一种含改性气凝胶的轻质保温地质聚合物及其制备方法

技术领域

本发明涉及轻质保温地质聚合物的制备技术领域，尤其是涉及一种含改性气凝胶的轻质保温地质聚合物及其制备方法。

背景技术

建筑行业发展过程中消耗大量能源，排放过多的温室气体是当代发展亟需解决的问题，减少建筑能耗是实现碳减排的有效措施，因此，近来生产轻质-保温地质聚合物备受关注，一方面利用地质聚合物作胶凝材料可以实现固废利用且对环保有重要的贡献，经研究表明，生产一吨地质聚合物比生产一吨水泥温室气体CO

气凝胶因其具备极低的导热系数、极低的密度，可用作制备保温混凝土的优选材料，许多研究者尝试将气凝胶掺入混凝土中来提高保温性能，研究表明，气凝胶的多孔性（孔隙率高达90%以上）有助于降低导热系数，提高保温性能，但由于其易脆性和力学性能较差，制备的混凝土出现抗压强度较低的现象，而且由于气凝胶的疏水性，在混凝土制备搅拌过程中容易漂浮在混凝土表面，且和易性较差，成型之后通过电子显微镜观察到与混凝土材料相隔有几微米的距离。

在现有专利名称为：一种多孔地质聚合物/气凝胶复合隔热材料及制备方法，申请号为201710025180.2，利用粉煤灰原材料通过水玻璃碱活化，二氧化硅气凝胶为填充体嵌入地质聚合物（粉煤灰）中，同时采用物理发泡，制备出轻质多孔保温混凝土。采用发泡工艺制备混凝土，制备工艺较为复杂，将具备易脆、强度低的气凝胶直接掺入地质聚合物，使得地质聚合物脆性高、强度低，采用粉煤灰通过碱活化作为胶凝材料，强度较低，采用表面疏水性的气凝胶，气凝胶在地质聚合物中较为分散。

在现有专利名称为一种轻质地聚物保温材料及其制备方法，申请号为202010202926.4中采用粉煤灰、偏高岭土为原料，通过水玻璃、NaOH碱活化，并向地质聚合物中掺入由破碎的泡沫聚苯乙烯板加工得到的EPS颗粒，并通过发泡工艺制备出轻质保温混凝土。EPS颗粒作为轻骨料，保温性和强度较差，采用发泡工艺，工艺较为复杂。

在现有专利名称为气凝胶涂料及其制备方法和气凝胶涂层及其制备方法，申请号为202110034734.1中采用粉煤灰、矿渣粉为原料，通过水玻璃碱活化，并向地质聚合物中掺入气凝胶，制备出轻质保温混凝土。将气凝胶直接加入地质聚合物，气凝胶脆性高、强度低，采用CO

发明内容

本发明的目的是提供一种含改性气凝胶的轻质保温地质聚合物及其制备方法，通过碳纳米管增强气凝胶，提高了气凝胶的抗压强度，同时使用表面活性剂对碳纳米管气凝胶改性为外亲内疏的状态，有利于碳纳米管气凝胶均匀地分散在地质聚合物，与地质聚合物之间的界面性能得到改善，黏结性能的提高使其与地质聚合物基结合紧密，是生产轻质保温地质聚合物的首选材料。

为实现上述目的，本发明提供了一种含改性气凝胶的轻质保温地质聚合物，按重量份计，包括粒状高炉矿渣9.5-9.8份、硅灰0.92-1.0份、水2.93-3.30份、水玻璃2.2-2.73份、NaOH为0.25-0.38份、碳纳米管气凝胶0.3-0.45份、硅烷偶联剂0.05-0.07份。

