一种包含磺化纤维的微纳米材料提高混凝土强度和韧性的方法技术

本发明专利技术涉及一种包含磺化纤维的微纳米材料提高混凝土强度和韧性的方法，所述磺化纤维是用含有三氧化硫的二氯乙烷溶液在低温和短时间条件下浸泡植物纤维原料，然后将浸泡了植物纤维的溶液滤出，过滤得到的植物纤维进行静置，静置后得到的湿品或将湿品干燥后的产品即为表面磺化植物纤维。本发明专利技术提供的磺化纤维及植物纤维表面快速磺化工艺破解了植物纤维在混凝土中分散性差、使用效果不理想的问题，所述磺化纤维具有减水剂效果，掺入可改善混凝土和易性，具有增强增韧效果且早强效果尤为显著。通过加入无机微纳米晶须，可以进一步增强混泥土的强度和韧性，解决植物纤维增强效果有限的问题。本方法应用成本低，效果好，具有很好推广应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种包含磺化纤维的微纳米材料提高混凝土强度和韧性的方法
本专利技术涉及磺化纤维及其生产工艺及磺化纤维-无机微纳米纤维水泥基复合材料的制备方法，属于建筑材料领域。
技术介绍
材料是人类社会发展进步的基本生产资料，涉及人类生产建设和日常生活的方方面面。材料产业每年具有数百亿吨产能及数万亿产值，是最大的产业板块。然而，随着近年来环境问题的日益严峻、资源遭到过度利用，利用绿色环保的原材料开发出环境友好的、强度和韧性更好的复合材料符合人类社会发展的重大需求。混凝土是全世界最大宗的人造建材。自从波特兰水泥专利技术以来，人们利用水泥水化过程产生的铰链型网状分子具有胶凝作用，配合骨料发展起混凝土材料，在不到二百年的时间里，混凝土材料和施工技术有了突飞猛进的发展。由于混凝土原料廉价，来源广泛，耐久性、阻燃性、强度性能良好使其在建筑材料领域获得了广泛应用。素混凝土存在的易收缩开裂、强度不高、韧性差等天然缺陷采用增厚和钢筋加强的解决方法增大了使用成本。因此，开发强度更高，韧性更好，更经久耐用和造价更低的混凝土是建材发展的大方向。人们一直利用水泥水化缩合反应产生的交链型无机网状高分子水硬性胶的凝粘结作用发展混凝土建筑材料，但如加水太少，混合料流动性与和易性差，施工困难，为满足施工要求不得不加入比反应需水量多出2倍左右的水，由此形成的微孔等结构缺陷导致强度和韧性损失严重。为改善混凝土性能常采用加减水剂、纤维和矿物料提升混凝土强度的方案，但效果有限。即使效果最好的聚羧酸系减水剂，减水率也只有30％，但使用成本高。掺入钢纤维、合成纤维或植物纤维也是提高混凝土抗裂抗折性的有效方法，但使用成本高或分散效果差是限制其应用的最大瓶颈。添加绿色环保和价格便宜的植物纤维是混凝土复合材料的发展方向，但面临两大技术难题：一是由于植物纤维分散性差且造成混凝土和易性下降；二是植物纤维对混凝土的增强效果由于分散不均匀很难保证。国外对于植物纤维增强混凝土的研究集中于东南亚和欧洲。报道的纤维增强材料有alfavegetalfiber、小麦秸秆、大麻秸秆、龙舌兰草、水稻纤维、椰子纤维等。研究发现随着纤维用量增加，混凝土抗压强度呈现下降趋势。矿物掺合料的掺入可一定程度改善混凝土微观结构缺陷，其产生的微集料效应可提升混凝土的强度和韧性，利用无机材料增强作用可弥补添加植物纤维的不足。
技术实现思路
植物纤维在水中的团聚作用是因为其纤维表面有大量带羟基的亲水的生物大分子，容易因氢键作用发生水合及团聚作用，显然只有使其表面产生或吸附带负电荷离子，才会借助静电排斥分散和乳化物料。按照这一思路，我们进行了用硝酸、硫酸氧化改性纤维使纤维表面产生羧基的改性试验，也进行了用植物纤维吸附减水剂再分散的试验，其分散性均无明显改善。植物纤维用量增加不但会造成混合物料分散性更差，水量增加，和易性及强度下降。本专利技术团队基于前期实验成果，针对混凝土增强和增韧性的要求，经过反复实验，开发出了磺化纤维(在下文中一般也称作“表面磺化植物纤维”)及植物纤维表面快速磺化改性的方法。使植物纤维的表面羟基或芳环磺化生成硫酸单酯或者磺酸基，过滤溶解后得到酸性表面磺化植物纤维湿品，或者将湿品干燥得到酸性表面磺化植物纤维干品，所述的酸性表面磺化植物纤维湿品和酸性表面磺化植物纤维干品均为本专利技术的表面磺化植物纤维产品。或者，将得到的酸性表面磺化植物纤维湿品或酸性表面磺化植物纤维干品用少量碱液，例如水泥原料进行中和，然后除去溶剂后形成的非酸性表面磺化植物纤维湿品，将非酸性表面磺化植物纤维湿品烘干，得到非酸性表面磺化植物纤维干品，所述的非酸性表面磺化植物纤维湿品和非酸性表面磺化植物纤维干品均为本专利技术的表面磺化植物纤维产品。