專(zhuān)利名稱(chēng)：聚合物/黏土納米復(fù)合材料及制備方法和納米gfrp復(fù)合材料的制作方法
聚合物/黏土納米復(fù)合材料及制備方法和納米GFRP復(fù)合材料[技術(shù)領(lǐng)域]
本發(fā)明涉及高分子工程復(fù)合材料，尤其涉及一種聚合物/黏土納米復(fù)合材料及制備方法和納米GFRP復(fù)合材料。[背景技術(shù)]
鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是當(dāng)今世界應(yīng)用最為普遍的一種結(jié)構(gòu)形式。由于受到外部環(huán)境以及自然或人為災(zāi)害的影響，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)往往在設(shè)計(jì)壽命到達(dá)之前就因鋼筋腐蝕及混凝土破壞而出現(xiàn)不同程度的機(jī)能退化，從而不能再繼續(xù)安全使用。針對(duì)上述問(wèn)題，人們一方面需要采取措施來(lái)改善鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性以節(jié)省修補(bǔ)開(kāi)支，另一方面需要對(duì)破壞不是非常嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)進(jìn)行修補(bǔ)或增強(qiáng)以避免資源浪費(fèi)。從上世紀(jì)80年代末開(kāi)始，具有輕質(zhì)高強(qiáng)、易加工、易施工、耐腐蝕等特點(diǎn)的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Fiber Reinforced Polymer, FRP) 越來(lái)越多的被用于1)替換混凝土結(jié)構(gòu)中部分或全部的鋼筋以改善結(jié)構(gòu)的耐久性；2)修補(bǔ)或增強(qiáng)受破壞的混凝土結(jié)構(gòu)以使其可以繼續(xù)使用。
FRP由聚合物基體和纖維增強(qiáng)材料復(fù)合而成。根據(jù)所用纖維種類(lèi)的不同，用于混凝土結(jié)構(gòu)的FRP主要有碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Carbon FRP, CFRP)、芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 (Aramid FRP，AFRP)和玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Glass FRP，GFRP)。在上述FRP當(dāng)中，GFRP 的力學(xué)和耐久性能最為優(yōu)異，AFRP次之，GFRP可以用作混凝土路面的銷(xiāo)釘、腐蝕環(huán)境及電磁環(huán)境中混凝土結(jié)構(gòu)的受拉筋、墻體的加固筋等。但是，GFRP仍有一些性能缺陷限制其在混凝土結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用，這主要表現(xiàn)在GFRP的抗?jié)B透性能、熱力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性能相對(duì)較差，導(dǎo)致其在混凝土結(jié)構(gòu)中的耐久性能表現(xiàn)不是十分理想。有鑒于此，在過(guò)去幾十年間， 世界各地的眾多專(zhuān)家學(xué)者對(duì)GFRP以及GFRP增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)在不同環(huán)境下的性能劣化規(guī)律及劣化機(jī)理進(jìn)行了研究，并取得了不少實(shí)質(zhì)性成果?，F(xiàn)有研究成果雖然對(duì)GFRP在混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用起到一定的推動(dòng)作用，卻不能從根本上解決GFRP及GFRP增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能差的問(wèn)題。改善GFRP的耐久性能，是一個(gè)關(guān)系到GFRP能否在混凝土結(jié)構(gòu)中廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，并被公認(rèn)為GFRP應(yīng)用推廣的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。但針對(duì)GFRP本身固有耐久性能缺陷進(jìn)行改善的相關(guān)研究卻較少研究者涉及。
一般來(lái)說(shuō)，聚合物基體材料除了幫助FRP成形及在纖維間傳遞荷載外，還對(duì)包裹在其中的纖維絲具有保護(hù)作用。研究顯示，F(xiàn)RP的耐久性能、熱力學(xué)性能和阻燃性能很大程度上取決于基體材料的抗?jié)B透性能、熱力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性能。因此，提高基體材料的抗?jié)B性能、熱穩(wěn)定性能及耐久性能，不但可以保持基體材料自身長(zhǎng)期不失效，而且可以長(zhǎng)期保護(hù)纖維及纖維-基體界面不受外界環(huán)境因素的影響。
