環氧樹脂和鋁粉對發泡水泥的性能影響

李麗英，高延敏，季燕青，王 丹

(江蘇科技科技大學材料科學與工程學院，江蘇鎮江212003)

建筑節能材料在我國應用廣泛，其中有機保溫隔熱材料質量比較輕，而且導熱系數小、吸水率低，發展速度十分迅速，有資料顯示，有機保溫材料在建筑保溫市場占有率達到了90%左右［1］.無機保溫材料中球形閉孔珍珠巖的外形比較規則，孔隙封閉，具有強度高、吸水率低、砂漿流動性能優良、生產無環境污染等優點［2］;俄羅斯和立陶宛的科學家［3］利用碳納米管填充波特蘭泡沫水泥材料，研究發現此方法在增強泡沫材料的機械性能方面取得了良好的效果;美國俄州的科學家［4－7］對利用納米碳纖維形成聚苯乙烯泡沫的晶核進行了研究，結果表明，有機保溫材料的保溫性好，但防火安全性能不足.

環氧樹脂發泡材料具有優異的力學性能，還具有耐熱、耐水以及耐化學腐蝕、緩沖性能好的優點［8］，是可以加入到水泥中的重要有機物質［9］.但是，目前有關環氧樹脂與水泥優化數量還缺少實驗依據，同時，鋁粉發泡劑對水泥/環氧作用情況還不是很清楚.文中針對這些基本問題展開了研究，研究結果對保溫材料的開發和設計具有重要的理論和實踐意義.

1 實驗

1.1 實驗藥品

實驗中所用藥品詳見表1.

表1 實驗藥品Table 1 Experimental drugs

1.2 實驗儀器

實驗所用儀器詳見表2.

表2 實驗儀器Table 2 Experimental apparatus

1.3 實驗工藝流程

具體實驗步驟如下:

1)在燒杯A中，加入環氧樹脂E－44 5 g、表面活性劑1 g、玻璃纖維0.5 g，攪拌均勻;

2)在燒杯B中，加入水泥40 g、填充料5 g、早強劑0.2 g，攪拌均勻;

3)將燒杯A中的漿體和B中的漿體混合，加入發泡劑3 g、固化劑1 g，攪拌均勻，放入烘箱中發泡、固化、成型6 h，成型溫度為70℃.

1.4 產品性能測試

1)產品微觀形貌

利用掃描電鏡(SEM)來觀察水泥水化的微觀形貌.

2)泡孔結構及分布

利用超景深三維顯微鏡觀察水泥發泡材料的泡孔結構及分布情況.

3)抗壓強度

按照國標GB/T5486－2008在萬能材料試驗機上對材料進行抗壓強度測試.

4)容重

水泥容重是水泥在自然狀態下(包含孔隙)，單位體積的質量，常用單位為kg/m3，本實驗主要是通過測量容重來比較水泥發泡材料發泡前后的變化.

5)吸水率

表征材料吸水性能的物理量.測試方法如下:

①首先測量干燥材料的質量m1;

②然后將材料浸入水中，吸水飽和后，測量材料的濕重m2.

6)導熱系數

采用平板導熱儀對材料試樣進行導熱系數測定，該平板導熱儀由中國科學院寧波材料所提供.

7)防火性能測試

按照國際標準GB/T8626－88對材料試樣進行防火性能測試.

2 結果與討論

2.1 產品綜合性能

經分析測試，本實驗產品綜合性能如表3.

表3 發泡水泥產品性能指標Table 3 Performance for the product

2.2 環氧樹脂與水泥比例對產品性能的影響

環氧樹脂是一種重要熱固性樹脂，因其具有固化后收縮率和吸水率低、黏結強度和力學強度高的優點直接作為復合材料使用，環氧樹脂基復合發泡材料是以環氧樹脂以及固化劑為主體，在固化放熱的過程中，向體系中添加空心填料或是發泡劑而形成的復合發泡材料［10］.

水泥基復合發泡材料是指以水泥為主體，采用物理或化學的方式在混合料漿體系中產生大量氣泡，從而形成的一種輕質多孔的材料.水泥基復合發泡材料因具有保溫、隔熱、輕質、隔音、防潮［11］的特點而成為近年來的研究熱點之一.

本研究的設計思路是以水泥+環氧樹脂共同為母體材料，以彌補水泥發泡材料穩泡性差的缺陷.環氧樹脂為高強的高分子材料，具有一定流動性，尤其是可以擴散到水泥的界面，改善水泥的強度，但是有關環氧樹脂在水泥中的加入量存在分歧，有人認為加多好，有人認為少量好.實驗中環氧樹脂與水泥比例如表4.