实验结果表明，植物纤维表面由于形成了数目众多且紧密结合的磺酸盐，例如磺酸钙，植物纤维表面形成磺酸盐称之为生物基磺酸盐，生物基磺酸盐中的磺酸负离子的静电排斥作用足以推动纤维团的舒展并在混凝土物料中均匀分散，其中还有少部分溶于水中的可溶性生物基磺酸盐也同时发挥了减水剂和辅助增强剂的协同作用，从而很好解决了困扰混凝土行业多年的植物纤维难分散，混凝土强度难提高及使用成本高等问题。因而专利技术提供了改性的表面磺化植物纤维、植物纤维原料改性方法和含有改性的表面磺化植物纤维的混凝土材料及应用改性的表面磺化植物纤维对混凝土增强增韧的新方法。具体的，本专利技术提供了一种用于提高混凝土强度和韧性的表面磺化植物纤维素，磺化植物纤维素为低磺化度的磺化植物纤维素，所述磺化植物纤维素为纤维素磺酸酯或纤维素磺酸酯经过中和后得到的纤维素磺酸酯盐，所述磺化植物纤维素的磺化取代度DSs小于0.2。优选的，上述表面磺化植物纤维中，所述磺化植物纤维素的磺化取代度DSs为0.01-0.2，优选的，所述磺化植物纤维素为植物纤维通过磺化剂在短时间和低温条件下磺化得到的产物。优选的，上述表面磺化植物纤维中，所述磺化剂为三氧化硫或二氧化硫。更具体的，本专利技术提供了一种用于提高混凝土强度和韧性的表面磺化植物纤维素，其特征在于所述表面磺化植物纤维是用含有三氧化硫的二氯乙烷溶液在低温和短时间条件下浸泡植物纤维原料，然后将浸泡了植物纤维的溶液滤出，过滤得到的植物纤维进行静置，静置后得到的酸性表面磺化植物纤维湿品或将湿品干燥后得到酸性表面磺化植物纤维干品，所述酸性表面磺化植物纤维湿品或酸性表面磺化植物纤维干品即为表面磺化植物纤维的产品。上述表面磺化植物纤维中，表面磺化植物纤维作为产品来说，酸性表面磺化植物纤维湿品和酸性表面磺化植物纤维干品均为本专利技术的表面磺化植物纤维产品，只是因为纤维在水溶液中会使得水溶液呈现pH小于7的情况，所以定义为酸性。当在某一段文字，例如下面的实施例中，明确表面磺化植物纤维为确定干品或湿品的情况下，也可以直接称之为磺化纤维以指代前面的湿品或干品。优选的，上述表面磺化植物纤维中，所述为表面磺化植物纤维产品为非水溶性的，优选的，所述非水溶性是指在水中的溶解度小于等于10g/100ml，或者从表面磺化植物纤维产品本身来说，在表面磺化植物纤维产品中，能够溶解于水的重量占表面磺化植物纤维产品总重量的百分比小于等于10％。优选的，上述表面磺化植物纤维中，三氧化硫在二氯乙烷中的含量为1-5mol/L。优选的，上述表面磺化植物纤维中，SO3与植物纤维原料质量比为0.2～2.0。优选的，上述表面磺化植物纤维中，所述低温的温度范围为15-40℃，所述短时间为0.1-10分钟，优选的，低温的温度范围为20-30℃。优选的，上述表面磺化植物纤维中，所述静置的时间为1-60分钟，优选的，静置的时间为1-30分钟，尤其优选的，所述短时间为1-10分钟，静置的时间为5-30分钟。优选的，上述表面磺化植物纤维中，植物纤维原料为选自黄麻、剑麻、亚麻等麻类的纤维，或木材加工得到的木纤维，或木材加工剩余物的木纤维，或竹纤维，或本色浆，或回收废纸浆料中的一种或多种。优选的，所述植物纤维原料为本色浆或回收纸浆。优选的，上述表面磺化植物纤维中，将酸性表面磺化植物纤维湿品或干品加入碱本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于提高混凝土强度和韧性的表面磺化植物纤维素，磺化植物纤维素为低磺化度的磺化植物纤维素，所述磺化植物纤维素为纤维素磺酸酯或纤维素磺酸酯经过中和后得到的纤维素磺酸酯盐，所述磺化植物纤维素的磺化取代度DSs小于0.2，优选的，所述磺化植物纤维素的磺化取代度DSs为0.01-0.2，优选的，所述磺化植物纤维素为植物纤维通过磺化剂在短时间和低温条件下磺化得到的产物。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于提高混凝土强度和韧性的表面磺化植物纤维素，磺化植物纤维素为低磺化度的磺化植物纤维素，所述磺化植物纤维素为纤维素磺酸酯或纤维素磺酸酯经过中和后得到的纤维素磺酸酯盐，所述磺化植物纤维素的磺化取代度DSs小于0.2，优选的，所述磺化植物纤维素的磺化取代度DSs为0.01-0.2，优选的，所述磺化植物纤维素为植物纤维通过磺化剂在短时间和低温条件下磺化得到的产物。