优选的，所述粒状高炉矿渣的密度为2800-3100kg/m

优选的，所述硅灰中含有质量分数为98%的无定形二氧化硅，平均粒径为0.3-60μm，密度560-720kg/m

优选的，所述碳纳米管气凝胶的粒径为0.1-6mm，孔直径15-60nm，自然堆积状态下堆积密度为60-180kg/m

优选的，所述水玻璃的密度为1526-1559kg/m

优选的，所述硅烷偶联剂为KH-560。

优选的，所述硅烷偶联剂的质量含量＞98%，在25℃温度下密度为1065-1072kg/m

一种含改性气凝胶的轻质保温地质聚合物的制备方法，包括以下步骤：

S1、采用溶胶-凝胶常压干燥制备工艺制备碳纳米管气凝胶；

S2、按重量比例称取粒状高炉矿渣、碳纳米管气凝胶、硅灰、NaOH、水玻璃、水、硅烷偶联剂待用；

S3、将水按照8.5:1.5分为两部分，一部分用于配置碱激发剂，另一部分则与硅烷偶联剂混合用于改性碳纳米管气凝胶；

S4、将NaOH片状固体与17/20水混合，用玻璃棒搅拌2-3min直至NaOH完全溶解，制得碱溶液A；

S5、将碱溶液A与已称好的水玻璃溶液混合，并将水玻璃模数调整为1.3，用玻璃棒搅拌2-3min使其均匀分散，得到碱激发剂溶液B，待静置24h之后使用；

S6、将碳纳米管气凝胶加入剩余3/20的水中，搅拌3-5min，其次再加入0%-1%的硅烷偶联剂，充分搅拌1h，得到改性碳纳米管气凝胶溶液C；

S7、将粒状高炉矿渣以及硅灰加入搅拌锅中，干料搅拌3-5min，直至混合均匀；

S8、将碱激发剂溶液B缓慢加入搅拌锅中，搅拌1-2min直至形成具备一定流动性的浆体；

S9、将改性碳纳米管气凝胶溶液C加入搅拌锅中，充分搅拌2-3min，制备出保温地质聚合物；

S10、将保温地质聚合物倒入50mm×50mm×50mm的模具中封膜室内养护24h；

S11、样品放入标准养护室内，养护3-28天，养护室条件为20-25℃，湿度90-95%；

S12、样品养护完成后，测试抗压强度，烘干样品后测试样品的密度和导热系数，烘干条件为60-110℃，24-48h。

优选的，所述步骤S1中采用溶胶-凝胶常压干燥制备工艺制备碳纳米管气凝胶具体过程如下：

首先将质量含量为0.6%的碳纳米管在水中超声分散1.5h得到溶液A，正硅酸已酯、乙醇、去离子水按照摩尔比1:12:9加入烧杯中磁力搅拌30min使之充分混合均匀，向烧杯中滴加0.5mol/L的稀盐酸调整溶液的PH为2-3，磁力搅拌1h并使其充分水解，然后加入0.5mol/L的稀氨水将PH控制在8-9得到溶液B，使溶液A和溶液B混合均匀，将其密封后置于室温下凝胶化，直至在烧杯中保持40°不流动时即形成醇凝胶，最后将凝胶老化48h，反复经过乙醇浸泡除去所有的水，再加入正已烷浸泡30min，常压干燥制备出碳纳米管气凝胶。

粒状高炉矿渣，密度2800-3100kg/m3、比表面积400-450m2/Kg，更优选的460-500m2/Kg，最优选的500-550m2/Kg，矿渣中CaO、SiO2、MgO、A12O3、Fe2O3质量含量分别为37.42%、34.23%、9.64%、16.62%、0.46%。地质聚合物的活性与其细度、玻璃体含量以及化学成分有关，而矿渣中玻璃体含量较高且含有大量的CaO，有助于提高矿渣的活性，促进早期强度的发展。粒状高炉矿渣为工业废弃物，利用矿渣制备保温混凝土可有效提高固废的利用率，同时很大程度上减少了CO2的排放量，研究表明，生产一吨矿渣基地质聚合物比生产一吨水泥二氧化碳排放降低70-80%，是一种低碳、绿色、可持续发展的节能材料。

硅灰，约质量分数为98%的无定形二氧化硅，具备较高的火山灰活性。平均粒径为0.3-60μm，更优选的0.3-30μm，最优选的0.3-18μm，密度560-720kg/m

本发明中制备碳纳米管改性气凝胶过程具备以下优势：①采用常压干燥的方法，与冷冻干燥、超临界干燥方法相比，无需特定的设备和极端的条件，工艺相对简单，成本低，有利于大批量成产；②为了避免在常压干燥时因毛细管力而造成气凝胶的孔结构破坏和网络骨架结构塌陷，用乙醇反复浸泡直至除去所有的水，通过有机溶剂（乙醇）调剂表面张力，避免在干燥过程中由于毛细管力而造成气凝胶孔结构被破坏。碳纳米管因其存在较强碳原子共价键，具备优异的力学性能，将其引入气凝胶，并与气凝胶纳米颗粒之间形成界面结合力，提高了气凝胶的网络骨架强度，解决了气凝胶脆性高、强度低等缺点。

