環(huán)氧樹脂和鋁粉對發(fā)泡水泥的性能影響

李麗英，高延敏，季燕青，王 丹

(江蘇科技科技大學材料科學與工程學院，江蘇鎮(zhèn)江212003)

建筑節(jié)能材料在我國應用廣泛，其中有機保溫隔熱材料質(zhì)量比較輕，而且導熱系數(shù)小、吸水率低，發(fā)展速度十分迅速，有資料顯示，有機保溫材料在建筑保溫市場占有率達到了90%左右［1］.無機保溫材料中球形閉孔珍珠巖的外形比較規(guī)則，孔隙封閉，具有強度高、吸水率低、砂漿流動性能優(yōu)良、生產(chǎn)無環(huán)境污染等優(yōu)點［2］;俄羅斯和立陶宛的科學家［3］利用碳納米管填充波特蘭泡沫水泥材料，研究發(fā)現(xiàn)此方法在增強泡沫材料的機械性能方面取得了良好的效果;美國俄州的科學家［4－7］對利用納米碳纖維形成聚苯乙烯泡沫的晶核進行了研究，結(jié)果表明，有機保溫材料的保溫性好，但防火安全性能不足.

環(huán)氧樹脂發(fā)泡材料具有優(yōu)異的力學性能，還具有耐熱、耐水以及耐化學腐蝕、緩沖性能好的優(yōu)點［8］，是可以加入到水泥中的重要有機物質(zhì)［9］.但是，目前有關(guān)環(huán)氧樹脂與水泥優(yōu)化數(shù)量還缺少實驗依據(jù)，同時，鋁粉發(fā)泡劑對水泥/環(huán)氧作用情況還不是很清楚.文中針對這些基本問題展開了研究，研究結(jié)果對保溫材料的開發(fā)和設計具有重要的理論和實踐意義.

1 實驗

1.1 實驗藥品

實驗中所用藥品詳見表1.

表1 實驗藥品Table 1 Experimental drugs

1.2 實驗儀器

實驗所用儀器詳見表2.

表2 實驗儀器Table 2 Experimental apparatus

1.3 實驗工藝流程

具體實驗步驟如下:

1)在燒杯A中，加入環(huán)氧樹脂E－44 5 g、表面活性劑1 g、玻璃纖維0.5 g，攪拌均勻;

2)在燒杯B中，加入水泥40 g、填充料5 g、早強劑0.2 g，攪拌均勻;

3)將燒杯A中的漿體和B中的漿體混合，加入發(fā)泡劑3 g、固化劑1 g，攪拌均勻，放入烘箱中發(fā)泡、固化、成型6 h，成型溫度為70℃.

1.4 產(chǎn)品性能測試

1)產(chǎn)品微觀形貌

利用掃描電鏡(SEM)來觀察水泥水化的微觀形貌.

2)泡孔結(jié)構(gòu)及分布

利用超景深三維顯微鏡觀察水泥發(fā)泡材料的泡孔結(jié)構(gòu)及分布情況.

3)抗壓強度

按照國標GB/T5486－2008在萬能材料試驗機上對材料進行抗壓強度測試.

4)容重

水泥容重是水泥在自然狀態(tài)下(包含孔隙)，單位體積的質(zhì)量，常用單位為kg/m3，本實驗主要是通過測量容重來比較水泥發(fā)泡材料發(fā)泡前后的變化.

5)吸水率

表征材料吸水性能的物理量.測試方法如下:

①首先測量干燥材料的質(zhì)量m1;

②然后將材料浸入水中，吸水飽和后，測量材料的濕重m2.

6)導熱系數(shù)

采用平板導熱儀對材料試樣進行導熱系數(shù)測定，該平板導熱儀由中國科學院寧波材料所提供.

7)防火性能測試

按照國際標準GB/T8626－88對材料試樣進行防火性能測試.

2 結(jié)果與討論

2.1 產(chǎn)品綜合性能

經(jīng)分析測試，本實驗產(chǎn)品綜合性能如表3.

表3 發(fā)泡水泥產(chǎn)品性能指標Table 3 Performance for the product

2.2 環(huán)氧樹脂與水泥比例對產(chǎn)品性能的影響

環(huán)氧樹脂是一種重要熱固性樹脂，因其具有固化后收縮率和吸水率低、黏結(jié)強度和力學強度高的優(yōu)點直接作為復合材料使用，環(huán)氧樹脂基復合發(fā)泡材料是以環(huán)氧樹脂以及固化劑為主體，在固化放熱的過程中，向體系中添加空心填料或是發(fā)泡劑而形成的復合發(fā)泡材料［10］.