由此可見(jiàn),要改善GFRP的耐久性能,合理改善聚合物基體材料的性能將是一條相對(duì)簡(jiǎn)單而有效的途徑。
通過(guò)一定的物理、化學(xué)手段，把具有層狀結(jié)構(gòu)的納米級(jí)黏土顆粒均勻、穩(wěn)定地分散到普通聚合物基體中并使基體材料分子插入各黏土片層之間的間隙中，可以得到一種全新的聚合物/黏土納米復(fù)合材料(Polymer/Clay Nanocomposite)。已有的研究表明，聚合物/ 黏土納米復(fù)合材料往往顯示出比普通聚合物更加優(yōu)越的抗拉性能、抗彎性能、抗壓性能、斷裂韌性、熱力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性、抗水/氣/離子滲透性、阻燃性以及抗磨性等等。因此，可以預(yù)期，以聚合物/黏土納米復(fù)合材料作為基體與玻璃纖維復(fù)合得到的納米聚合物基GFRP (GFRP with nanocomposite matrix,納米GFRP)將極大可能具有比普通GFRP更加優(yōu)異的耐久性能、熱穩(wěn)定性能及阻燃性能。
與目前使用的GFRP比較，納米GFRP由于擁有較佳的耐久性能、熱穩(wěn)定性能及阻燃性能，其在混凝土結(jié)構(gòu)乃至整個(gè)土木工程中的應(yīng)用前景更加光明。由于其優(yōu)異的耐久性能及不俗的力學(xué)性能，采用納米GFRP制備的筋材將比鋼筋具有更大的競(jìng)爭(zhēng)力，可以作為鋼筋的部分或者全部替代產(chǎn)品；板材或片材可用于修補(bǔ)和加強(qiáng)受損的混凝土結(jié)構(gòu)，同時(shí)亦可作為腐蝕環(huán)境(如冬天噴灑除冰鹽等)的橋面板和安全護(hù)欄使用；制成錨桿可以用于邊坡支護(hù)或其他的巖土加固工程等。納米GFRP能有效延長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命，大幅減少混凝土結(jié)構(gòu)的維護(hù)費(fèi)用，促進(jìn)建筑產(chǎn)業(yè)的綠色環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展。
I) 土木工程領(lǐng)域中僅僅面向普通GFRP進(jìn)行了研究。對(duì)GFRP以及GFRP增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能、破壞模式、破壞機(jī)理以及不同環(huán)境下的劣化機(jī)理進(jìn)行了研究，并取得了很多實(shí)質(zhì)性成果?，F(xiàn)有研究成果雖然對(duì)GFRP在混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用起到一定的推動(dòng)作用， 卻不能從根本上解決GFRP及GFRP增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)及耐久性能差的問(wèn)題。
2)現(xiàn)有的納米GFRP研究仍集中在化學(xué)材料領(lǐng)域，仍未發(fā)現(xiàn)將其應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用研究。
3 )Nano-FRP的研究成果主要集中于力學(xué)性能方面，而關(guān)于其耐久性能方面的研究仍十分缺乏。由于混凝土結(jié)構(gòu)及其使用環(huán)境的復(fù)雜性，Nano-FRP(尤其是納米GFRP)所面臨的耐久性問(wèn)題更甚于力學(xué)方面的問(wèn)題。因此，對(duì)Nano-FRP在不同劣化環(huán)境下的劣化規(guī)律、 劣化機(jī)理及耐久性能改善機(jī)理進(jìn)行研究就顯得尤為迫切。[發(fā)明內(nèi)容]
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種能夠提高納米GFRP復(fù)合材料耐久性能及力學(xué)性能的聚合物/黏土納米復(fù)合材料及制備方法。
本發(fā)明另一個(gè)要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種具有優(yōu)異耐久性能及力學(xué)性能的納米GFRP復(fù)合材料。
為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，一種聚合物/黏土納米復(fù)合材料，按重量百分比，由以下組分組成
有機(jī)蒙脫土乙稀基釀樹(shù)脂苯乙烯促進(jìn)劑固化劑1-4%; 72-76% ； 20-23%；0.8-1.2%；1.8-2. 2%ο
以上所述的聚合物/黏土納米復(fù)合材料，有機(jī)蒙脫土的平均粒徑小于O. 2毫米，所述的乙烯基酯樹(shù)脂為雙酚A型乙烯基酯樹(shù)脂，所述的促進(jìn)劑為異辛酸鈷，所述的固化劑為過(guò)氧化甲乙酮。

