粉,符合GB/T 18046—2000《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》要求,主要化学成分见表2。
%
水玻璃:沈阳方达化工厂生产,模数3.4,Na2O含量8.53%,Si O2含量28.46%。
KOH:国药集团化学试剂有限公司生产,分析纯,白色均匀粒状或片状固体,含量不低于82.0%。
1.2 试验方法
根据前期大量的试验,确定矿渣与偏高岭土的质量比为8∶2,固液比为2.3。碱性激发剂的组成为:水玻璃占液相的60%,KOH占液相的7%,水占液相的33%[3]。将偏高岭土与矿渣混合均匀并放入水泥净浆搅拌锅中,加入预先配制好的碱性激发剂进行搅拌,搅拌好的拌合物装入20 mm×20 mm×20mm试模中并进行振捣以释放其中的气泡。室温成型24 h后脱模,测试在不同养护制度下无机矿物聚合材料的力学性能。
2 结果与讨论
2.1 养护温度对抗压强度的影响
按照上述配比拌合装模成型,脱模后分别放入20、40、60、80、100℃恒温水浴养护2 h,取出后放入标准养护室中养护,分别测量其1、3、7和28 d抗压强度。不同养护温度下矿渣基无机矿物聚合材料(SG)净浆的抗压强度见图1。
由图1可以看出,在对矿渣基无机矿物聚合材料进行不同温度的养护过程中,早期抗压强度随着养护温度的升高而增大。这说明在无机矿物聚合材料的形成过程中,养护温度的升高会加快聚合反应的发生,提高其早期的强度。当养护温度为80℃时,试件各龄期的抗压强度值均比较高,而当养护温度超过80℃时,试件的28 d抗压强度开始下降,故选择最适宜的养护温度为80℃。
根据反应动力学可知,反应速率K和温度T之间的关系为:
式中:A、R——常数;
Ea——反应活化能。
由式(1)可知,随着反应温度的升高,反应速率K呈指数关系增大,温度升高化学反应速率显著变大。无机矿物聚合材料的铝硅酸盐解聚、聚合过程中,在一定反应活化能条件下,反应体系温度低,导致铝硅酸盐发生解聚反应的速率低。在此过程中,体系中溶解出来的铝酸盐和硅酸盐低聚体的含量低,而这些铝酸盐和硅酸盐低聚体是随后进行铝硅酸盐聚合反应的反应物,它们通过脱羟基形成桥氧相互连接在一起,这一过程也由于体系的温度低,聚合反应很难发生或者反应速率很慢,物料只是物理胶结在一起,其中没有形成化学键,造成材料的抗压强度很低。升高温度可使反应体系中的铝硅酸盐解聚和聚合反应速率增加,铝硅酸盐解聚和聚合反应迅速进行,宏观上表现为无机矿物聚合材料的抗压强度明显增大。但过高的温度会使聚合反应剧烈进行,生成的大量聚合产物将未反应的原材料包裹起来,不利于后期聚合反应的发生[4]。另外,当温度超过100℃时,所产生的水蒸气会产生劈裂效应,使试件的表面出现微裂纹,导致抗压强度降低。
2.2 养护时间对抗压强度的影响
按照上述配比拌合装模成型,脱模后放入80℃恒温水浴,分别养护2、4、6、8、10和12 h后放入标准养护室中养护,至规定龄期后测其抗压强度。不同养护时间下SG净浆的抗压强度见图2。
由图2可以看出,在80℃恒温水浴养护中,随养护时间的延长,矿渣基无机矿物聚合材料的抗压强度不断升高。1 d和3 d抗压强度都在养护12 h达到高峰,而7 d和28 d峰值出现在养护10 h。这说明存在合适的养护时间,适当的高温养护可以提高矿渣基无机矿物聚合材料的早期强度,但养护时间过长会对其后期强度的增长产生负面影响。
在矿渣基无机矿物聚合材料固结的开始阶段,由于无机矿物聚合反应速度较快造成强度发展也较快,但随着养护时间的延长,体系中碱含量的减少,聚合反应速度降低,造成强度增长缓慢[5]。
2.3 养护湿度对抗压强度的影响
选择养护温度为80℃、养护时间为10 h,按照上述配比拌合装模成型,24 h脱模后分别放入相对湿度为70%、90%、100%的养护箱内养护,分别测试其1、3、7和28 d抗压强度。不同养护湿度下SG净浆的抗压强度见图3。
由图3分析可知,养护湿度为70%~100%时,矿渣基无机矿物聚合材料的1、3、7和28 d抗压强度都随着养护湿度的提高而逐渐下降,这说明养护湿度对矿渣基无机矿物聚合材料抗压强度的影响很大。由激发原理可知,水在矿物聚合反应的过程中主要起传输介质的作用,直接参与矿物聚合反应的数量极少,如果水的含量过大,会在聚合物内部产生大量孔隙,有效抵抗荷载的面积减少,导致无机矿物聚合材料的力学性能降低[6]。
2.4 无机矿物聚合材料的物理力学性能
通过养护温度、养护时间和养护湿度对无机矿物聚合材料抗压强度影响规律的研究可以看出,养护温度在0~100℃内,随着温度的升高,其早期强度随之增大;在80℃恒温水浴下,养护时间在0~12 h内的增长,也可提高其早期强度;养护湿度超过70%时,养护湿度的增大会降低其力学性能。选取无机矿物聚合材料养护制度:养护温度为80℃,养护时间为10 h,养护湿度为70%,在此条件下制备的无机矿物聚合材料的性能见表3。
3 结论
(1)养护温度在0~80℃内,无机矿物聚合材料的抗压强度随着养护温度的升高,早期强度随着增大。
(2)矿渣基无机矿物聚合材料在80℃恒温水浴中养护一定时间,随着养护时间的延长,抗压强度升高。当养护时间为12 h时,1 d和3 d抗压强度达到最大值;当养护时间为10 h时,7 d和28 d抗压强度达到最大值。这说明适当的高温养护可以提高矿渣基无机矿物聚合材料的早期强度,但养护时间过长,会对其后期强度的增长产生负面影响。
(3)养护湿度对矿渣基无机矿物聚合材料抗压强度的影响很大,养护湿度为70%~100%时,其抗压强度随着养护湿度的增大而降低。
(4)选取养护温度为80℃,养护时间为10 h,养护湿度为70%,制备的无机矿物聚合材料的7 d抗压强度达到85.5 MPa,安定性合格,凝结时间为50~200 min,可用于有早强要求的特殊工程。
参考文献
[1]张云升,孙伟,沙建芳,等.粉煤灰地聚合物混凝土的制备、特性及机理[J].混凝土与水泥制品,2003(2):13-15.