水泥基復合發(fā)泡材料是指以水泥為主體，采用物理或化學的方式在混合料漿體系中產(chǎn)生大量氣泡，從而形成的一種輕質(zhì)多孔的材料.水泥基復合發(fā)泡材料因具有保溫、隔熱、輕質(zhì)、隔音、防潮［11］的特點而成為近年來的研究熱點之一.

本研究的設計思路是以水泥+環(huán)氧樹脂共同為母體材料，以彌補水泥發(fā)泡材料穩(wěn)泡性差的缺陷.環(huán)氧樹脂為高強的高分子材料，具有一定流動性，尤其是可以擴散到水泥的界面，改善水泥的強度，但是有關(guān)環(huán)氧樹脂在水泥中的加入量存在分歧，有人認為加多好，有人認為少量好.實驗中環(huán)氧樹脂與水泥比例如表4.

表4 環(huán)水比實驗配比Table 4 Ratio of epoxy resin and cement experiments

圖1 環(huán)水比對水泥基復合發(fā)泡材料抗壓強度的影響Fig.1 Effect of the ratio of epoxy resin and cement on the compressive strength of cement-based composite foam

圖2 環(huán)水比對水泥基復合發(fā)泡材料容重的影響Fig.2 Effect of the ratio of epoxy resin and cement on the density of cement-based composite foam

從圖1，2看出，當環(huán)水比在1∶5～1∶8的范圍內(nèi)時，水泥基復合發(fā)泡材料的容重隨著環(huán)水比的降低而降低，而抗壓強度卻逐漸升高，呈現(xiàn)質(zhì)輕高強的趨勢，故環(huán)氧樹脂和水泥漿體的最佳比例為1∶8.

2.3 Al粉摻量對水泥基復合發(fā)泡材料性能的影響

發(fā)泡劑也是影響水泥發(fā)泡材料的重要因素之一.常見的發(fā)泡劑有物理發(fā)泡劑和化學發(fā)泡劑，由于物理發(fā)泡劑產(chǎn)生的氣泡不均勻且不穩(wěn)定，逐漸被化學發(fā)泡劑取代.但化學發(fā)泡劑產(chǎn)生氣體的速度很快，難以控制，因此發(fā)泡劑的選擇是制約發(fā)泡水泥材料的瓶頸問題.研究發(fā)泡劑的復配技術(shù)，尋找理想的發(fā)泡劑也是制備發(fā)泡材料的一個重要研究方向［12］.文中制備的發(fā)泡水泥材料使用的發(fā)泡劑為Al粉，并對Al粉的摻量做了如下研究(表5).

表5 Al粉摻量實驗配比Table 5 Al powder dosage for experimental ratio

圖3 不同Al粉摻量水泥基復合發(fā)泡材料超景深圖片F(xiàn)ig.3 Super depth images of Al powder dosage on theproperties of cement-based composite foam

從圖3中看出，當Al粉摻量為2%時，如圖3a)所示，材料體內(nèi)有少量氣泡產(chǎn)生，氣孔分布極不均勻，雖有少部分閉口氣孔，但多數(shù)氣孔相互貫通形成連通的大尺寸的開口氣孔;當Al粉摻量增加到4%時，材料體內(nèi)的氣孔數(shù)量增多，氣孔尺寸減小，分布趨向均勻，但大部分氣孔為開口氣孔，如圖3b);當Al粉摻量為6%時，材料體內(nèi)氣孔數(shù)量繼續(xù)增多，氣孔尺寸小且分布均勻，如圖3c)，環(huán)氧樹脂在發(fā)泡材料的孔壁處形成密實的膜結(jié)構(gòu)，形成了閉口氣孔;當Al粉摻量繼續(xù)增加到8% ～10%時，如圖3d)，3e)，由于材料體內(nèi)產(chǎn)生的氣體較多，大部分氣體逸出材料體而在表面形成開口氣孔.材料的宏觀物理性能由其微觀結(jié)構(gòu)決定，因此材料體內(nèi)氣孔的大小、形態(tài)和分布決定了材料宏觀性能的優(yōu)劣，根據(jù)以上分析，材料體內(nèi)部氣孔尺寸較小、分布均勻且為閉口氣孔的狀態(tài)出現(xiàn)在Al粉摻量為6%時.

