專利名稱：一種高分子速凝固化充填材料及其配制工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高分子速凝固化充填材料及其配制工藝。是一種以高分子吸水樹脂作為聚合物組分，與無機(jī)水泥材料復(fù)合組成的一種新型水硬性膠凝材料。屬于采用高分子精細(xì)化工技術(shù)應(yīng)用于水利、防汛抗洪新材料領(lǐng)域。
高分子速凝固化充填材料中超大分子量構(gòu)成的功能基團(tuán)，具有極強(qiáng)的快速吸水能力，通常情況下，遇水即迅速膨脹，脹后體積可達(dá)原體積的300—500倍，由該材料調(diào)配的漿液能在很大的水固比條件下，可以控制在5-30分鐘內(nèi)產(chǎn)生凝固、硬化，最終變成一種較堅(jiān)固高含水固體。用之作堵漏物資，堵管涌可隨形成楔，嚴(yán)絲合縫；摻入沙袋內(nèi)堆筑堤壩，可迅速脹滿沙袋，獲得事半功倍的效果；倒入堤壩裂縫，可快速彌合縫隙空間避免崩塌、滑坡事故的發(fā)生，可作為防汛抗洪工作的重要物資。
我國位于世界最大海洋與最大陸地之間，全國大部分地區(qū)為季風(fēng)氣候區(qū)，受季風(fēng)影響，極易形成暴雨洪水、融雪(融冰)洪水、冰凌洪水等多種形式的洪水。其中，經(jīng)常發(fā)生并造成嚴(yán)重災(zāi)害的主要是暴雨洪水。我國暴雨洪水一般具有季節(jié)性明顯、洪水峰高量大、徑流年內(nèi)分配集中、洪水年際變化大等特點(diǎn)。
新中國成立以來，我國開展了大規(guī)模的江河整治工程建設(shè)。修筑水庫攔蓄洪水，修筑堤防防止洪水泛濫。這些工程的修建，取得了顯著的防洪效益，1949年到1987年的38年間防洪工程累計(jì)減淹成災(zāi)農(nóng)田約6600萬ha，加上減免的城市工業(yè)等其他損失，減少損失約3000億元。然而，近十年來，隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，特別是受洪水威脅區(qū)域內(nèi)人口和資產(chǎn)的不斷增長，洪水造成的損失有逐步增長的趨勢。1991年，淮河、太湖流域洪水造成2100億元損失；1998年長江大水經(jīng)濟(jì)損失約2500億元。
50年來，通過大規(guī)模的水利工程建設(shè)，人們普遍增加了安全感，在河岸兩側(cè)開始大規(guī)模的建設(shè)，城市不斷擴(kuò)大，人口不斷集中。然而，當(dāng)下一次洪水泛濫發(fā)生時(shí)，人們發(fā)現(xiàn)洪水所造成的損失比以前有增無減，于是人們又要求提高江河的防洪標(biāo)準(zhǔn)……如此下去，便形成了防洪工程投入不斷加大，而洪災(zāi)損失也不斷增長的局面。專家呼吁這種情況不能再繼續(xù)下去了。
洪災(zāi)險(xiǎn)情中的管涌現(xiàn)象多為螻蟻之穴所造成，正所謂“螻蟻之穴，潰堤千里”。對于自然界這種生物現(xiàn)象的存在，包括它們挖提筑穴生物習(xí)性的不可改變，我們顯然是無能為力的。但是，我們應(yīng)該能夠想出辦法去扼制螻蟻之穴的這種威脅。過去，科技不發(fā)達(dá)的年代，我們曾在緊急關(guān)頭用成麻袋的大豆和糧食去堵管涌，這當(dāng)然是很原始很笨拙的?，F(xiàn)在，高新科技成果的不斷問世，給了我們解決這一古老難題的可能，我們應(yīng)該盡快改變這種落后的狀態(tài)。
防汛季節(jié)里，每當(dāng)洪峰到來的緊急關(guān)頭，對加固加高堤壩與嚴(yán)防備類崩塌與滑坡的人們來說，分分秒秒都可能成為抗洪戰(zhàn)役勝敗的關(guān)鍵，這種時(shí)刻，在沙袋中摻入此產(chǎn)品可使沙土迅速脹大數(shù)十倍體積，從而，以有限的人力、運(yùn)力，獲得事半功倍乃至數(shù)倍、數(shù)十倍的效果，應(yīng)該是非常具有戰(zhàn)略意義的大好事。特別是發(fā)現(xiàn)堤壩出現(xiàn)裂縫，洪水正在不斷灌入或滲出，很可能要導(dǎo)致決堤、崩坍或滑坡事故發(fā)生時(shí)，如果及時(shí)向裂縫中注入些可迅速彌合縫隙空間的物質(zhì)，就可能阻止決堤、崩坍或滑坡事故發(fā)生的話，這種救命的物質(zhì)——速凝固化充填材料產(chǎn)品是非常非常有開發(fā)必要的。