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无机矿物聚合材料 篇3
无机矿物聚合物是以工业固体废弃物为主要原料, 偏高岭土和适量碱硅酸盐溶液充分混合后成型硬化形成的一种新型生态节能材料。研究认为, 矿物掺合料的使用可以增强氯离子结合能力[1], 无机矿物聚合物复合水泥混凝土水溶性氯离子有效扩散系数只有普通混凝土的17%[2]。无机矿物聚合物混凝土中可溶性硅酸盐浓度较高时, 颗粒表面玻璃体发生明显结构改变[3], 因此无机矿物聚合物混凝土中Ca O含量及n (Si O2) /n (Al2O3) 对其氯离子渗透性的影响是结合生态节能型材料与提高材料耐久性两个方面进行研究, 在提高工业固体废料使用的同时, 增加建筑材料的使用寿命。
笔者探讨了原材料中矿渣、粉煤灰和偏高岭土含量不同导致不同Ca O含量对无机矿物聚合物混凝土氯离子渗透性的影响。
1 试验
1.1 原材料
矿渣:粒化矿渣粉, 矿渣主要化学成分见表1。
%
偏高岭土:主要化学成分见表2。
%
粉煤灰:主要化学成分见表3。
%
水玻璃:模数为3.2~3.5, Na2O含量不少于8.3%, Si O2含量不少于27%, 使用前对其模数进行调整。
细集料:石英玻璃砂。
粗集料:碎石, 粒径在5 mm~31.5 mm之间, 连续级配。
1.2 无机矿物聚合物混凝土配合比
无机矿物聚合物混凝土配合比:水胶比为0.5, 单位用水量为180 kg/m3, 砂率为35%, 水玻璃模数为1.4。
1.3 试验方法
无机矿物聚合物混凝土氯离子渗透试验。试验制作100 mm×50 mm圆柱体试块, 将试块在标准条件下养护14 d, 对表面进行物理干燥及防水密封处理。在真空压力锅中浸水1 h后, 恢复常压浸泡18 h±2 h。将试件两端各安置紫铜板后装入试验装置中, 一端浸入0.3 mol的Na OH溶液, 连接为正极, 另一端浸入3%的Na Cl溶液, 连接为负极。施以60 V电压与正负电极端, 其氯离子渗透性根据通电6 h通过的电量总和评价。
本试验中无机矿物聚合物混凝土氯离子渗透性根据ASTMC1202电通量法测定。
2 试验结果及分析
2.1 Ca O含量及n (Si O2) /n (Al2O3) 对无机矿物聚合物混凝土氯离子渗透的影响
1) Ca O含量对无机矿物聚合物混凝土氯离子渗透的影响。图1为无机矿物聚合物混凝土在Ca O含量分别为10%, 15%和20%时的6 h电通量值。
相同养护条件的不同Ca O含量无机矿物聚合物混凝土电通量平均值均较大, 随着Ca O含量增加, 混凝土电通量呈现持续减小趋势。当Ca O含量达到20%时, 混凝土在标准条件下养护至14 d后电通量平均值达到最小3 402 C, 根据电通量对混凝土渗透性的评价为“中”。
2) n (Si O2) /n (Al2O3) 对无机矿物聚合物混凝土氯离子渗透的影响。图2为n (Si O2) /n (Al2O3) 在2.8~4.0的范围内变化, 无机矿物聚合物混凝土在Ca O含量分别为10%, 15%和20%时, 其6 h电通量值。
由图2可知, Ca O含量为10%, n (Si O2) /n (Al2O3) 在2.8~3.2范围内变化时, 随着n (Si O2) /n (Al2O3) 的增大, 无机矿物聚合物混凝土6 h电通量值先减小后增大, 电通量值在n (Si O2) /n (Al2O3) =3.1时出现最小值, 4 919 C。且电通量值在n (Si O2) /n (Al2O3) 在2.9~3.2范围内变化较大, 在n (Si O2) /n (Al2O3) 在2.8~2.9范围内变化较小。
Ca O含量为15%时, 无机矿物聚合物混凝土6 h电通量在n (Si O2) /n (Al2O3) =3.6时出现拐点, 即6 h电通量先减小后增大。
Ca O含量为20%, n (Si O2) /n (Al2O3) 在3.2~4.0范围内时, 无机矿物聚合物混凝土电通量暂未出现拐点, 即6 h电通量持续减小。
2.2 结果分析
标准条件下养护14 d后无机矿物聚合物混凝土氯离子电通量随着Ca O含量的增加持续减小, Ca O含量低于15%时减小幅度较小, 而Ca O含量高于15%时减小幅度显著增加。经分析, 笔者认为, Ca O含量的增加, 使其与碱性激发剂反应生成的产物Ca (OH) 2增多, 进一步激发了矿渣、粉煤灰和偏高岭土作为活性矿物材料的潜在火山灰质效应, 使水化反应程度完全, 无机矿物聚合物混凝土氯离子固化能力提高。随着Ca (OH) 2数量的减少, 弱化了其在界面的富集程度与定向排列, 优化了界面性能, 从而提高了抗氯离子渗透性能。同时, Ca O含量增加, 无机矿物聚合反应程度完全, 生成Ca (OH) 2增加, 其填充在无机矿物聚合物混凝土内部的层状结构间的孔隙中, 混凝土内部孔隙尺寸减小, 连通孔逐渐中断, 骨架结构趋于致密稳定, 氯离子迁移速率减缓, 使得无机矿物聚合物混凝土氯离子电通量值减小。
