一种莫来石纤维增强地质聚合物复合材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术涉及纤维增强地质聚合物复合材料技术领域，特别是涉及一种莫来石纤维增强磷酸激发地质聚合物复合材料及其制备方法与应用。本发明专利技术提供的酸激发地质聚合物复合材料含有莫来石纤维增强相结构。本发明专利技术通过选择莫来石纤维均匀掺入到地质聚合物材料中，所形成的增强相能够显著提高酸激发地质聚合物材料的力学性能，并降低其高温收缩率。研究表明，添加10％莫来石纤维的地质聚合物，其7天抗压强度可以达到26.1MPa(均值)，7天抗弯强度达到10.4(MPa)；添加20％纤维的地质聚合物样品在1350度处理1小时后线收缩低至3.13％。同时，本发明专利技术原料组分少，成本较低，工艺简单，有望在结构材料，建筑材料，耐火材料、固废固核材料、抗菌过滤材料等领域得到应用。滤材料等领域得到应用。

【技术实现步骤摘要】
一种莫来石纤维增强地质聚合物复合材料及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及纤维增强地质聚合物复合材料
，特别是涉及一种莫来石纤维增强磷酸激发地质聚合物复合材料及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]地质聚合物材料通常分为碱激发地质聚合物材料和酸激发地质聚合物材料。
[0003]相比于酸激发地质聚合物材料，碱激发地质聚合物材料的固化速度更快，可大大缩短施工时间，因而目前工业使用多以碱激发地质聚合物材料为主。然而，由于碱激发剂引入碱金属元素，在高温条件下形成玻璃相，导致碱激发地质聚合物材料的耐温性能整体较差，其使用环境温度不宜超过800℃，因而无法应用于对温度要求较高的应用场景中。
[0004]相比于碱激发地质聚合物材料，酸激发地质聚合物材料具有较好的耐高温性。CN101560071A公开了一种磷酸激发地质聚合物材料，其可耐1300℃的高温，可用于陶瓷过滤元件的制备。然而该复合材料为多孔结构，其抗压强度在2
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15MPa之间，其强度较低，限制了其更多的应用场景。