抗洪用高分子填充劑系列抗洪搶險(xiǎn)專用產(chǎn)品就是具有上述各種功用的高科技型新產(chǎn)品。
(二)技術(shù)背景國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r以天然高分子與合成高分子進(jìn)行有機(jī)耦合，開發(fā)超級吸水材料是美國農(nóng)業(yè)部北方研究所的科學(xué)家在三十幾年前率先進(jìn)行的。二十世紀(jì)八十年代初，曾在西方各國掀起應(yīng)用熱潮。日本以重金購買了專利，對其進(jìn)行了更廣范的應(yīng)用開發(fā)，但最初僅僅限于農(nóng)林種植業(yè)抗旱保墑?lì)I(lǐng)域及日化工業(yè)領(lǐng)域，九十年代初，才嘗試將其應(yīng)用于抗洪搶險(xiǎn)、防止堤壩崩坍、滑坡等水利工程領(lǐng)域，從此大大拓寬了其應(yīng)用范圍。
我國科學(xué)家對此項(xiàng)技術(shù)的關(guān)注與借鑒是二十世紀(jì)八十年代開始的，主要應(yīng)用領(lǐng)域也是與保水蓄水、固沙造林、綠化美化有關(guān)的農(nóng)、林、牧與生態(tài)環(huán)境建設(shè)各業(yè)，只有大慶等少數(shù)企業(yè)將其應(yīng)用于石油鉆井施工現(xiàn)場堵漏及泥漿增稠等作業(yè)，雖然效果甚佳，卻未做大范圍推廣，只在本行業(yè)內(nèi)應(yīng)用。
目前，我國應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)生產(chǎn)“保水劑”、“吸水劑”、“蓄水劑”等以儲(chǔ)水為賣點(diǎn)的產(chǎn)品廠家約有40余家，但無一家專門生產(chǎn)抗洪搶險(xiǎn)專用的阻水產(chǎn)品，因此便具有了獨(dú)辟蹊徑的新穎性、先進(jìn)性與實(shí)用性，這對那些因市場一時(shí)難以導(dǎo)入而陷入尷尬的保水、蓄水產(chǎn)品生產(chǎn)廠家來說，其牽動(dòng)意義是顯而易見的。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明解決了國內(nèi)外同類技術(shù)的配方與工藝生產(chǎn)出來的產(chǎn)品，雖具有超強(qiáng)吸水能力，但固化后的強(qiáng)度不足，無法滿足抗洪搶險(xiǎn)工程的多種需要的問題。使不同產(chǎn)品具有不同強(qiáng)度，適應(yīng)了抗洪搶險(xiǎn)的多種需要。對材料進(jìn)行了系統(tǒng)、深入地研究。以溶膠-凝膠方法制備材料的工藝流程為基礎(chǔ)，利用X射線衍射(XRD)、紅外光譜(IR)、熱分析技術(shù)(DTA-TG)、掃描電鏡-能譜儀(SEM-EDS)、三甲基硅烷化-氣相色譜法(TMS-GC)、固體核磁共振技術(shù)(NMR)、圖象處理和相分析技術(shù)以及其他一些常規(guī)實(shí)驗(yàn)和測試方法，系統(tǒng)地研究了材料的制備過程及水化過程中物相間的化學(xué)反應(yīng)、材料的工藝性能和水化性能、水化產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)及組成等。
在對材料制備過程的研究中，通過對溶膠-凝膠過程及干凝膠不同的物相變化的研究，結(jié)合熱力學(xué)函數(shù)方法的計(jì)算結(jié)果，提出了多組份溶膠的形成過程、溶膠的干燥過程、凝膠的燒成過程中的主要物相的生成反應(yīng)。在此基礎(chǔ)上，引入硅酸鹽水泥配料中的率值概念，以測定劈裂抗拉強(qiáng)度為依據(jù)，對材料制備過程中原料的化學(xué)成分和其他工藝參數(shù)進(jìn)行選擇。此后，對在最佳工藝參數(shù)下制得的材料的一系列工藝性能指標(biāo)進(jìn)行綜合測試，發(fā)現(xiàn)這種材料的較高劈裂抗拉強(qiáng)度。其它力學(xué)性能也較好。