在碱性激发剂作用下, 矿渣、偏高岭土和粉煤灰发生了Si—O, Al—O之间断键与重新键合的反应, 生成物为高聚度三维铝硅酸盐凝胶体, 其中生成的[Si O4]和[Al O4]构成了凝胶体的基本骨架, n (Si O2) /n (Al2O3) 增大, 有利于铝硅酸盐聚合反应的进行, 大分子链结构增加, 使凝胶体结构相对致密, 内部孔隙减少, 从而减小了无机矿物聚合物的氯离子电通量值。
Ca O含量为10%和15%时, 氯离子电通量在n (Si O2) /n (Al2O3) 分别为3.1和3.6时分别出现了拐点, 呈现增大趋势, 可能是因为n (Si O2) /n (Al2O3) 过高不利于提高[Al O4]含量, 同时也阻碍了与[Si O4]缩聚成大分子链, 使凝胶体结构密实度发展受到抑制, 内部孔结构相对增多, 从而增大了电通量。相比于Ca O含量为10%时, 无机矿物聚合物混凝土Ca O含量为15%时电通量拐点有所延后, 因为Ca O含量增加, 聚合反应程度加深, 弱化了凝胶体结构密实度的抑制作用, 所以当Ca O含量为20%时暂时未出现拐点。
3 结语
1) Ca O含量在10%~20%的范围内变化时, 无机矿物聚合物混凝土氯离子电通量逐渐减小, 当Ca O为20%时, 此时电通量平均值最小为3 402 C, 氯离子渗透性达到“中”。
2) 随n (Si O2) /n (Al2O3) 在2.8~4.0范围增大, 无机矿物聚合物混凝土氯离子电通量值先减小后增大。当Ca O含量为10%, 15%时, 电通量值分别在n (Si O2) /n (Al2O3) 为3.1和3.6时出现拐点, 而当Ca O含量为20%时, 拐点暂未出现。
参考文献
[1]吴相豪, 周金岩, 李怀垣.环境因素影响粉煤灰混凝土固化氯离子能力的试验研究[J].粉煤灰, 2011 (4) :80-83.
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无机矿物聚合材料 篇4
矿物聚合材料是近期发展起来的新型胶凝材料,又称其为地聚合物。它主要是以偏高岭土或其它以硅、铝、氧为主要元素的硅铝质材料或相应的工业固体废弃物为主要原料,通过碱性激发剂的作用,采用适当的制备工艺,在低于150℃以下的不同温度条件、甚至常温条件下成型养护,得到具有与陶瓷结构和性能相似的一类新型胶凝材料[1]。本研究以脱硫灰渣为原料,研究制备矿物聚合材料的可行性,运用正交试验方法优化了配料组成,同时通过XRD、SEM等测试方法讨论了矿物聚合材料固结过程中的反应机理及脱硫灰渣中Ca SO3等组分在聚合反应过程中的稳定性问题。
1 实验原料
1.1 脱硫灰渣、粉煤灰和偏高岭土
实验中的脱硫灰渣和粉煤灰来自武汉青山火力发电厂,偏高岭土由山西大同生产,三者的化学成分见表1。与粉煤灰相比,脱硫灰渣中的硅、铝含量较低,而CaO、SO2等含量较高。图1、图2分别是脱硫灰渣和粉煤灰的XRD衍射图谱,分析知两者主要物相为石英、莫来石、CaCO3和Ca(OH)2,而脱硫灰渣中还含有CaSO4和CaSO3等物相;由脱硫灰渣的SEM扫描照片(图3)知该脱硫渣中主要是以球形粉煤灰颗粒为主,同时在球形颗粒的表面也可以明显地看到一些细小的微晶物质,这是脱硫过程中以粉煤灰颗粒为载体吸附液态脱硫剂与烟气中的SO2化合生成亚硫酸钙产物,由于反应时间较短,生成的亚硫酸钙尺寸均很小,多在1μm左右[2]。
%
偏高岭土是由高岭土经700~1 000℃煅烧而成,从表1中可知偏高岭土中的SiO2、Al2O3总量达97.83%,从它的XRD衍射图谱(图4)知其主要物相为莫来石,主要特征衍射峰大部分已经消失。
1.2 硅酸钠水玻璃和氢氧化钠溶液
本实验所用的硅酸钠水玻璃是由武汉市新洲区昌盛泡花碱厂生产,比重为35~37 Be°,模数为3.5~3.7,呈微黄色半透明的粘稠状液体。氢氧化钠溶液(10 mol/L)是采用固体氢氧化钠配制而成。
2 实验内容
2.1 实验过程