表4 環水比實驗配比Table 4 Ratio of epoxy resin and cement experiments

圖1 環水比對水泥基復合發泡材料抗壓強度的影響Fig.1 Effect of the ratio of epoxy resin and cement on the compressive strength of cement-based composite foam

圖2 環水比對水泥基復合發泡材料容重的影響Fig.2 Effect of the ratio of epoxy resin and cement on the density of cement-based composite foam

從圖1，2看出，當環水比在1∶5～1∶8的范圍內時，水泥基復合發泡材料的容重隨著環水比的降低而降低，而抗壓強度卻逐漸升高，呈現質輕高強的趨勢，故環氧樹脂和水泥漿體的最佳比例為1∶8.

2.3 Al粉摻量對水泥基復合發泡材料性能的影響

發泡劑也是影響水泥發泡材料的重要因素之一.常見的發泡劑有物理發泡劑和化學發泡劑，由于物理發泡劑產生的氣泡不均勻且不穩定，逐漸被化學發泡劑取代.但化學發泡劑產生氣體的速度很快，難以控制，因此發泡劑的選擇是制約發泡水泥材料的瓶頸問題.研究發泡劑的復配技術，尋找理想的發泡劑也是制備發泡材料的一個重要研究方向［12］.文中制備的發泡水泥材料使用的發泡劑為Al粉，并對Al粉的摻量做了如下研究(表5).

表5 Al粉摻量實驗配比Table 5 Al powder dosage for experimental ratio

圖3 不同Al粉摻量水泥基復合發泡材料超景深圖片Fig.3 Super depth images of Al powder dosage on theproperties of cement-based composite foam

從圖3中看出，當Al粉摻量為2%時，如圖3a)所示，材料體內有少量氣泡產生，氣孔分布極不均勻，雖有少部分閉口氣孔，但多數氣孔相互貫通形成連通的大尺寸的開口氣孔;當Al粉摻量增加到4%時，材料體內的氣孔數量增多，氣孔尺寸減小，分布趨向均勻，但大部分氣孔為開口氣孔，如圖3b);當Al粉摻量為6%時，材料體內氣孔數量繼續增多，氣孔尺寸小且分布均勻，如圖3c)，環氧樹脂在發泡材料的孔壁處形成密實的膜結構，形成了閉口氣孔;當Al粉摻量繼續增加到8% ～10%時，如圖3d)，3e)，由于材料體內產生的氣體較多，大部分氣體逸出材料體而在表面形成開口氣孔.材料的宏觀物理性能由其微觀結構決定，因此材料體內氣孔的大小、形態和分布決定了材料宏觀性能的優劣，根據以上分析，材料體內部氣孔尺寸較小、分布均勻且為閉口氣孔的狀態出現在Al粉摻量為6%時.

從圖4～6中可看出，當Al粉摻量為2% ～4%時，復合發泡材料3d，7d，28d的抗壓強度均隨著其摻量的增加而增加，材料的容重有下降的趨勢，而吸水率逐漸上升;當Al粉摻量為4% ～6%時，復合發泡材料3d，7d，28d的抗壓強度均隨著其摻量的增加而繼續增加，材料容重繼續下降，吸水率逐漸下降;而當Al粉摻量大于6%時，復合發泡材料3d，7d，28d的抗壓強度均隨著其摻量的增加而下降，材料容重逐漸增加，吸水率也逐漸增加.由以上微觀和宏觀性能分析知，復合發泡材料試件在Al粉摻量為6%時能達到質輕高強且吸水率較低的要求，所以本實驗確定Al粉最佳摻量為6%.

圖4 Al粉摻量對水泥基復合發泡材料抗壓強度的影響Fig.4 Effect of Al powder dosage on the compressive strength of cement-based composite foam

圖5 Al粉摻量對水泥基復合發泡材料容重的影響Fig.5 Effect of Al powder dosage on the density ofcement-based composite foam

圖6 Al粉摻量對水泥基復合發泡材料吸水率的影響Fig.6 Effect of Al powder dosage on the water absorption of cement-based composite foam

3 結論

1)復合發泡水泥的綜合性能為:抗壓強度4.822 MPa，容重212.6 kg/m3，吸水率13%，導熱系數0.068 W/m·k，屬于A級不燃材料;

2)環氧樹脂和水泥的比例影響復合水泥體系的水化硬化過程，當二者比例為1∶8時，水泥強度較高，容重低;

3)實驗中選用的是Al粉發泡劑，且確定Al粉的最佳摻量為6%.

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