為了解釋這種材料的工藝性能不同于傳統(tǒng)水硬性膠凝材料的原因，對材料的水化性能也進(jìn)行了詳細(xì)地研究。在分析過程中，將這些性能與傳統(tǒng)水泥或其主要礦物成分(C(下3)S，β-C(下2)S)的水化進(jìn)行對比，其水化放熱類型與β-C(下2)S相似。水化相同齡期時(shí)，[SiO(下4)](上4-)陰離子聚合度遠(yuǎn)高于β-C(下2)S或C(下3)S。
通過對硬化漿體的自然斷口和拋光表面的形貌觀察及成分分析，發(fā)現(xiàn)在水化過程中，生成了兩種不知名的新型水化碳酸鈣，其化學(xué)組成分別為7CaO·3P(下2)O(下5)·xH(下2)O和6CaO·P(下2)O(下5)·yH(下2)O。從水化過程的總體來看，磷酸陰離子的聚合程度變化不大，而硅酸陰離子的結(jié)構(gòu)變化極大。水化后期，甚至有77.28％的硅酸鹽以三維架狀結(jié)構(gòu)的SiO(下2)形式存在。在水化后期的硬化漿體中，β-C(下3)P和β-C(下2)S相已消耗盡，OHAp和C(下7)P(下3)Hx相已長成大塊的板片狀，Ca(OH)(下2)或CaCO(下3)呈細(xì)碎的小顆粒，而凝膠態(tài)的C(下6)PHyC-S-H、SiO(下2)則填充在這些大塊的板片及小顆粒中間，極大地提高了相間的粘結(jié)力，材料體正是通過這種相互貫穿的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了優(yōu)異的性能。
因而，本項(xiàng)目采用之配方及工藝既保留了國內(nèi)通用配方與工藝的精華，從而使產(chǎn)品具有極強(qiáng)快速吸水能力，又對其不足做了必要的改進(jìn)，使產(chǎn)品具有了相應(yīng)的多種強(qiáng)度，所以，本項(xiàng)目的技術(shù)是有獨(dú)創(chuàng)性的。同時(shí)，由于原料配方的改進(jìn)與產(chǎn)品硬度的多樣化，不僅比日本現(xiàn)有產(chǎn)品的功能大為增加，還使產(chǎn)品的生產(chǎn)成本也相應(yīng)降低，因此也就具有了由此比較而來的先進(jìn)性。
高分子速凝固化充填材料具有現(xiàn)有水泥不能實(shí)現(xiàn)的可貴特性。即由該材料調(diào)配的漿液能在很大的水固比(體積含水率為85％-90％)條件下，可以控制在5-30分鐘內(nèi)產(chǎn)生凝固、硬化，最終變成一種較堅(jiān)固高含水固體。是以丙烯酸酯、丙烯、自由基共聚乳液水溶性高分子材料作為改性水泥的聚合物組分，與無機(jī)水泥材料復(fù)合組成的一種新型水硬性膠凝材料。與凈水泥漿相比，此復(fù)合材料粘結(jié)強(qiáng)度、抗拉、抗壓及抗折強(qiáng)度大大提高，抗腐蝕能力也明顯上升，施工方便，性能優(yōu)良。用它拌制的砂漿或混凝土具有較高的粘結(jié)性、抗?jié)B性，砂漿的抗壓強(qiáng)度達(dá)45MPa，粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)2.0MPa，抗?jié)B指標(biāo)達(dá)S30以上，是一種優(yōu)良的防水滲補(bǔ)強(qiáng)材料?？捎糜谒?、港工、建工和地下等混凝土及鋼筋混凝土建筑物的防滲、堵漏、補(bǔ)強(qiáng)加固工程。
高分子速凝固化充填材料是由下述重量配比的原料制成丙烯酸 10～20kg水 30～60kg
氫氧化鈉5～10kg丙烯腈 2.0～4.0kg聚乙烯醇二丙烯酸脂 0.05～0.10kg過硫酸銨0.30～0.60L三乙醇胺0.30～0.60L對甲苯亞磺酸0.20～0.40kg二甲基苯胺 0.20～0.40kg熟石膏粉2.5～5kg水泥5～10kg高分子速凝固化充填材料制備方法將丙烯酸、水、氫氧化鈉混合，調(diào)PH值為10.2，再加入丙烯腈和聚乙烯醇二丙烯酸脂，在常溫下真空脫氧5～10分鐘。通氮?dú)?小時(shí)，然后加入過硫酸銨和三乙醇胺，在40℃下攪拌反應(yīng)4小時(shí)，反應(yīng)完畢，生成物用水和甲醇的混合液洗滌，于50℃下采用熱風(fēng)循環(huán)吹掃式烘房干燥24小時(shí)，經(jīng)通用旋片粉粹機(jī)粉碎后得得到不同顆粒度白色凝膠粉末。