实验采用正交实验方法,以制品的7 d、28 d抗压强度为考察指标,考虑了四个因素即脱硫灰渣占固相量、偏高岭土占固相量、NaOH溶液占液相量、固液质量比,各因素取三个水平,采用正交实验表L9(34)进行实验。按实验设计方案分别称取各固相和液相物料,将固体物料置于水泥胶砂搅拌机中混匀后加入配制的NaOH和硅酸钠混合溶液继续搅拌至均匀,然后将搅拌后的物料置于40 mm×40 mm×40 mm三联模具中,放在水泥胶砂振动台上振动60 s成型。所有制品均置于标准养护室养护1天脱模,再置于室温条件下固化至测试。
2.2 正交实验结果讨论
从第一、二轮正交实验得出,无论是相对于7 d还是28 d抗压强度来说,其主要影响因素都是固液质量比。在此基础上,调整各因素水平,做第三轮正交实验,表2列举的是第三轮正交实验及其级差分析的结果。
从正交实验结果可以看出,对制品的7 d、28 d抗压强度影响最大的因素是固液质量比,随着固液质量比增大,制品的抗压强度随之增大,研究证明液相含量及成分对浆体粘度具有直接影响,而粘度又直接影响制品成型过程中气孔的排除和颗粒分散均匀度,粘度过大会使浆体中的气孔不易排除,导致最终材料试样中存在较多的气孔缺陷,从而影响材料试样的力学性能;粘度过小,则成型过程中大颗粒物质极易聚沉到底部,导致浆体出现分层,致使制品结构不均匀,从而影响材料制品的力学性能[3]。影响制品抗压强度的另一个主要因素是偏高岭土占固相的含量,掺入适量的偏高岭土可以为反应体系提供可溶性的铝和硅,提高Al/Si比,易于生成高聚合度的铝硅酸结构单元,有利于聚合反应,但掺量过多会使其不能完全溶解于碱硅酸溶液中,造成制品性能的下降,且其价格昂贵,使其应用受到限制。脱硫灰渣占固相的含量和NaOH溶液占液相的含量对制品的抗压强度影响相对较小,从表2可以看出,随着脱硫灰渣掺量的增加,制品的7 d、28 d抗压强度随之降低,但幅度很小。随着NaOH量的增多,制品的抗压强度先增大后减小,这是因为过量的NaOH会破坏已形成的Al-O和Si-O骨架,降低样品的聚合度,进而影响制品的力学性能[4]。综合以上分析,得出优化的配料组成为:脱硫灰渣占固相量为20%,偏高岭土占固相量为20%,NaOH占液相量为33%,固液质量比为1.85。
3 脱硫灰渣矿物聚合材料形成机理分析
铝硅酸盐聚合反应是一个放热脱水的过程。反应以水为介质,铝硅酸盐在碱性液相条件下溶解解聚(即Si-O-Si、Si-O-Al键在碱硅酸盐溶液中发生断裂),形成富含羟基的低聚体(-Si-O-Na、-Si-O-Ca-OH、Al(OH)4-、Al(OH)52-等),随着溶解过程的进行,液相组成和各种离子浓度发生变化,这些粒子形成凝胶状的类沸石前驱体,最后类沸石前驱体(低聚体)脱水形成非晶相物质(高聚体)[5]。根据优化的配料方案,制备脱硫渣矿物聚合材料制品,其7 d的抗压强度为24.2 MPa;28 d可达36.9 MPa;同时对不同固化时间的脱硫渣矿物聚合材料制品进行XRD、SEM等测试分析,研究制品固化过程中的反应机理及制品中CaCO3、CaSO4和CaSO3等的稳定性问题。
3.1 X射线衍射分析
图5为固体原料混合样与不同固化时间矿物聚合材料制品的X射线衍射图谱,其中a为固体原料混合样的衍射结果,b、c、d、e则分别是制品固化时间为3 d、7 d、14 d、28 d的衍射结果。
由图5可知固体原料混合样和不同固化龄期制品的衍射图谱相似,没有新的衍射峰出现,这表明制品在固化过程中没有新的晶相物质生成;随着固化时间的延长,SiO2、莫来石的特征峰逐渐减弱,这表明原料中的硅酸盐玻璃相与碱溶液逐渐发生聚合反应,并生成硅酸盐凝胶相,并在未反应的颗粒界面形成新的化学键,从而形成具有一定强度的材料[6],且两者的特征衍射峰向小角度有所偏移,这也表明非晶质相的比例相对增加;与原料混合样的衍射图谱相比,制品的CaCO3的特征峰强度先减小后增强,而Ca(OH)2的特征峰却逐渐消失不见,经分析这是聚合反应初期Ca2+与Si、Al等离子团发生反应,代替一价碱金属离子进行电荷补偿,随着固化时间的延长,制品与空气中的CO2发生反应而造成的;从衍射图谱也可以发现CaSO3、CaSO4的特征衍射峰没有很大变化,这说明制品中的CaSO3、CaSO4在固化过程中比较稳定,没有参与聚合反应。
3.2 扫描电镜分析
图6为制品不同固化时间的扫描电镜分析,其中a、b、c和d分别表示制品3 d、7 d、14 d和28 d的的扫描照片。
