環(huán)氧樹脂和鋁粉對(duì)發(fā)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(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003)

建筑節(jié)能材料在我國(guó)應(yīng)用廣泛，其中有機(jī)保溫隔熱材料質(zhì)量比較輕，而且導(dǎo)熱系數(shù)小、吸水率低，發(fā)展速度十分迅速，有資料顯示，有機(jī)保溫材料在建筑保溫市場(chǎng)占有率達(dá)到了90%左右［1］.無(wú)機(jī)保溫材料中球形閉孔珍珠巖的外形比較規(guī)則，孔隙封閉，具有強(qiáng)度高、吸水率低、砂漿流動(dòng)性能優(yōu)良、生產(chǎn)無(wú)環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)［2］;俄羅斯和立陶宛的科學(xué)家［3］利用碳納米管填充波特蘭泡沫水泥材料，研究發(fā)現(xiàn)此方法在增強(qiáng)泡沫材料的機(jī)械性能方面取得了良好的效果;美國(guó)俄州的科學(xué)家［4－7］對(duì)利用納米碳纖維形成聚苯乙烯泡沫的晶核進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，有機(jī)保溫材料的保溫性好，但防火安全性能不足.

環(huán)氧樹脂發(fā)泡材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能，還具有耐熱、耐水以及耐化學(xué)腐蝕、緩沖性能好的優(yōu)點(diǎn)［8］，是可以加入到水泥中的重要有機(jī)物質(zhì)［9］.但是，目前有關(guān)環(huán)氧樹脂與水泥優(yōu)化數(shù)量還缺少實(shí)驗(yàn)依據(jù)，同時(shí)，鋁粉發(fā)泡劑對(duì)水泥/環(huán)氧作用情況還不是很清楚.文中針對(duì)這些基本問(wèn)題展開了研究，研究結(jié)果對(duì)保溫材料的開發(fā)和設(shè)計(jì)具有重要的理論和實(shí)踐意義.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)藥品

實(shí)驗(yàn)中所用藥品詳見表1.

表1 實(shí)驗(yàn)藥品Table 1 Experimental drugs

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)所用儀器詳見表2.

表2 實(shí)驗(yàn)儀器Table 2 Experimental apparatus

1.3 實(shí)驗(yàn)工藝流程

具體實(shí)驗(yàn)步驟如下:

1)在燒杯A中，加入環(huán)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(qiáng)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(fā)泡劑3 g、固化劑1 g，攪拌均勻，放入烘箱中發(fā)泡、固化、成型6 h，成型溫度為70℃.

1.4 產(chǎn)品性能測(cè)試

1)產(chǎn)品微觀形貌

利用掃描電鏡(SEM)來(lái)觀察水泥水化的微觀形貌.

2)泡孔結(jié)構(gòu)及分布

利用超景深三維顯微鏡觀察水泥發(fā)泡材料的泡孔結(jié)構(gòu)及分布情況.

3)抗壓強(qiáng)度

按照國(guó)標(biāo)GB/T5486－2008在萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上對(duì)材料進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試.

4)容重

水泥容重是水泥在自然狀態(tài)下(包含孔隙)，單位體積的質(zhì)量，常用單位為kg/m3，本實(shí)驗(yàn)主要是通過(guò)測(cè)量容重來(lái)比較水泥發(fā)泡材料發(fā)泡前后的變化.

5)吸水率

表征材料吸水性能的物理量.測(cè)試方法如下:

①首先測(cè)量干燥材料的質(zhì)量m1;

②然后將材料浸入水中，吸水飽和后，測(cè)量材料的濕重m2.

6)導(dǎo)熱系數(shù)

采用平板導(dǎo)熱儀對(duì)材料試樣進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定，該平板導(dǎo)熱儀由中國(guó)科學(xué)院寧波材料所提供.

7)防火性能測(cè)試

按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)GB/T8626－88對(duì)材料試樣進(jìn)行防火性能測(cè)試.

2 結(jié)果與討論

2.1 產(chǎn)品綜合性能

經(jīng)分析測(cè)試，本實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品綜合性能如表3.

表3 發(fā)泡水泥產(chǎn)品性能指標(biāo)Table 3 Performance for the product

2.2 環(huán)氧樹脂與水泥比例對(duì)產(chǎn)品性能的影響

環(huán)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(jié)強(qiáng)度和力學(xué)強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)直接作為復(fù)合材料使用，環(huán)氧樹脂基復(fù)合發(fā)泡材料是以環(huán)氧樹脂以及固化劑為主體，在固化放熱的過(guò)程中，向體系中添加空心填料或是發(fā)泡劑而形成的復(fù)合發(fā)泡材料［10］.