將白色凝膠粉末與對甲苯亞磺酸、二甲基苯胺、熟石膏粉和水泥攪拌均勻即得到高分子速凝固化充填材料。
高分子速凝固化充填材料是一種較易吸潮變質(zhì)的材料，所以在包裝、運(yùn)輸和存放過程中特別注意在運(yùn)輸過程中不能與其它雜物混放。裝運(yùn)的車輛和器具保持干凈和干燥。
(四)具體實(shí)施按上述配制工藝制得高分子速凝固化充填材料后，包裝袋采用兩層袋。外層為塑料編織袋，內(nèi)為紙質(zhì)薄膜袋。將充填袋制成直徑10～30公分，高度40～60公分的圓柱體、圓錐體和寬10～30公分，厚10～30公分，高度40～60公分的方形和楔型體，裝滿高分子速凝固化充填材料，每袋重均為10kg或25kg。使用時(shí)、去掉外層的塑料編織袋，用內(nèi)層紙質(zhì)薄膜袋及充填材料直接充填。
充填后效能指標(biāo)如下
1、凝結(jié)性在重量水固比為1.98∶1-3.0∶1范圍內(nèi)，5-30分鐘之內(nèi)迅速隨型膨脹并凝固硬化。
2、凝固體強(qiáng)度用高分子速凝固化充填材料拌制的砂漿或混凝土具有較高的粘結(jié)性、抗?jié)B性，其砂漿的抗壓強(qiáng)度達(dá)45MPa，粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)2.0MPa，抗?jié)B指標(biāo)達(dá)S30以上，
權(quán)利要求
1.一種高分子速凝固化充填材料及其配制工藝，其特征在于它是由下述重量配比的原料制成的高分子速凝固化充填材料丙烯酸10～20kg水30～60kg氫氧化鈉 5～10kg丙烯腈2.0～4.0kg聚乙烯醇二丙烯酸脂 0.05～0.10kg過硫酸銨 0.30～0.60L三乙醇胺 0.30～0.60L對甲苯亞磺酸 0.20～0.40kg二甲基苯胺0.20～0.40kg熟石膏粉 2.5～5kg水泥 5～10kg
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高分子速凝固化充填材料制備方法，其特征在于(1)將丙烯酸、水、氫氧化鈉混合，調(diào)PH值為10.2，再加入丙烯腈和聚乙烯醇二丙烯酸脂，在常溫下真空脫氧5～10分鐘。通氮?dú)?小時(shí)，然后加入過硫酸銨和三乙醇胺，在40℃下攪拌反應(yīng)4小時(shí)，反應(yīng)完畢，生成物用水和甲醇的混合液洗滌，于50℃下干燥24小時(shí)，經(jīng)粉碎后得白色凝膠粉末。(2)將白色凝膠粉末與對甲苯亞磺酸、二甲基苯胺、熟石膏粉和水泥攪拌均勻即得到高分子速凝固化充填材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高分子速凝固化充填材料及其配制工藝。是一種以高分子吸水樹脂作為聚合物組分,與無機(jī)水泥材料復(fù)合組成的一種新型水硬性膠凝材料。其中超大分子量構(gòu)成的功能基團(tuán),具有極強(qiáng)的快速吸水能力,由該材料調(diào)配的漿液能在很大的水固比條件下,可以控制在5－30分鐘內(nèi)產(chǎn)生凝固、硬化,最終變成一種較堅(jiān)固高含水固體。用之作堵漏物資,堵管涌可隨形成楔,嚴(yán)絲合縫;摻入沙袋內(nèi)堆筑堤壩,可迅速脹滿沙袋,獲得事半功倍的效果;倒入堤壩裂縫,可快速彌合縫隙空間避免崩塌、滑坡事故的發(fā)生,可作為防汛抗洪工作的重要物資。
文檔編號C08K5/36GK1332199SQ0113094
公開日2002年1月23日 申請日期2001年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月28日
發(fā)明者羅萌 申請人:羅萌