由图6知在相同放大倍数(×5 000)的条件下,脱硫渣矿物聚合材料3 d和7 d制品中存在较多没有参加反应的粉煤灰球形颗粒,颗粒与颗粒之间出现了凝胶状产物,且可以清楚地看到粉煤灰颗粒表面发生反应,覆盖了一层反应产物,随着聚合反应的进行,在颗粒表面逐渐形成片状的凝胶状产物,随着固化龄期的延长,粉煤灰颗粒表面继续反应,反应产物越来越多,把粉煤灰球体包裹起来形成完整的包裹层;14 d制品中可见凝胶状物质已将粉煤灰颗粒紧密地结合在一起,28 d制品的结构均匀致密,已经看不到没有完全反应的粉煤灰玻璃颗粒。由此可见,随着脱硫渣矿物聚合材料固化时间的延长,粉煤灰玻璃球体逐渐被碱性溶液所溶解,同时生成的凝胶状物质和未溶解的粉煤灰颗粒相互结合,最终形成结构均匀致密的矿物聚合材料制品。此外,从扫描照片中还可以看到球形状的白色晶体,可能是没有参与反应的CaSO3或CaSO4等物相,这有待于进一步的分析。
4 结论
通过上述研究得到以下几点认识:(1)以脱硫灰渣为原料制备矿物聚合材料在技术上是可行的。根据优化配比制得的脱硫灰渣矿物聚合材料制品7 d的抗压强度为24.2 MPa,28 d可达36.9 MPa;(2)影响制品抗压强度最主要的因素是固液质量比,固液比增大,制品的抗压强度也随之增大,偏高岭土占固相量、脱硫灰渣占固相量和NaOH溶液占液相量对制品的力学性能影响相对较小;(3)制品中的CaCO3、CaSO3和CaSO4等物相比较稳定,没有参与聚合反应。
参考文献
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[3]舒玉柱,杨静,马鸿文.利用粉煤灰制备高强矿物聚合材料的实验研究[J].现代地质,2006,20(2):354-360.
[4]张书政,龚克成.地聚合物[J].材料科学与工程学报,2003,21(3):430-439.
[5]聂轶苗,马鸿文.矿物聚合材料固化过程中的聚合反应机理研究[J].现代地质,2006,20(2):340-346.
无机矿物聚合材料 篇5
在高分子材料中,无机/有机聚合物杂化纳米复合材料是纳米材料发展应用的一个重要方面,有机聚合物基纳米复合材料的发展在整个纳米科学技术中占有很重要的地位。无机组分和有机组分在纳米级复合,糅合了无机材料的高强度、高刚度、高硬度、高稳定性和有机材料的高柔性、可加工性等,使复合后的材料具有无机纳米材料特殊的光学、电学、磁学等性质[1,2,3]。有机聚合物作为纳米材料的支持载体,能够解决纳米材料物理和化学的不稳定性,是纳米材料获得成功应用的极其重要的因素。这类杂化纳米复合材料既具有高分子材料的韧性和易加工性又具有无机纳米材料的刚性和特殊性能。将无机、有机、纳米粒子三方面的特性结合起来,对开发出高性能、有特殊功能的复合材料具有重要意义,并已显示出良好的开发和应用前景。
1 纳米粒子效应
通常将具有一定存在形态、1~100 nm 尺寸的物质称之纳米物质,在纳米物质世界里,物质原来在宏观领域的性质已是面目全非。其根本原因就是因为物质的微粒达到了纳米尺寸就产生了一些奇异的特性,称之为纳米粒子效应[4]。主要表现为以下4个方面:
(1)表面效应。颗粒尺寸越小,表面原子所占的比例就越大,原子配位不足及高的表面能使表面原子有很高的化学活性,极不稳定,很容易与其它原子结合,这就是活性的原因。这种表面原子的活性,不但引起纳米粒子表面运输和构型的变化,同时也引起表面原子自旋构像和电子能谱的变化,使纳米颗粒表现出高催化活性和高反应性。
(2)量子尺寸效应。原子是由原子核和核外电子构成的,电子在一定的轨道上绕核高速运动。单个原子的电子能级是离散的,而当众多原子聚集到一起形成固体时,原子之间的相互作用导致能级发生分裂,最后形成能带。大块物质由于含有几乎无限多的原子,其能带基本上是连续的,但是对于只有有限个原子的纳米颗粒来说,情况就不同了,此时能带变得不再连续,当能级间距大于热能、磁能、静电能、光子能量时,就会出现所谓的量子尺寸效应,即电子能级由准连续变成离散能级,出现不连续的最高被占据的分子轨道能级和最低未被占据的分子轨道能级,使得能隙变宽,从而导致纳米颗粒的光、电、磁、声、热等性质与宏观性质有显著的差异。
(3)小尺寸效应。当超微粒子的尺寸与光波波长,德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时,晶体周期性的边界条件将被破坏,非晶态纳米颗粒的表面层附近原子密度减小,从而导致声、光、电磁以及热力学等性质呈现新的小尺寸效应。如磁有序态向磁无序态的转变,超导相向正常相的转变,热等性质与宏观性质有显著的差异。
(4)宏观量子隧道效应。微观粒子具有穿越势垒的能力称为隧道效应。人们发现,在纳米微粒中会出现与微观粒子的量子隧道效应相似的宏观量子隧道效应,因而产生一些特殊的物理现象。
2 纳米复合材料的特殊性能
纳米复合材料在基本性能上除了具有普通复合材料所具有的共同特点之外,还具有以下的特点:
(1)可综合发挥各种组分的协同效能[5],这是其中任何一种材料都不具备的多种性能,是复合材料的协同效应赋予的。
