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利用新型纳米材料填充泡沫混凝土
发布日期:2018-7-24 10:07:33 点击数:122新闻来源:

    碳纳米管的直径最大可达到100nm,长度最大可达到20#m。而它要填充到泡沫材料中必须形成聚团,直径可达30$m,长度可达10mm。研究发现碳纳米管填充到波特兰泡沫混凝土材料中形成的免蒸压混凝土能够使材料的保温性能和力学性能得到明显的提高,掺量在0.05%时便能够使材料的热导率下降12% ̄20%,抗压强度上升70%。

    南洋大学和谢菲尔德大学的研究人员[9]采用陶瓷微珠填充波特兰泡沫水泥浆形成了性能更加优良的发泡材料,尤其是提高了发泡材料的抗水性。
    陶瓷微珠的主要成分是硅石和氧化铝,后者使得陶瓷微珠具有1600 ̄1800℃的高熔点和低热膨胀系数(8×10-6℃-1),因此陶瓷微珠不可燃并且具有很好的耐火性能,这对于微珠应用于高温领域提供了有利的条件。陶瓷微珠的堆积密度只有400kg/m3,改善了泡沫浆体的轻质特性。由于微珠内部局部真空的存在,对热量的转移形成了一个天然屏障,所以在泡沫材料的保温隔热方面发挥了积极的作用。陶瓷微珠的高表面硬度(6莫氏硬度)使得它能够承受剧烈的搅拌作用。微珠表面无吸附特性和大量颗粒在材料内部的分布使得它在降低泡沫水泥干缩率方面发挥了巨大的作用。
    聚合物泡沫在很多领域都有着广泛的应用,但它存在着机械强度低、稳定性差的缺陷,其生产过程常常需要高压和低温的操作环境,这就要求对生产过程的控制极为严格。同时,滑石、硬脂酸盐、碳酸钙常被用作造核剂。而随着对纳米颗粒材料研究的逐渐深入,纳米颗粒也进入了造核剂的行列。相对传统的造核剂,纳米颗粒在控制泡沫结构和力学性能方面有着独特的优势。由于其颗粒尺寸小,低填充量便能形成大量成泡核心,同时它的纳米尺度、高纵横比、比表面积大都使得其在加强泡沫基体性能方面取得了令人满意的效果。
    美国俄州的科学家[10]对利用纳米碳纤维形成聚苯乙烯泡沫的晶核进行了研究。他们制得了相同大小、均匀分布的微孔泡沫,相对纳米黏土和单壁碳纳米管,纳米碳纤维在成泡过程中有着更高的成核效率。均匀的纤维分布、良好的表面性能以及优良的几何特性都使得纳米碳纤维成为了完美的造核剂。
    研究者首先利用聚合反应生成聚苯乙烯复合物,然后对复合物进行吹气鼓泡操作,而此过程采用超临界CO2作为发气剂。超临界CO2具有低成本、无毒、不易燃、环境友好等特性。研究发现利用纳米碳纤维能够极大的增加微孔泡沫的数量并且减小尺寸,与单壁碳纳米管和纳米黏土相比,纳米碳纤维在聚合体成泡过程中表现出了出色的成核效应,这是因为它在聚合体中有着良好的分散性、润湿性和表面弯曲性。利用经典的成核理论解释,单壁碳纳米管的团聚体由于其表面半径比较大对成核过程产生了积极的影响,同时导致颗粒分散性较差影响了成核密度;对于纳米黏土,由于黏土层的不完全分离和层表面与聚合体的交互作用,导致了更加恶化的成核效果。
    在建筑领域绝大多数的泡沫材料选择的都是有机泡沫,有机泡沫高昂的成本和合成过程有害气体的释放都不能完全满足人们的要求,同时泡沫较差的耐久力也限制了它们的应用范围。墨西哥的科研人员[11]为了克服有机泡沫的上述弊端,发明了无机泡沫材料的生产方法,材料更具环保和人类友好的特性。
    传统泡沫混凝土材料多选用铝粉或其他金属粉末与游离的氢氧化钙在波特兰水泥浆中反应制得,但金属粉末属于爆炸材料并不具备人类友好的特性,同时生产过程也需要高能耗和高压条件。研究人员利用CaSO4?1/2H2O和NaHCO3粉末及H2O制得了无机泡沫水泥材料。反应方程式如下:
CaSO4?1/2H2O+NaHCO3+nH2O→CaSO4?2H2O+NaSO4+CO2(g)
    反应制得了微孔泡沫石膏浆体,少量的NaSO4作为沉淀物。众所周知CaSO4?1/2H2O是人类友好性材料,陶瓷性产品的重要组成部分。材料中CO2的生成,不仅实现了微孔结构,促进了晶体网格的膨胀,同时降低了普通石膏材料的导热系数。此无机泡沫材料的生产过程属低能耗并具环境友好性,对未来泡沫水泥材料的生产具有积极的推动作用。
4技术展望
    综上所述,开发环保、节能、价格低廉、性能更加优良的泡沫混凝土材料建议从以下几个方面开展工作:
    (1)选择新型填充料,使泡沫混凝土材料的应用多功能化,如吸波、吸声、调湿等。如文献[4]中发泡聚苯乙烯的利用,不仅提高了材料的机械性能,同时在吸波性能方面也取得了良好的效果。
    (2)拓宽轻集料的选择范围,利用下水道淤泥灰进行泡沫混凝土材料的制备取得了良好的效果,鉴于此我国大量建筑固体废弃物的循环再利用也势必成为一个重要的研究方向。
    (3)利用新型纳米材料填充泡沫混凝土,改善材料的综合性能。如利用碳纳米管、纳米陶瓷、纳米碳纤维等。
    (4)消除有机泡沫对人体的毒害,研究新型的无机泡沫水泥材料,同时开发出无毒副产品的生产工艺流程,以满足绿色工艺的要求。
 
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