本發(fā)明涉及一種納米尺寸礦物摻合料的分散及表面處理方法，屬于水泥混凝土外加劑領域。

背景技術：

水泥基材料作為一種重要的建筑材料，在生產生活中扮演著不可缺少的角色。隨著全球人口、經濟的發(fā)展，水泥基材料的需求在迅猛發(fā)展，人們對材料的性能要求也在不斷提高。水泥基材料的綠色、生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展方向，成為人們關注的重點。礦物摻合料通常是工業(yè)生產中的二次產物或者固體廢棄物，其含有的活性硅質或鋁質成分可以在水泥水化的堿性環(huán)境中發(fā)生火山灰反應，生產水化硅酸鈣凝膠。在工程應用中，使用礦物摻合料部分替代水泥，不僅能明顯降低水泥用量，減少成本和環(huán)境污染，而且不同的礦物摻合料具有不同的特性，對控制水化速率、改善水泥基體微觀結構、提高耐久性等具有積極的影響。

納米活性顆粒，作為一種活性摻合料，近年來成為水泥基材料的研究熱點。大量研究成果表面，通過在水泥基材料中摻加納米二氧化硅，納米二氧化鈦，納米碳酸鈣等，可以有效改善硬化漿體的微觀結構，大幅提高其宏觀力學性能和耐久性。納米顆粒由于其尺寸效應，在水泥基材料中，能夠有效填充水泥顆粒之間的細小縫隙，提高基體的堆積密實程度。同時由于納米顆粒的表面活性能高，可以作為水泥水化的形核位點，加速水化反應的進行。納米顆粒尺寸小，比表面積大，促進自身二次水化反應的進行，并且二次水化形成的產物包覆層薄，更利于顆粒完全反應。但納米材料價格昂貴，產量低，規(guī)模化應用非常困難。

研究發(fā)現(xiàn)，多種礦物摻合料，如硅灰、稻殼灰、偏高嶺土等，其主要顆粒成分是最小粒徑在10-100nm的含活性SiO₂的顆粒，能夠發(fā)揮納米材料所特有的優(yōu)異性能，并且成本較低，易于得到。但這些納米顆粒由于表面能大，會發(fā)生嚴重的團聚現(xiàn)象，形成直徑在10μm以上的團簇，難以發(fā)揮納米顆粒的優(yōu)勢。因此，對納米尺寸的礦物摻合料的顆粒進行分散，打破團聚，能夠大幅度提高其在水泥基材料中的作用。

針對水泥基材料顆粒的團聚問題，國內外常用的顆粒分散手段，是合成含有功能組分的溶膠，如聚丙烯酰胺，作為活性外加劑在拌合過程中加入到粉料中，利用活性組分的空間位阻和電荷排斥作用，達到分散的目的。但是，上述方法主要用于分散顆粒尺寸在微米級的顆粒，如水泥、粉煤灰、礦渣等，由于納米顆粒之間團聚的作用力較大，上述作用難以提供有效的分散效果。同時，溶膠與粉料一起加入，難以做到均勻接觸，對粉料的分散效果會大打折扣。針對納米尺寸的礦物摻合料，目前沒有一種簡單有效的處理方法，能夠使顆粒之間減少團聚，達到穩(wěn)定分散。因此，提出一種可用于納米尺寸的礦物摻合料的分散方法，對提高礦物摻合料的使用效率，提高水泥基材料的力學性能和耐久性能，具有重要的意義。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種納米尺寸礦物摻合料的分散及表面處理方法，以解決普通納米尺寸礦物摻和料顆粒團聚嚴重，分散性差的缺點，同時對顆粒的二次水化反應影響較小。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為：

一種納米尺寸礦物摻合料的分散及表面處理方法，包括以下步驟：

(1)將待處理的納米尺寸礦物摻合料在水中充分分散，得到分散液；

(2)將氨基硅烷加入步驟(1)的分散液中，使其水解后與納米尺寸礦物摻合料的納米顆粒表面的羥基基團結合；

(3)再加入含有羧基支鏈的聚羧酸類聚合物，使其水解后的有機基團與氨基硅烷表面的氨基結合；

(4)將步驟(3)的分散液中的納米尺寸礦物摻合料提取出來，清洗掉表面未反應的氨基硅烷和聚羧酸類聚合物，烘干，得到表面處理后的納米礦物摻合料。

步驟(1)中，采用機械攪拌或者超聲分散的方法，充分打破納米顆粒之間的團簇，最終納米顆粒的分散尺寸在1μm以下。

步驟(2)中，所述的氨基硅烷為γ-氨丙基三乙氧基硅烷，γ-氨丙基三甲氧基硅烷，N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷，N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三乙氧基硅烷，3-氨丙基甲基二乙氧基硅烷，N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基甲基二甲氧基硅烷中的一種。

步驟(2)中，將氨基硅烷按照所分散的納米尺寸礦物摻合料質量的1/8-1/4的比例加入步驟(1)的分散液中，在60-85攝氏度的保溫條件下，攪拌16-24小時，攪拌速率為300-800轉/分鐘。

步驟(3)中，所述的含有羧基支鏈的聚羧酸類聚合物是聚丙烯酸，聚甲基丙烯酸的一種。

所述聚丙烯酸的分子量為2000-5000。

步驟(3)中，將含有羧基支鏈的聚羧酸類聚合物按照所分散的納米尺寸礦物摻合料質量的1/2-1的比例加入步驟(2)的分散液中，在50-70攝氏度的保溫條件下，攪拌1-3小時，攪拌速率為300-800轉/分鐘。