(2)性能的可设计性[6],可针对纳米复合材料的性能需求进行材料的设计和制造。
(3)可按需要加工材料的形状,避免多次加工和重复加工[7]。
纳米复合材料的性能可设计性是纳米复合材料基本性能的最大特点。
3 无机/聚合物纳米复合材料的制备方法
制备过程中主要关心的就是纳米材料的粒度与分散程度,目前纳米复合材料的制备方法多种多样[8,9],可大致归为4大类:纳米粒子与聚合物直接共混;在聚合物基体中原位生成纳米粒子;在纳米粒子存在下单体分子原位聚合生成聚合物;纳米粒子和聚合物同时生成。各种制备纳米复合材料方法的核心思想都是要对复合体系中纳米粒子的自身几何参数、空间分布参数和体积分数等进行有效的控制,尤其是要通过对制备条件的控制,来保证体系的某一组成相至少一维尺寸在纳米尺度范围内,其次是考虑控制纳米粒子聚集体的次级结构。
3.1 纳米粒子与聚合物直接共混
此法是将制备好的纳米粒子与聚合物直接共混,可以是溶液形式、乳液形式,也可以是熔融形式共混。例如 M. YOSHIDA 等人[10]利用反相胶乳制备纳米TiO2粒子,在N-甲基吡咯烷酮(NMP)中与聚酰亚胺溶液共混,制备出纳米TiO2/PI 复合材料;中条澄[11]报道用表面处理过的粒径约10 nm的TiO2粒子(3.5%质量分数)与PP熔融共混,制成半透明、机械性能比纯PP 提高的复合材料。
总的来说,共混法的优点在于纳米粒子与材料的合成是分步进行的,可控制纳米粒子的形态、尺寸;但缺点在于粒子易团聚,均匀分散困难;如何保证纳米粒子均匀分散是该法的关键。
3.2 聚合物基体中原位生成纳米粒子
本方法是利用聚合物特有的官能团对金属离子的络合吸附及基体对反应物运动的空间位阻,或是基体提供了纳米级的空间限制,从而原位反应生成纳米复合材料,常用于制备金属、硫化物和氧化物等纳米粒子复合聚合物的功能复合材料。生成纳米粒子的前体可以是有机金属化合物,也可以是高分子官能团上吸附(如螯合等)的金属离子等;纳米粒子生成的反应方式有辐射、加热、光照、气体反应和溶液反应等多种形式。
Y.NAKAO[12]制备贵金属(Pt、Pd、Ag、Au 等)/PMMA 复合材料,将贵金属络合物先溶解于高分子单体MMA中,在较低的温度下聚合,得到贵金属络合物的PMMA 固溶体,然后在120~140 ℃温度范围内加热,则在PMMA 中原位形成了贵金属纳米粒子。D.Yu.Godovski等人[13]将高分子基体浸没于水溶液或非水溶液中,溶解的反应物迁移入溶胀的高分子中,被基体中的特征官能团固定,再反应形成不溶解的粒子,反应副产物洗去。例如在含有聚丙烯酸的聚乙烯醇基体中原位合成CdS纳米粒子,选用 CuSO4和 Na2S 的化学计量溶液,pH≈12,聚丙烯酸的酸性基团作为 Cu2+的络合中心,S2-再与之反应得到CuS微晶,副产物Na2SO4及聚丙烯酸可用水洗去,此法适于制备不溶性的硫化物和氧化物,且粒子尺寸不取决于反应物浓度,而决定于基体的溶胀度。吉林大学的高明远等人[14]用带有活性基团的甲基丙烯酸铅与苯乙烯溶液共聚得到含铅聚合物微凝胶,再与H2S气体反应制得PbS纳米粒子/聚合物复合体系。J.Mark等人[16]则将甲酸镍和聚氧化乙烯在1,2-亚乙基二醇中混合,200 ℃加热,再减压除去溶剂,得到Ni-PEO复合材料。
如果有机高分子树脂本身就是介孔(mesoporous)固体(介于微孔和宏孔之间),则可以直接利用基体固有的纳米级孔道、笼状的结构作为“模板”,在其中反应生成纳米单元,例如先将金属离子引入,再在氧气氛中加热或通入硫化氢,可制得氧化物及硫化物纳米粒子,而且通过控制介孔的尺寸及形状可以控制纳米粒子的尺寸和形状[17,18]。还可以利用具有核壳结构的嵌段高分子,使前体位于纳米级的核中,如Co2(CO)8 在PS-b-P4VP微乳液的纳米核中热分解生成纳米Co粒子[19]。
3.3 纳米粒子存在下单体分子原位聚合
此法主要是指在含有金属、硫化物或氢氧化物胶体粒子的溶液中单体分子原位聚合生成高分子,其关键是保持胶体粒子的稳定性,使之不易发生团聚。D. Yu. Godovsky[13]在 Au/Pt 双金属胶体粒子溶液中原位聚合生成聚乙烯醇及聚(n-乙烯基-2-吡咯烷酮)制备纳米复合材料。另外,K. E. Conslaves[20]制备 Au/PMMA 纳米复合材料时,先将用NaBH4还原 HAuCl4 得到的纳米金粒子表面功能化,即包裹上一层十二烷基硫醇(不仅阻止Au粒子的团聚,而且其碳氢基团使Au粒子与许多聚合物相容性得到改善),然后加入到MMA单体中,引发聚合得到纳米复合材料。对热固性高聚物,如环氧树脂,可以先将纳米单元与环氧低聚物混合,然后再固化成型,形成纳米复合材料[21]。另外,纳米粒子表面接枝聚合物后可直接压制成高固含量的复合材料。