從圖4～6中可看出，當Al粉摻量為2% ～4%時，復合發(fā)泡材料3d，7d，28d的抗壓強度均隨著其摻量的增加而增加，材料的容重有下降的趨勢，而吸水率逐漸上升;當Al粉摻量為4% ～6%時，復合發(fā)泡材料3d，7d，28d的抗壓強度均隨著其摻量的增加而繼續(xù)增加，材料容重繼續(xù)下降，吸水率逐漸下降;而當Al粉摻量大于6%時，復合發(fā)泡材料3d，7d，28d的抗壓強度均隨著其摻量的增加而下降，材料容重逐漸增加，吸水率也逐漸增加.由以上微觀和宏觀性能分析知，復合發(fā)泡材料試件在Al粉摻量為6%時能達到質(zhì)輕高強且吸水率較低的要求，所以本實驗確定Al粉最佳摻量為6%.

圖4 Al粉摻量對水泥基復合發(fā)泡材料抗壓強度的影響Fig.4 Effect of Al powder dosage on the compressive strength of cement-based composite foam

圖5 Al粉摻量對水泥基復合發(fā)泡材料容重的影響Fig.5 Effect of Al powder dosage on the density ofcement-based composite foam

圖6 Al粉摻量對水泥基復合發(fā)泡材料吸水率的影響Fig.6 Effect of Al powder dosage on the water absorption of cement-based composite foam

3 結(jié)論

1)復合發(fā)泡水泥的綜合性能為:抗壓強度4.822 MPa，容重212.6 kg/m3，吸水率13%，導熱系數(shù)0.068 W/m·k，屬于A級不燃材料;

2)環(huán)氧樹脂和水泥的比例影響復合水泥體系的水化硬化過程，當二者比例為1∶8時，水泥強度較高，容重低;

3)實驗中選用的是Al粉發(fā)泡劑，且確定Al粉的最佳摻量為6%.

References)

［1］ 許志中，李鐵東.有機建筑保溫材料發(fā)展前景的思考［J］.新型建筑材料，2011(7):27.Xu Zhizhong，Li Tiedong.The reflections on the development prospects of organic building insulation materials［J］.New Building Materials，2011(7):27.(in Chinese)

［2］ 王偉.屋面保溫材料的應用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.商品與質(zhì)量:理論研究，2012(7):304.Wang Wei.Application status and development trend of roof insulation materials［J］.The Merchandise and Quality:a Theoretical Study，2012(7):304.(in Chinese)

［3］ Bahrami M，Ranjbarian S.Production of micro-and nano-composite particles by supercritical carbon dioxide［J］.The Journal of Supercritical Fluids，2007，40(2):263－283.

［4］ Rubio-Avalos J C，Manzano-Ramirez A，Yanez-Limon J M，et al.Development and characterization of an inorganic foam obtained by using sodium bicarbonate as a gas generator［J］.Construction and Building Materials，2005，19(7):543－549.

［5］ Li Q J，Li G Z，Jiang C C.Study on the properties of physical and chemical foaming concrete［J］.Advanced Materials Research，2012，549:741 －744.

［6］ Naghizadeh Z，F(xiàn)aezipour M，Ebrahimi G，et al.Manufacture of lignocellulosic fiber:cement boards containing foaming agent［J］.Construction and Building Materials，2012，35:408 －413.

［7］ Edidin A A，Wenz R，Meyer J.Self-foaming cement for void filling and/or delivery systems:U.S.Patent 8，118，926［P］.2012 －2 －21.

［8］ 楊金堯，于杰，王醴均，等.成型溫度對環(huán)氧樹脂基發(fā)泡材料發(fā)泡行為的影響［J］.塑料，2012，41(5):40－43.Yang Jinyao，Yu Jie，Wang Lijun.The effects of molding temperature on the foaming behavior of epoxy resin based foam material［J］.Plastics，2012，41(5):40－43.(in Chinese)

［9］ 范秀茹.淺談發(fā)泡水泥在地板輻射采暖中的應用［J］.黑龍江科技信息，2011(9):239.Fan Xiuru.Discussion on the application of foam cement in floor radiation heating［J］.Heilongjiang Science and Technology Information，2011(9):239.(in Chinese)

［10］ Stefani P M，Barchi A T，Sabugal J，et al.Characterization of epoxy foams［J］.Journal of Applied Polymer Science，2003，90(11):2992 －2996.

［11］ 王武祥，張磊蕾，王愛軍，等.水泥基發(fā)泡混凝土的生產(chǎn)與應用［J］.墻材革新與建筑節(jié)能，2012(4):33－38.Wang Wuxiang，Zhang Leilei，Wang Aijun，et al.Production and application of cement foam concrete［J］.Wall Material Innovation＆Energy Saving in Buildings，2012(4):33 －38.(in Chinese)

［12］ Li G Z，Li X L.Study on the performance of new foamed cement insulation material［J］.Advanced Materials Research，2013，648:112 －115.