2.一种用于提高混凝土强度和韧性的表面磺化植物纤维素，其特征在于所述表面磺化植物纤维是用含有三氧化硫的二氯乙烷溶液在低温和短时间条件下浸泡植物纤维原料，然后将浸泡了植物纤维的溶液滤出，过滤得到的植物纤维进行静置，静置后得到的酸性表面磺化植物纤维湿品或将湿品干燥后得到酸性表面磺化植物纤维干品，所述酸性表面磺化植物纤维湿品或酸性表面磺化植物纤维干品即为表面磺化植物纤维产品。


3.根据权利要求2所述的表面磺化植物纤维，其特征在于所述低温的温度范围为15-40℃，所述短时间为0.1-10分钟，优选的，所述短时间为1-10分钟，低温的温度范围为20-30℃。


4.根据权利要求2所述的表面磺化植物纤维，其特征在于所述静置的时间为1-60分钟，优选的，静置的时间为1-30分钟，尤其优选的，静置的时间为5-30分钟。


5.根据权利要求2所述的表面磺化植物纤维，其特征在于植物纤维原料为黄麻、剑麻、亚麻等麻类纤维，或木材加工得到的木纤维，或木材加工剩余物的木纤维，或竹纤维，或本色浆，或回收废纸浆料中的一种或多种，优选的，所述植物纤维原料为本色浆或回收纸浆。


6.根据权利要求2-5任一项所述的表面磺化植物纤维，其特征在于将酸性表面磺化植物纤维湿品或干品加入碱液后过滤，得到非酸性表面磺化植物纤维湿品，或将非酸性表面磺化植物纤维湿品进行干燥得到非酸性表面磺化植物纤维干品，所述非酸性表面...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹应武，王鹏越，谷传涛，赵升云，张传海，王玉林，黎恒杆，胡红梅，吐松，叶李艺，高玉兴，师雪琴，
申请(专利权)人：厦门大学，北京紫光英力化工技术有限公司，武夷学院，
类型：发明
国别省市：福建;35