3.4 纳米粒子和聚合物同时生成
此法包括插层原位聚合[22]制备聚合物基有机-无机纳米复合材料,蒸发(或溅射、激光)沉积法制备纳米金属-有机聚合物复合膜[23]及溶胶-凝胶法[24,25]等。
对纳米级金属微粒均匀分布于有机聚合物中的金属-有机聚合物复合膜,制备方法[26]有蒸发沉积、溅射沉积和激光沉积,都是使有机单体在衬底表面聚合,同时金属气化沉积在衬底上,得到金属-有机聚合物复合膜。需要注意的是有的方法在不同的条件下应用,可被归入不同的种类,例如溶胶-凝胶法,此法利用溶胶-凝胶前体Si(OR)4 等的水解反应,并加入有机聚合物组分可制备无机/有机混杂纳米材料,通过控制有机、无机组分的结构、相形态及相间作用力可极大地改变材料性能。当在高分子溶液中进行溶胶-凝胶反应,可归入第2类,但在溶胶-凝胶体系中能溶解的,且在凝胶后保持稳定而不沉积的高分子较少,像PVC、PMMA等都不行,而聚2-乙烯基吡啶和聚4-乙烯基吡啶可用于TEOS/H2O体系[27]。当在凝胶网络中聚合高分子,则属于第3类,如MMA在SiO2网络中聚合。当溶胶-凝胶过程和单体分子聚合同时进行时,就属于第4类,ROMP(开环聚合型)高分子聚合与Si(OR)4水解同时进行形成SIPN[28]。
4 结语
无机矿物聚合材料 篇6
1实验准备
1.1实验材料
NE - 1型无机胶凝材料( 一种特种水泥) ,徐州中联水泥有限公司,其性能指标如表1所示。
聚四氟乙烯 - 聚丙烯酸酯乳液,南昌华特化工有限公司, 固含量54. 0% ~ 56. 0% ,粒径0. 2 ~ 0. 4 μm,最低成膜温度0 ℃ ,玻璃化温度 - 12 ℃ ,粒度500 ~ 4000 m Pa·s。
聚羧酸减水剂,南京卓雨建材有限公司。其性能指标如表1所示。
消泡剂,磷酸三丁 酯 ( CH3CH2CH2CH2O3)3PO, 分子量266. 32,无色液体,微溶于水,能与多种有机试剂混和,密度 ( 20 ℃ ) 0. 974 ~ 0. 980 g/cm3。
水,洁净蒸馏水,达到可饮用要求。
1.2实验器材
YSXD - R900型氙灯光耐气候试验箱,上海毅硕实验仪器厂; D25 - F型电动搅拌机,杭州仪表电机厂; MD800 - 1型电子天平,杭州仪表电机厂; HBY - 30型CA砂浆养护箱,上海乐远实验仪器公司; QCJ漆膜冲击器,天津市材料试验机厂; QTX - 1型漆膜弹性试验器,天津市材料试验机厂; QFA电动漆膜附着力试验仪,上海乐远试验仪器公司; 马口铁板 ( 150 mm × 70 mm、120 mm × 50 mm) ,自制; 放大镜; 牛皮纸 ( 300 mm × 150 mm) ,自制; 烧杯; 玻璃棒; 滴管。
1.3实验方法
( 1) 常温养护试验
将制得的样品浆体涂覆至打磨光滑的马口铁板上编号为 ( B1 ~ B5) ,在HBY - 30型CA砂浆养护箱内养护,温度20 ℃ ,湿度为50% ,养护时间为7天。
( 2) 氙灯光老化试验
按照GB/T1865 - 1997标准,将待老化样板放置在氙灯光老化试验架上进行加速老化。实验条件: 发射峰特征波长315 ~ 400 nm; 幅照度: 1000 dw / cm2; 老化箱内温度70 ℃ ; 光源 - 样板距离20 cm。
( 3) 附着力试验
参照GB 1720 - 79( 89) 《漆膜附着力测定法》,将成型并养护一定龄期的试件在附着力测定仪上进行附着力测试,并按规定进行评级。
( 4) 抗冲击性试验
参照GB 1732 -93 《漆膜耐冲击性测定法》,将成型并养护一定龄期的试件在漆膜冲击器上进行抗冲击性测试,并按规定评级。
( 5) 抗弯折性试验
参照GB/T 1731 - 93 《漆膜柔韧性测定法》,将成型并养护一定龄期的试件在漆膜弹性试验器上进行抗弯折性测试,并按规定评级。
2实验步骤
实验选取NE - 1型无机胶凝材料为主要粉料组分,加入不同比例的聚四氟乙烯 - 聚丙烯酸酯乳液为主要液料组分,同时添加适量聚羧酸减水剂、消泡剂与水分,用搅拌机搅拌3 ~ 5 min,制成粘度适宜的浆体,按比例编号为B1 ~ B5,其主要组成如表3所示。
3实验结果与分析
3.1材料热氧老化抗开裂性能分析
将养护好的样板放入氙灯光老化实验箱中,经过140 h后所得实验样板表面图与实验结果结果如图1与表4所示。
由表4可知,实验样板经过140 h氙灯老化实验后都受到不同程度的开裂,直接受氙灯光照射的样板正面比没有受照射的背面开裂严重,且B3样板开裂情况最为严重。