NaOH，白色半透明均匀粒状或片状固体，易溶于水，纯度为98%，PH值为12.7，熔点318.4℃，沸点1390℃，密度为2.93g/cm3。

水玻璃，无色透明粘稠状液体，密度为1526-1559kg/m

亲水性表面活性剂为硅烷偶联剂KH-560；硅烷偶联剂（质量含量＞98%）为无色或微黄色透明液体，在25℃温度下密度为1065-1072kg/m

硅酸乙酯，常温下为无色透明液体，密度0.96-1.03g/cm

无水乙醇，纯度为99.6%的乙醇溶液，密度0.81g/cm

水，自来水。

本专利采用两种技术对气凝胶进行改性：第一种技术为采用碳纳米管接枝到气凝胶，碳纳米管具备优异的力学性能，并与气凝胶纳米颗粒形成较好的界面结合效应，提高了气凝胶的网络骨架结构，解决了其脆性高、抗压强度低等缺点；碳纳米管直径为15-25nm，比气凝胶颗粒之间的孔径小，因此加入少量的碳纳米管有利于被包裹在气凝胶内部且分散均匀，导致气凝胶的孔径减小，进而减少了空气在孔隙中的热传导，一定程度上降低了导热系数；与纯气凝胶相比，热稳定性更高，有利于制备保温隔热混凝土。第二种技术为用硅烷偶联剂（KH-560）对碳纳米管气凝胶进行表面改性；可以将疏水性气凝胶改性为内疏外亲的状态，气凝胶表面亲水后易均匀地分布在地质聚合物中，避免了因表面疏水特性而在制备过程中发生漂浮在混凝土表面和挥飞的现象，同时改性后的气凝胶与地质聚合物之间的界面性能得到改善，黏结性能的提高使其与地质聚合物基结合紧密；内部疏水性保护气凝胶多孔结构在碱性环境下不被破坏，保持其极低的导热系数，提高混凝土的保温性能。各材料配比，调整改性碳纳米管气凝胶掺入地质聚合物的最佳含量，优化碱激发剂的浓度，确定硅烷偶联剂（KH-560）的最优掺量，掺入过多会导致气凝胶在碱性环境中被严重破坏，过少会导致气凝胶表面亲水效果不明显，进而制备出轻质-保温-较高强度的混凝土。

因此，本发明采用上述一种含改性气凝胶的轻质保温地质聚合物及其制备方法，通过碳纳米管增强气凝胶，提高了气凝胶的抗压强度，同时使用表面活性剂对碳纳米管气凝胶改性为外亲内疏的状态，有利于碳纳米管气凝胶均匀地分散在地质聚合物，与地质聚合物之间的界面性能得到改善，黏结性能的提高使其与地质聚合物基结合紧密，是生产轻质保温地质聚合物的首选材料。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为改性前气凝胶宏观照片；

图2为粒状高炉矿渣宏观照片；

图3为对比例2抗压样品俯视图。

具体实施方式

本发明提供了一种含改性气凝胶的轻质保温地质聚合物，按重量份计，包括粒状高炉矿渣9.5-9.8份、硅灰0.92-1.0份、水2.93-3.30份、水玻璃2.2-2.73份、NaOH为0.25-0.38份、碳纳米管气凝胶0.3-0.45份、硅烷偶联剂0.05-0.07份。