步驟(4)中，采用過濾、抽濾或者離心的方法，將分散液中的納米尺寸的礦物摻合料顆粒提取，然后分別用去離子水和無水乙醇各清洗2-4次，然后在溫度為40-60攝氏度下烘干。

有益效果：本發(fā)明所涉及的一種納米尺寸礦物摻合料的分散及表面處理方法，具有以下優(yōu)點：

(1)能夠明顯打破普通納米尺寸礦物摻和料之間的顆粒團聚，分散效果穩(wěn)定。處理后的礦物摻合料在水泥基材料中，能夠更好的發(fā)揮納米顆粒的特性；

(2)顆粒表面修飾的官能團組分，為親水基團，不影響其在水泥膠體中發(fā)生反應，還能促進顆粒與水溶液的充分接觸；

(3)表面修飾官能團之間以氫鍵結合為主，在堿性環(huán)境中會逐漸脫離，對顆粒本身的火山灰反應的阻礙較小。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的處理過程示意圖；

圖2為實施例1中的顆粒表面處理前后的SEM照片；

圖3為實施例2中的顆粒表面處理前后的SEM照片。

具體實施方式

本發(fā)明提供了一種納米尺寸礦物摻合料的分散及表面處理方法，包括以下步驟：

(1)將待處理的納米尺寸礦物摻合料在水中充分分散，得到分散液；其中，分散采用機械攪拌或者超聲分散的方法，充分打破納米顆粒之間的團簇，最終納米顆粒的分散尺寸在1μm以下。

(2)將氨基硅烷加入步驟(1)的分散液中，使其水解后與納米尺寸礦物摻合料的納米顆粒表面的羥基基團結合；其中，氨基硅烷為γ-氨丙基三乙氧基硅烷，γ-氨丙基三甲氧基硅烷，N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷，N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三乙氧基硅烷，3-氨丙基甲基二乙氧基硅烷，N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基甲基二甲氧基硅烷中的一種。具體步驟為：將氨基硅烷按照所分散的納米尺寸礦物摻合料質量的1/8-1/4的比例加入步驟(1)的分散液中，在60-85攝氏度的保溫條件下，攪拌16-24小時，攪拌速率為300-800轉/分鐘。

(3)再加入含有羧基支鏈的聚羧酸類聚合物，使其水解后的有機基團與氨基硅烷表面的氨基結合；其中，含有羧基支鏈的聚羧酸類聚合物是聚丙烯酸，聚甲基丙烯酸的一種；聚丙烯酸的分子量為2000-5000。具體步驟為：將含有羧基支鏈的聚羧酸類聚合物按照所分散的納米尺寸礦物摻合料質量的1/2-1的比例加入步驟(2)的分散液中，在50-70攝氏度的保溫條件下，攪拌1-3小時，攪拌速率為300-800轉/分鐘。

(4)將步驟(3)的分散液中的納米尺寸礦物摻合料提取出來，清洗掉表面未反應的氨基硅烷和聚羧酸類聚合物，烘干，得到表面處理后的納米礦物摻合料；具體步驟為：采用過濾、抽濾或者離心的方法，將分散液中的納米尺寸的礦物摻合料顆粒提取，然后分別用去離子水和無水乙醇各清洗2-4次，然后在溫度為40-60攝氏度下烘干。

本發(fā)明的過程如圖1所示。

下面結合具體實施例對本發(fā)明作更進一步的說明。

實施例1：

(1)稱取市面購買的硅灰粉末15克，加入500毫升水中，超聲分散30分鐘；

(2)將3克γ-氨丙基三乙氧基硅烷，逐滴加入到步驟(1)中的分散液中，同時在65攝氏度保溫條件下，機械攪拌20小時，攪拌速率400轉/分鐘；

(3)稱取15克分子量為3000的聚丙烯酸，緩慢加入到步驟(2)中的分散溶液中，同時在65攝氏度保溫條件下，機械攪拌1小時，攪拌速率400轉/分鐘；

(4)將分散溶液用濾紙抽濾，分別用蒸餾水和無水乙醇各清洗3次，在40攝氏度干燥箱中干燥24小時，得到表面處理后的硅灰粉末。圖2中，(a)為顆粒表面處理前的SEM形貌，(b)為表面處理后的SEM形貌。

實施例2：

(1)稱取市面購買的硅灰粉末15克，加入500毫升水中，機械攪拌30分鐘；

(2)將2克γ-氨丙基三甲氧基硅烷，逐滴加入到步驟(1)中的分散液中，同時在65攝氏度保溫條件下，機械攪拌16小時，攪拌速率600轉/分鐘；

(3)稱取9克聚甲基丙烯酸，緩慢加入到步驟(2)中的分散溶液中，同時在65攝氏度保溫條件下，機械攪拌2小時，攪拌速率600轉/分鐘；

(4)將分散溶液用濾紙抽濾，分別用蒸餾水和無水乙醇各清洗3次，在50攝氏度干燥箱中干燥24小時，得到表面處理后的硅灰粉末。圖3中，(a)為顆粒表面處理前的SEM形貌，(b)為表面處理后的SEM形貌。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。