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

本研究的設(shè)計(jì)思路是以水泥+環(huán)氧樹脂共同為母體材料，以彌補(bǔ)水泥發(fā)泡材料穩(wěn)泡性差的缺陷.環(huán)氧樹脂為高強(qiáng)的高分子材料，具有一定流動(dòng)性，尤其是可以擴(kuò)散到水泥的界面，改善水泥的強(qiáng)度，但是有關(guān)環(huán)氧樹脂在水泥中的加入量存在分歧，有人認(rèn)為加多好，有人認(rèn)為少量好.實(shí)驗(yàn)中環(huán)氧樹脂與水泥比例如表4.

表4 環(huán)水比實(shí)驗(yàn)配比Table 4 Ratio of epoxy resin and cement experiments

圖1 環(huán)水比對(duì)水泥基復(fù)合發(fā)泡材料抗壓強(qiáng)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(huán)水比對(duì)水泥基復(fù)合發(fā)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(dāng)環(huán)水比在1∶5～1∶8的范圍內(nèi)時(shí)，水泥基復(fù)合發(fā)泡材料的容重隨著環(huán)水比的降低而降低，而抗壓強(qiáng)度卻逐漸升高，呈現(xiàn)質(zhì)輕高強(qiáng)的趨勢(shì)，故環(huán)氧樹脂和水泥漿體的最佳比例為1∶8.

2.3 Al粉摻量對(duì)水泥基復(fù)合發(fā)泡材料性能的影響

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

表5 Al粉摻量實(shí)驗(yàn)配比Table 5 Al powder dosage for experimental ratio

圖3 不同Al粉摻量水泥基復(fù)合發(fā)泡材料超景深圖片F(xiàn)ig.3 Super depth images of Al powder dosage on theproperties of cement-based composite foam

從圖3中看出，當(dāng)Al粉摻量為2%時(shí)，如圖3a)所示，材料體內(nèi)有少量氣泡產(chǎn)生，氣孔分布極不均勻，雖有少部分閉口氣孔，但多數(shù)氣孔相互貫通形成連通的大尺寸的開口氣孔;當(dāng)Al粉摻量增加到4%時(shí)，材料體內(nèi)的氣孔數(shù)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(dāng)Al粉摻量為6%時(shí)，材料體內(nèi)氣孔數(shù)量繼續(xù)增多，氣孔尺寸小且分布均勻，如圖3c)，環(huán)氧樹脂在發(fā)泡材料的孔壁處形成密實(shí)的膜結(jié)構(gòu)，形成了閉口氣孔;當(dāng)Al粉摻量繼續(xù)增加到8% ～10%時(shí)，如圖3d)，3e)，由于材料體內(nèi)產(chǎn)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(jié)構(gòu)決定，因此材料體內(nèi)氣孔的大小、形態(tài)和分布決定了材料宏觀性能的優(yōu)劣，根據(jù)以上分析，材料體內(nèi)部氣孔尺寸較小、分布均勻且為閉口氣孔的狀態(tài)出現(xiàn)在Al粉摻量為6%時(shí).

從圖4～6中可看出，當(dāng)Al粉摻量為2% ～4%時(shí)，復(fù)合發(fā)泡材料3d，7d，28d的抗壓強(qiáng)度均隨著其摻量的增加而增加，材料的容重有下降的趨勢(shì)，而吸水率逐漸上升;當(dāng)Al粉摻量為4% ～6%時(shí)，復(fù)合發(fā)泡材料3d，7d，28d的抗壓強(qiáng)度均隨著其摻量的增加而繼續(xù)增加，材料容重繼續(xù)下降，吸水率逐漸下降;而當(dāng)Al粉摻量大于6%時(shí)，復(fù)合發(fā)泡材料3d，7d，28d的抗壓強(qiáng)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(fù)合發(fā)泡材料試件在Al粉摻量為6%時(shí)能達(dá)到質(zhì)輕高強(qiáng)且吸水率較低的要求，所以本實(shí)驗(yàn)確定Al粉最佳摻量為6%.

圖4 Al粉摻量對(duì)水泥基復(fù)合發(fā)泡材料抗壓強(qiáng)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(duì)水泥基復(fù)合發(fā)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(duì)水泥基復(fù)合發(fā)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(jié)論

1)復(fù)合發(fā)泡水泥的綜合性能為:抗壓強(qiáng)度4.822 MPa，容重212.6 kg/m3，吸水率13%，導(dǎo)熱系數(shù)0.068 W/m·k，屬于A級(jí)不燃材料;

2)環(huán)氧樹脂和水泥的比例影響復(fù)合水泥體系的水化硬化過(guò)程，當(dāng)二者比例為1∶8時(shí)，水泥強(qiáng)度較高，容重低;

3)實(shí)驗(yàn)中選用的是Al粉發(fā)泡劑，且確定Al粉的最佳摻量為6%.

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