以上所述的聚合物/黏土納米復(fù)合材料，按重量百分比，由以下組分組成有機(jī)蒙脫土乙稀基醋樹(shù)脂苯乙烯促進(jìn)劑固化劑1.5-2. 5%; 73-75% ； 22-22.5%； O, 8-1.2%;1.8-2. 2%ο

攪拌;
一種權(quán)利要求I所述的聚合物/黏土納米復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟401)對(duì)有機(jī)蒙脫土進(jìn)行干燥，消除其中的水分；402)將有機(jī)蒙脫土加入到苯乙烯中，初步混合均勻；403)將步驟402制備好的有機(jī)蒙脫土/苯乙烯混合液加入到乙烯基酯樹(shù)脂中剪切404)利用超聲波震蕩，進(jìn)一步分散材料中的有機(jī)蒙脫土；405)抽取材料中的氣泡；406)加入促進(jìn)劑，攪拌均勻后再加入固化劑，攪拌至完全混合后進(jìn)行固化。以上所述聚合物/黏土納米復(fù)合材料的制備方法，在步驟401中，將有機(jī)蒙脫土置于干燥設(shè)備中，在70° C以上的環(huán)境中，干燥12小時(shí)以上；在步驟402中，首先將有機(jī)蒙脫土浸泡在苯乙烯溶液中攪拌，使有機(jī)蒙脫土和苯乙烯混合液均勻接觸，室溫下放置在超聲波清洗設(shè)備中震蕩半小時(shí)以上，實(shí)現(xiàn)蒙脫土在苯乙烯溶液中的初步均勻分布。
以上所述聚合物/黏土納米復(fù)合材料的制備方法，在步驟403中，將步驟402 制備好的蒙脫土 /苯乙烯混合液加入到乙烯基酯樹(shù)脂中攪拌均勻后，用剪切攪拌設(shè)備在 3000-4000r/min的速度下剪切攪拌不少于I. 5小時(shí)，降低蒙脫土的團(tuán)聚現(xiàn)象
以上所述聚合物/黏土納米復(fù)合材料的制備方法，在步驟404中，把經(jīng)過(guò)步驟403 剪切機(jī)攪拌后的復(fù)合材料放入超聲波清洗設(shè)備中，在常溫下震蕩20分鐘以上。
以上所述聚合物/黏土納米復(fù)合材料的制備方法，在步驟405中，將步驟404獲得的混合液放入真空機(jī)中抽取氣泡，持續(xù)時(shí)間10分鐘以上。
以上所述聚合物/黏土納米復(fù)合材料的制備方法，在步驟406中，將步驟405獲得的混合液按比例加入促進(jìn)劑，攪拌均勻后再加入固化劑；緩慢攪拌至完全混合后，置于 90-110° C的干燥箱內(nèi)高溫固化10-20分鐘，然后在室溫下固化。
一種納米GFRP復(fù)合材料的技術(shù)方案是，按體積率，上述聚合物/黏土納米復(fù)合材料占25-50%，玻璃纖維占50-75%。
本發(fā)明面向混凝土結(jié)構(gòu)，將納米復(fù)合技術(shù)引入到工程復(fù)合材料的改性研究，對(duì)普通GFRP的聚合物基體進(jìn)行有針對(duì)性的耐久性能改善。本發(fā)明制備出穩(wěn)定的插層或剝離型聚合物/黏土納米復(fù)合材料作為納米GFRP的聚合物基體。通過(guò)一定的剪切攪拌、超聲振蕩等物理、化學(xué)手段，把具有層狀結(jié)構(gòu)的納米級(jí)黏土顆粒均勻、穩(wěn)定地分散到普通聚合物基體中并使基體材料分子插入各黏土片層之間的間隙中，可以得到一種全新的聚合物/黏土納米復(fù)合材料。聚合物/黏土納米復(fù)合材料往往顯示出比普通聚合物更加優(yōu)越的力學(xué)性能。 以聚合物/黏土納米復(fù)合材料作為基體與玻璃纖維復(fù)合得到的納米GFRP比普通GFRP更優(yōu)異耐久性能及力學(xué)性能。[具體實(shí)施方式
]
本發(fā)明聚合物/黏土納米復(fù)合材料以下實(shí)施例所用原料
I.有機(jī)蒙脫土 型號(hào)I. 30P，北京怡蔚特化科技發(fā)展有限公司，I. 30P有機(jī)蒙脫土化學(xué)分子式為(Na, Ca) X (Al, Mg) 2 (Si4010) (OH) 2 · nH20 ；
2.乙烯基酯樹(shù)脂雙酚A型乙烯基酯樹(shù)脂，牌號(hào)V411，產(chǎn)自濟(jì)南易盛樹(shù)脂有限公司；
3.促進(jìn)劑為異辛酸鈷，牌號(hào)5號(hào)，產(chǎn)自濟(jì)南易盛樹(shù)脂有限公司；
4.固化劑為過(guò)氧化甲乙酮，牌號(hào)5號(hào)，產(chǎn)自濟(jì)南易盛樹(shù)脂有限公司；
5.苯乙烯，上海凌峰化學(xué)試劑有限公司，化學(xué)純。
6. I. 30P有機(jī)蒙脫土性能指標(biāo)
權(quán)利要求
1.一種聚合物/黏土納米復(fù)合材料，其特征在于，按重量百分比，由以下組分組成 有機(jī)蒙脫土1-4%;乙烯基酯樹(shù)脂72-76% ； 苯乙烯20-23%; 促進(jìn)劑0.8-1.2%;固化劑1.8-2. 2%。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的聚合物/黏土納米復(fù)合材料，其特征在于，有機(jī)蒙脫土的平均粒徑小于O. 2毫米，所述的乙烯基酯樹(shù)脂為雙酚A型乙烯基酯樹(shù)脂，所述的促進(jìn)劑為異辛酸鈷，所述的固化劑為過(guò)氧化甲乙酮。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的聚合物/黏土納米復(fù)合材料，其特征在于，按重量百分比，由以下組分組成有機(jī)蒙脫土1.5-2. 5%;乙烯基酯樹(shù)脂73-75% ； 苯乙烯22-22.5%； 促進(jìn)劑0.8-1.2%;固化劑1.8-2. 2%。