粒状高炉矿渣的密度为2800-3100kg/m

硅灰中含有质量分数为98%的无定形二氧化硅，平均粒径为0.3-60μm，密度560-720kg/m

碳纳米管气凝胶的粒径为0.1-6mm，孔直径15-60nm，自然堆积状态下堆积密度为60-180kg/m

水玻璃的密度为1526-1559kg/m

硅烷偶联剂为KH-560，硅烷偶联剂的质量含量＞98%，在25℃温度下密度为1065-1072kg/m

一种含改性气凝胶的轻质保温地质聚合物的制备方法，包括以下步骤：

S1、采用溶胶-凝胶常压干燥制备工艺制备碳纳米管气凝胶，具体过程如下：

首先将质量含量为0.6%的碳纳米管在水中超声分散1.5h得到溶液A，正硅酸已酯、乙醇、去离子水按照摩尔比1:12:9加入烧杯中磁力搅拌30min使之充分混合均匀，向烧杯中滴加0.5mol/L的稀盐酸调整溶液的PH为2-3，磁力搅拌1h并使其充分水解，然后加入0.5mol/L的稀氨水将PH控制在8-9得到溶液B，使溶液A和溶液B混合均匀，将其密封后置于室温下凝胶化，直至在烧杯中保持40°不流动时即形成醇凝胶，最后将凝胶老化48h，反复经过乙醇浸泡除去所有的水，再加入正已烷浸泡30min，常压干燥制备出碳纳米管气凝胶；

S2、按重量比例称取粒状高炉矿渣、碳纳米管气凝胶、硅灰、NaOH、水玻璃、水、硅烷偶联剂待用；

S3、将水按照8.5:1.5分为两部分，一部分用于配置碱激发剂，另一部分则与硅烷偶联剂混合用于改性碳纳米管气凝胶；

S4、将NaOH片状固体与17/20水混合，用玻璃棒搅拌2-3min直至NaOH完全溶解，制得碱溶液A；

S5、将碱溶液A与已称好的水玻璃溶液混合，并将水玻璃模数调整为1.3，用玻璃棒搅拌2-3min使其均匀分散，得到碱激发剂溶液B，待静置24h之后使用；

S6、将碳纳米管气凝胶加入剩余3/20的水中，搅拌3-5min，其次再加入0%-1%的硅烷偶联剂，充分搅拌1h，得到改性碳纳米管气凝胶溶液C；

S7、将粒状高炉矿渣以及硅灰加入搅拌锅中，干料搅拌3-5min，直至混合均匀；

S8、将碱激发剂溶液B缓慢加入搅拌锅中，搅拌1-2min直至形成具备一定流动性的浆体；

S9、将改性碳纳米管气凝胶溶液C加入搅拌锅中，充分搅拌2-3min，制备出保温地质聚合物；

S10、将保温地质聚合物倒入50mm×50mm×50mm的模具中封膜室内养护24h；

S11、样品放入标准养护室内，养护3-28天，养护室条件为20-25℃，湿度90-95%；

S12、样品养护完成后，测试抗压强度，烘干样品后测试样品的密度和导热系数，烘干条件为60-110℃，24-48h。

以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

实施例1

一种含改性气凝胶的轻质保温地质聚合物，按重量份数计，其各组分如下：

粒状高炉矿渣9.63份，0.3-18μm的硅灰0.96份，水2.97份，水玻璃2.68份，NaOH为0.35份，NaOH的纯度为98%，0.1-0.6mm碳纳米管气凝胶0.42份（密度为60-180kg/m

材料制备流程为：

（1）碳纳米管气凝胶，采用溶胶-凝胶常压干燥制备工艺制备，方法如下：首先将质量含量为0.6%的碳纳米管在水中超声分散1.5h得到溶液A，正硅酸已酯、乙醇、去离子水按照摩尔比1:12:9加入烧杯中磁力搅拌30min使之充分混合均匀，向烧杯中滴加0.5mol/L的稀盐酸调整溶液的PH约为2-3，磁力搅拌1h并使其充分水解，然后加入0.5mol/L的稀氨水将PH控制在8-9得到溶液B，使溶液A和溶液B混合均匀，将其密封后置于室温下凝胶化，直至在烧杯中保持40°不流动时即形成醇凝胶，最后将凝胶老化48h，反复经过乙醇浸泡除去所有的水，再加入正已烷浸泡30min，常压干燥制备出碳纳米管气凝胶。