技术实现思路

[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种纤维增强地质聚合物复合材料。该复合材料属于酸激发地质聚合物材料，具有较高的耐高温性，同时又兼具优异的力学性能；相比现有磷酸基地质聚合物材料，其在具有较高耐温性能的同时，还具有更高的抗弯强度，从而克服了现有磷酸激发地质聚合物材料存在的脆性大、易产生裂纹的问题，扩大了磷酸激发地质聚合物材料的应用场景。此外，本专利技术所述的地质聚合物复合材料还具有组分更少、成本更低、制备工艺更简单的优点。
[0006]第一方面，本专利技术提供的酸激发地质聚合物复合材料含有莫来石纤维增强相结构。
[0007]本专利技术研究发现，通过在现有酸激发地质聚合物材料中引入纤维增强相可显著提高复合材料的力学性能，包括抗压强度和抗弯强度；但现有纤维种类非常庞大，如天然纤维如麻、棉、椰子纤维、动物毛发、玄武岩纤维，或者合成纤维如尼龙纤维，钢纤维，氧化铝纤维，玻璃纤维等；在本专利技术研究探索中发现，天然植物纤维对基体的增强作用有限，且部分天然纤维对地质聚合物的固化产生负面影响，强度较低；玻璃纤维、钢纤维和玄武岩纤维虽然起到了较好的增强作用，但是耐受温度也不能超过1500℃；而熔点超过2000℃的纯氧化铝纤维和碳化硅纤维虽耐热性能优异，但成本过高，也不利于较大规模使用，且其熔点远远大于地质聚合物的熔点，高温性能冗余。通过大量筛选后，本专利技术最终确定以莫来石纤维作为增强相纤维，其熔点约为1850℃，在1600℃仍能保持强度，并且成本相对较低，成为较为优化的选择。
[0008]地质聚合物的固化过程类似于高分子材料的聚合过程，最终形成类似沸石的三维
网格多孔结构，其主要成分与莫来石纤维类似，同为Al2O3和SiO2。由于组分类似，纤维与基体表面有良好的亲和力，加强结合力，提高力学性能。在高温处理过程中，由于纤维的收缩率低于基体，会对基体的收缩施加阻碍，从而降低了整体的收缩率。
[0009]进一步地，所述莫来石纤维优选直径3
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5μm、长度＜2mm，氧化铝重量百分比为70
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80％的莫来石纤维。研究表明，相比其他规格莫来石纤维，满足此规格条件的莫来石纤维在磷酸基地质聚合物材料体系中分散性和亲和性较好，进而更有利于提高复合材料的力学性能和耐温性能。
[0010]进一步地，所述酸激发地质聚合物复合材料是通过含有莫来石纤维、偏高岭土的地质聚合物浆料制备得到的。本专利技术发现，在浆料配制过程中，短切纤维在地质聚合物中分散比较困难，缺陷较多，制得的复合材料的力学性能有所下降。为此，本专利技术提出通过控制二者比例关系克服此问题。研究表明，通过控制所述莫来石纤维与偏高岭土的质量比为(5
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20)：100，所得复合材料具有更高的纤维分散性，进而提高复合材料的力学性能；试验证实，纤维添加量为10％的地质聚合物具有更高的强度，而纤维添加量为20％的地质聚合物具有更高的更低的热收缩。
[0011]所述偏高岭土是通过高岭土原矿粉体经过600
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900℃空气中煅烧2小时得到的粉体。优选地，所述高岭土为目数200目以上、比表面积为300
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500m2/Kg的高岭土原矿粉体。进一步优选地，煅烧温度为850℃。本专利技术研究发现，此目数及比表面积范围内的高岭土具有更好的流动性，经煅烧后得到的偏高岭土表现出更高的反应活性，可进一步提高复合材料的强度。
[0012]进一步地，所述地质聚合物浆料还含有酸激发剂；所述酸激发剂可为磷酸、盐酸、硫酸等。考虑实验室条件下的操作性，本专利技术优选磷酸。
[0013]本专利技术进一步研究发现，酸激发地质聚合物复合材料的力学性能与耐温性能还与磷酸激发剂的用量有关；H3PO4相对比例过低时，无法保证聚合的充分进行，但H3PO4比例过高又会降低复合材料的强度；为此，本专利技术提出控制体系中Al2O3与H3PO4的摩尔比为1：(1～1.3)，通过调整Al与P的比例关系可起到调控地质聚合物链状结构强度的作用，进而实现调控地质聚合物的强度和耐高温性能的目的。
[0014]作为本专利技术的具体实施方式之一，所述酸激发地质聚合物复合材料由含有如下质量比例的原料制得；
[0015]所述原料包括固相和液相；
[0016]优选地，所述固相与液相的质量比为1:1；
[0017]所述固相中，按质量计，莫来石纤维5
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20份，高岭土100份；
[0018]所述液相中，按质量计，质量分数为85％的磷酸45
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54份，水55
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46份。
[0019]本专利技术研究表明，通过上述原料以特定比例制得的酸激发地质聚合物复合材料复合材料养护7天的抗压强度均值在19.8
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26.1MPa之间，7天的抗弯强度均值在7.86
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10.4MPa之间，经1350℃焙烧1h后其线收缩率低至3.13％至5.34％。具体实施时可通过调整莫来石纤维、高岭土及酸激发剂的用量关系，以获得不同的抗压强度、抗弯强度及线收缩率，从而满足不同应用需求。
[0020]第二方面，本专利技术还提供上述酸激发地质聚合物复合材料的制备方法，包括：将含有莫来石纤维、偏高岭土、酸激发剂的地质聚合物浆料倒入模具中养护；脱模。
[0021]研究表明，通过对含有上述组分的浆料的养护，脱模，可获得兼具较高力学性能和耐温性能的酸激发地质聚合物复合材料。
[0022]进一步地，所述地质聚合物浆料是由液相与固相混合而得；所述固相可通过下述方法获得：将含有莫来石纤维、高岭土的浆料经抽滤、干燥、球磨，再于高温空气中煅烧形成。
[0023]优选地，在浆料搅拌过程中，应尽可能沿同一方向搅拌，以使团簇状的莫来石纤维分散且方向尽可能一致，更有利于提高复合材料的力学性能和耐高温性能。
[0024]优选地，在所述浆料的调配中，先向水中加入莫来石纤维，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种酸激发地质聚合物复合材料，其特征在于，含有莫来石纤维增强相结构。2.根据权利要求1所述的酸激发地质聚合物复合材料，其特征在于，所述莫来石纤维为直径3
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5μm、长度＜2mm，氧化铝重量百分比为70
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80％的莫来石纤维。3.根据权利要求2所述的酸激发地质聚合物复合材料，其特征在于，所述酸激发地质聚合物复合材料是通过含有莫来石纤维、偏高岭土的地质聚合物浆料制备得到的；所述莫来石纤维与偏高岭土的质量比为(5
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20)：100。4.根据权利要求3所述的酸激发地质聚合物复合材料，其特征在于，所述偏高岭土是通过高岭土原矿粉体经过600
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900℃空气中煅烧2小时得到的粉体；所述高岭土为目数200目以上、比表面积为300
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500m2/Kg的高岭土原矿粉体。5.根据权利要求3或4所述的酸激发地质聚合物复合材料，其特征在于，所述地质聚合物浆料还含有酸激发剂；所述酸激发剂为磷酸、盐酸或硫酸中的一种或多种；优选地，所述酸激发剂为磷酸，Al2O3与H3PO4的摩尔比为1：(1～1.3)。6.根据权利要求5所述的酸激发地质聚合物复合材料，其特征在于，所述酸激发地质聚合物复合材料由含有如下质量比例的原料制得；所述原料包括固相和液相；所述固相与液相的质量比为1:1；所述固相中，按质量计，莫来石纤维5
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【专利技术属性】
技术研发人员：乐恢榕，韦庆昕，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：