4.一種權(quán)利要求I所述的聚合物/黏土納米復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟 401)對(duì)有機(jī)蒙脫土進(jìn)行干燥，消除其中的水分； a)將有機(jī)蒙脫土加入到苯乙烯中，初步混合均勻； b)將步驟402制備好的有機(jī)蒙脫土/苯乙烯混合液加入到乙烯基酯樹(shù)脂中剪切攪拌； c)利用超聲波震蕩，進(jìn)一步分散材料中的有機(jī)蒙脫土； d)抽取材料中的氣泡； e)加入促進(jìn)劑，攪拌均勻后再加入固化劑，攪拌至完全混合后進(jìn)行固化。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述聚合物/黏土納米復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，在步驟401中，將有機(jī)蒙脫土置于干燥設(shè)備中，在70° C以上的環(huán)境中，干燥12小時(shí)以上；在步驟402中，首先將有機(jī)蒙脫土浸泡在苯乙烯溶液中攪拌，使有機(jī)蒙脫土和苯乙烯混合液均勻接觸，室溫下放置在超聲波清洗設(shè)備中震蕩半小時(shí)以上，實(shí)現(xiàn)蒙脫土在苯乙烯溶液中的初步均勻分布。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述聚合物/黏土納米復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，在步驟403中，將步驟402制備好的蒙脫土 /苯乙烯混合液加入到乙烯基酯樹(shù)脂中攪拌均勻后，用剪切攪拌設(shè)備在3000-4000r/min的速度下剪切攪拌不少于I. 5小時(shí)，降低蒙脫土的團(tuán)聚現(xiàn)象。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述聚合物/黏土納米復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，在步驟404中，把經(jīng)過(guò)步驟403剪切機(jī)攪拌后的復(fù)合材料放入超聲波清洗設(shè)備中，在常溫下震蕩20分鐘以上。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述聚合物/黏土納米復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，在步驟405中，將步驟404獲得的混合液放入真空機(jī)中抽取氣泡，持續(xù)時(shí)間10分鐘以上。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述聚合物/黏土納米復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，在步驟406中，將步驟405獲得的混合液按比例加入促進(jìn)劑，攪拌均勻后再加入固化劑；緩慢攪拌至完全混合后，置于90-110° C的干燥箱內(nèi)高溫固化10-20分鐘，然后在室溫下固化。
10.一種納米GFRP復(fù)合材料，其特征在于，按體積率，權(quán)利要求I所述的聚合物/黏土納米復(fù)合材料占25-50%，玻璃纖維占50-75%。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種聚合物/黏土納米復(fù)合材料及制備方法和納米GFRP復(fù)合材料。聚合物/黏土納米復(fù)合材料按重量百分比，由以下組分組成有機(jī)蒙脫土1-4%；乙烯基酯樹(shù)脂72-76%; 苯乙烯20-23%;促進(jìn)劑0.8-1.2%; 固化劑1.8-2.2%。GFRP復(fù)合材料按體積率，上述聚合物/黏土納米復(fù)合材料占25-50%，玻璃纖維占50-75%。本發(fā)明面向混凝土結(jié)構(gòu)，通過(guò)剪切攪拌、超聲振蕩等手段，把具有層狀結(jié)構(gòu)的納米級(jí)黏土顆粒均勻、穩(wěn)定地分散到普通聚合物基體中并使基體材料分子插入各黏土片層之間的間隙中，得到一種全新的聚合物/黏土納米復(fù)合材料。以此聚合物/黏土納米復(fù)合材料作為基體與玻璃纖維復(fù)合得到的納米GFRP比普通GFRP更優(yōu)異耐久性能及力學(xué)性能。
文檔編號(hào)C08F2/44GK102924666SQ201210388940
公開(kāi)日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2012年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月15日
發(fā)明者李偉文, 邢鋒, 吳佳昕, 朱宏剛, 牛雪莉 申請(qǐng)人:深圳大學(xué)