（2）按重量比例称取粒状高炉矿渣、碳纳米管气凝胶、硅灰、NaOH、水玻璃、水、硅烷偶联剂（KH-560）。

（3）将水按照8.5:1.5分为两部分，一部分用于配置碱激发剂，另一部分则与硅烷偶联剂（KH-560）混合用于改性碳纳米管气凝胶。

（4）将NaOH片状固体与17/20水混合，用玻璃棒搅拌2-3min直至NaOH完全溶解，制得碱溶液A。

（5）将NaOH溶液与已称好的水玻璃溶液混合，并将水玻璃模数调整为1.3，用玻璃棒搅拌2-3min使其均匀分散，得到碱激发剂溶液B（碱激发剂中Na

（6）将碳纳米管气凝胶加入剩余3/20的水中，搅拌3-5min，其次再加入0.7%的硅烷偶联剂（KH560），充分搅拌1h，得到改性碳纳米管气凝胶溶液C。

（7）将粒状高炉矿渣以及硅灰加入搅拌锅中，干料搅拌3-5min，直至混合均匀。

（8）将碱激发溶液B缓慢加入搅拌锅中，搅拌1-2min直至形成具备一定流动性的浆体。

（9）将改性碳纳米管气凝胶溶液C加入搅拌锅中，充分搅拌2-3min，制备出保温地质聚合物。

（10）将保温地质聚合物倒入50mm×50mm×50mm的模具中封膜室内养护24h，防止水分蒸发。

（11）样品放入标准养护室内，养护3-28天，养护室条件为20-25℃，湿度90-95%。

（12）样品养护完成后，测试抗压强度，烘干样品后测试样品的密度和导热系数，烘干条件为110℃，24h。

实施例2

一种含改性气凝胶的轻质保温地质聚合物，按重量份数计，其各组分如下：

粒状高炉矿渣9.63份，0.3-18μm的硅灰0.96份，水2.97份，水玻璃2.68份，NaOH为0.35份，NaOH的纯度为98%，0.1-0.6mm碳纳米管气凝胶0.32份（密度为60-180kg/m

材料制备流程同实施例1

实施例3

一种含改性气凝胶的轻质保温地质聚合物，按重量份数计，其各组分如下：

粒状高炉矿渣9.63份，0.3-18μm的硅灰0.96份，水3.26份，水玻璃2.23份，NaOH为0.29份，NaOH的纯度为98%，0.1-0.6mm碳纳米管气凝胶0.42份（密度为60-180kg/m

材料制备流程除（5）将NaOH溶液与已称好的水玻璃溶液混合，并将水玻璃模数调整为1.3，用玻璃棒搅拌2-3min使其均匀分散，得到碱激发剂溶液B（碱激发剂中Na

实施例4

一种含改性气凝胶的轻质保温地质聚合物，按重量份数计，其各组分如下：

粒状高炉矿渣9.63份，0.3-18μm的硅灰0.96份，水2.97份，水玻璃2.68份，NaOH为0.35份，NaOH的纯度为98%，0.1-0.6mm碳纳米管气凝胶0.42份（密度为60-180kg/m

材料制备流程同实施例1

对比例1

本对比例1轻质保温地质聚合物，按重量份数计，其各组分如下：

粒状高炉矿渣9.63份，0.3-18μm的硅灰0.96份，水3.22份，水玻璃2.68份，NaOH为0.35份，NaOH的纯度为98%，0.1-0.6mm碳纳米管气凝胶0.95份（密度为60-180kg/m

材料制备流程同实施例1

对比例2

本对比例2轻质保温地质聚合物，按重量份数计，其各组分如下：

粒状高炉矿渣9.63份，0.3-18μm的硅灰0.96份，水2.97份，水玻璃2.68份，NaOH为0.35份，NaOH的纯度为98%，0.1-0.6mm碳纳米管气凝胶0.42份（密度为60-180kg/m3，导热系数0.012W/m·K），不添加硅烷偶联剂（KH-560）。

材料制备流程同实施例1

对比例3

本对比例3轻质保温地质聚合物，按重量份数计，其各组分如下：

粒状高炉矿渣9.63份，0.3-18μm的硅灰0.96份，水2.97份，水玻璃2.68份，NaOH为0.35份，NaOH的纯度为98%，0.1-0.6mm气凝胶0.42份（密度为60-180kg/m

材料制备流程同实施例1

本发明实施例1-4与对比例1-3的轻质保温地质聚合物性能测试结果如表1所示。

表1 实施例1-3与对比例1-3的轻质保温地质聚合物测试结果

因此，本发明采用上述一种含改性气凝胶的轻质保温地质聚合物及其制备方法，通过碳纳米管增强气凝胶，提高了气凝胶的抗压强度，同时使用表面活性剂对碳纳米管气凝胶改性为外亲内疏的状态，有利于碳纳米管气凝胶均匀地分散在地质聚合物，与地质聚合物之间的界面性能得到改善，黏结性能的提高使其与地质聚合物基结合紧密，是生产轻质保温地质聚合物的首选材料。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。