为更加直观分析聚合物改性水泥复合材料热老化条件下抗开裂性能,在此根据表4中破坏情况的不同程度进行量化然后作图分析,量化值如表5所示。
根据表5中开裂面积比率,做出对比如图2所示。
由图2可知,随着聚合物乳液添加量的增多,样板在氙灯老化实验后开裂面积比率图成线性回归的趋势。聚合物乳液添加量为40% 时,其样板开裂面积比率最大,而乳液添加量大于或者小于40% 时,样板开裂面积比率都明显减小,因此把聚合物乳液添加量为40% 的改性无机基复合材料称为水泥 - 朔料体,40% 的聚合物乳液添加量称为水泥 - 塑料体的临界值。作者分析开裂原因有三种:
一是水泥水化产物生成Ca - O键,Si - O键以及Al - O键的键能都相当强,不能被氙灯光所破环,因此聚合物改性无机基复合材料在高温且受氙灯照射的情况下,主要破坏了材料中的聚合物组分,使聚合物分子链中基团裂化,分子失去了原有的物理化学性质,不仅不能发挥原有聚合物分子包裹并交联水泥颗粒的作用,还使聚合物分子本身变得发脆,失去原有聚合物分子具有柔性的特点,导致材料中的交联网状结构受到影响,发生撕裂。
二是由于纯聚合物乳液自身发生聚合后,形成缠绕的非规则排列的大分子玻璃体,具有很好的柔性,随着温度的改变, 分子链伸缩自如,释放其内应力,防止开裂。然而与水泥混合后,水泥水化产物则会阻止其内应力的释放,当应力大于阻力时就会在界面处产生撕裂效应。在高温下,当聚合物乳液添加量大于40% ,随着乳液含量继续升高,水泥 - 塑料体主要表现为塑料性,复合材料柔韧性提高,能较好释放自身内应力,所以开裂减弱; 又当聚合物乳液添加量小于40% ,随着乳液含量继续减少,水泥 - 塑料体主要表现为水泥性,内部水化产物阻力大于聚合物分子链伸张时产生的内应力,因此开裂减弱。
三是聚合物乳液改性水泥复合材料在水化过程中,一些聚合物分子中的活性基团与水泥水化产物中的Ca2 +、Al3 +产生交联反应,形成特殊的桥键作用,在高温与氙灯照射下桥键断裂导致样板产生撕裂,桥键越多,撕裂也就越多。当乳液添加量为40% 时,聚合物提供的活性基团与水泥水化产物提供的离子刚好达到平衡,二者交联反应形成的桥键刚好饱和,而当乳液添加量大于40% 或者小于40% 时,无论是添加量继续增大或者是继续减小复合材料形成的桥键都减少,因此产生的开裂都减少。
3.2材料热氧老化后力学性能分析
为了进一步确定聚合物改性无机基复合材料在受到热氧老化后的物理性能,本文对实验所得样板进行物理性能 ( 附着力、耐冲击性、抗弯折性) 对比检测实验,所得结果如表6所示。
由表6可知随着聚合物含量的升高,复合材料的附着性能也随之提高,添加量为20% 的聚合物乳液改性无机基复合材料的附着力等级为4级,而当乳液添加量提高到60% 时,复合材料的附着力等级为1级,说明聚合物乳液对复合材料的附着性能影响很大。通过对比不同配方在热氧老化后耐冲击性能可以看出,当聚合物乳液添加量为20% 时,其耐冲击性为40 cm, 当乳液含量在30% ~ 60% 时,材料耐冲击性保持为50 cm,说明当无机材料含量一定时,聚合物乳液对复合材料在热氧老化后耐冲击性能影响不大。另外由表可以看出,随着聚合物乳液含量的增多,复合材料在热氧老化后抗弯折性能明显增强,由乳液添加量为20% 时的10 mm提高到乳液含量为60% 时的2 mm,说明聚合物乳液对材料抗弯折性能影响很大。
4结论与展望
( 1) 不同含量聚四氟乙烯 - 聚丙烯酸酯乳液改性无机基复合材料经过常温养护后在热氧老化实验下产生不同程度的开裂,而聚合物乳液含量为40% 时开裂情况最为严重。
( 2) 聚四氟乙烯 - 聚丙烯酸酯乳液改性水泥复合材料经过常温养护后在热氧老化实验下产生开裂的原因,分析有三种。
( 3) 通过对比不同配方在热氧老化后物理性能可以发现, 聚合物乳液对复合材料在热氧老化试验后附着性能和抗弯折性能改善非常明显,对其耐冲击性能影响不大。
( 4) 添加量为40% 的聚四氟乙烯 - 聚丙烯酸酯乳液改性无机基复合材料刚好形成一种水泥 - 塑料体,因此通过添加其它助剂改善其抗开裂性能,使其复合材料得到优良的水泥与塑料共性,也是课题组下一步研究的重点,以期能早日应用于国家与军队的重点工程。
摘要：聚合物改性无机基复合材料是一种具有优异的新型功能材料,而聚合物乳液添加量对其抗开裂性能有很大的影响。将聚四氟乙烯-聚丙烯酸酯乳液按照不同比例加入到复合材料体系中,然后涂覆至打磨光滑的马口铁板上制成样板在常温养护后经140 h热氧老化实验并检测其力学性能,结果发现:添加质量比为40%时样板开裂情况最为严重,另外乳液对复合材料附着性能和抗弯折性能改善较大,对其耐冲击性能改善不明显。