一种抗裂水泥砂浆增强短切玻璃纤维的处理工艺方法
阅读说明：本技术 一种抗裂水泥砂浆增强短切玻璃纤维的处理工艺方法 (Treatment process method of anti-crack cement mortar reinforced chopped glass fibers ) 是由 范秀娟 张杨 张道盘 范兴伟 于 2021-09-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种抗裂水泥砂浆增强短切玻璃纤维的处理工艺方法,本发明属于无机材料技术领域,本发明并未采用硅烷偶联剂,通过本发明的工艺方法处理后,玻璃纤维与水泥的接触状态发生改变,可以制成强度较高、韧性较好、抗裂性较好的水泥复合材料。使纤维与聚合物基体能产生良好的粘结,玻璃纤维能有效的提高素水泥的抗裂能力,与素水泥砂浆和未经处理的玻纤增强水泥相比,抗折强度、抗压强度得到明显提高,可以广泛的应用于土木建筑、农牧渔业等领域,成本较低,操作简便,拥有着非常好的市场实用前景。(The invention discloses a processing method of crack-resistant cement mortar reinforced chopped glass fibers, which belongs to the technical field of inorganic materials, does not adopt a silane coupling agent, and can be used for preparing a cement composite material with higher strength, better toughness and better crack resistance by changing the contact state of the glass fibers and cement after being processed by the processing method. The fiber and the polymer matrix can generate good bonding, the glass fiber can effectively improve the crack resistance of the plain cement, compared with the plain cement mortar and untreated glass fiber reinforced cement, the breaking strength and the compressive strength are obviously improved, the fiber and the polymer matrix can be widely applied to the fields of civil construction, agriculture, animal husbandry, fishery and the like, the cost is lower, the operation is simple and convenient, and the fiber and the polymer matrix have good market practical prospect.)
技术领域
本发明属于无机材料技术领域，具体涉及一种抗裂水泥砂浆增强短切玻璃纤维的处理工艺方法。
背景技术
短切玻璃纤维是玻璃纤维制品中一大类，以往主要用作增强材料如增强热固性塑料和增强热塑性塑料，随着应用领域不断扩大，数量不断增加。短切玻璃纤维均由连续玻璃纤维经短切机加工而成，短切玻璃纤维可以作增强塑料、沥青等多种基材，制品在汽车、建筑、航空、日常用品等领域应用广泛。为解决短切玻璃纤维的分散性较差，制品的机械性能不高，外观性能降低的问题，短切玻璃纤维的几何尺寸与传统的短切原丝相同，。短切玻璃纤维是一种具有超分散性的短切原丝，因此，特别适用于对分散性有特殊要求的FRP制品，并且可以直接用于注射成形FRP制品。混凝土已在越来越多的领域得到应用，但高脆性是其根本性缺陷。中国专利CN110818340A公开了通过对抗裂水泥混合料组分的调整，使制得的水泥混合料具有良好的抗裂性能的抗裂水泥混合料，为了解决脆性问题，人们在混凝土中掺入不同的短切纤维，如钢纤维、聚丙烯纤维、玻璃纤维等。中国专利CN107382157A公开的柔性聚合物复合防渗抗裂水泥砂浆使用了聚丙烯纤维，短切纤维在混凝土中是随机分布的，主要作用是在开裂后提高混凝土的韧性。与其他纤维相比较，玻璃纤维与水泥基材料均属无机非金属材料，性能比较接近，易于混合均匀，玻璃纤维混凝土具有轻质、高强、成本低等应用优势。近年来，我国每年有近30亿立方米的混凝土用于基础设施建设和国家重点工程建设。但混凝土自重大、体积不稳定、抗拉强度低、抗渗性和韧性差等缺点也限制了它的快速发展。普通混凝土随着抗压强度的增大，脆性也明显增大，在受荷载作用时往往出现无征兆的崩碎性破坏，极大地影响了混凝土在实际工程中的应用。本领域技术人员亟待开发出一种抗裂水泥砂浆增强短切玻璃纤维的处理工艺方法以满足现有的应用市场和性能需求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种抗裂水泥砂浆增强短切玻璃纤维的处理工艺方法。
一种抗裂水泥砂浆增强短切玻璃纤维的处理工艺方法，包括以下步骤：第一步、将短切玻璃纤维浸入0.15~0.2mol/L的氢氧化钠溶液中，在20℃下刻蚀0.1~0.2h，取出后用纯水洗涤至中性，再放入80℃烘箱干燥2~4h，冷却后备用；有机硅酸钠有成膜作用：成膜剂的作用是在搅拌、使用过程中，保护纤维润湿、浸透，而有机硅酸钠在适宜量的情况下有一定的早强性，有显著的缓凝性；
第二步、然后把烘干后的短切玻璃纤维与其质量比例为0.5%的促进剂放到高速混合机内，促进剂为氟硅酸钠或氯化钙，在2000~2500r/min搅拌5~10min过滤；短切玻璃纤维与促进剂混合均匀采用高速混合机混合机进行。湿混则采用高速混合机进行，湿混介质采用水溶液还可进一步磨细物料，使之混合更为均匀。
氟硅酸钠是生产过磷酸钙或铝厂生产氟化盐的副产品，用于耐酸水泥作凝固硬化剂。分子式为Na2SiF6，而氟硅酸钠的水溶液呈现酸性，氟硅酸钠的水解产物含有氢氟酸：Na2SiF6+4H2O→2NaF+HF+Si(OH)4，当氟硅酸钠、氯化钙接触到到水溶性有机硅酸钠溶液时，氟硅酸钠的水解产物氢氟酸不断与氧化钠结合，促使氟硅酸钠的水解反应不断进行。
第三步：取有机硅酸钠，用重量1.2~1.5倍的水稀释，倒入混合釜中，搅拌,称取润滑剂，用润滑剂重量10~12倍的70~80℃热水将其溶解，溶解后，加入润滑剂重量7~8倍冷水，当溶液温度降至30~45℃，倒入混合釜，继续搅拌,称取乳化剂，用重量乳化剂15~16倍的水将其溶解，溶解后，倒入混合釜，继续搅拌,准确称取活性剂，用8~10倍的水将其稀释后，倒入混合釜,加入余量水，继续搅拌5~10分钟，得浸润液待用；第四步、第二步得到的短切玻璃纤维经热处理50~60秒后，按照工艺浸渍工艺浸渍后烘焙10~12min，冷却至25~30℃后，即得。
有机硅酸钠主要作用是能建立和促进无机物与聚合物之间的界面粘结，它能将玻璃纤维表面由亲水性变成疏水性附着聚合物，从而改善其耐水性能，以及玻璃纤维的浸润性和粘结性。锆化合物锆的化合性强，不存在金属离子状态，能与电负性强的元素化合。因此，锆容易与胺和乙二醇等物质化合，锆还可以与水泥中的钙结合形成不溶性物，具有憎水效果。
所述第三步的活性剂为乳酸钠锆、双（柠檬酸二乙酰）二丙氧基锆螯合物，所述乳化剂为双辛基二甲基溴化铵、半乳甘露聚糖羟丙基季铵盐、溴化二甲基苄基十二烷基铵中的其中一种，所述润滑剂为三聚氰胺氰尿酸盐、月桂醇硫酸镁、聚乙二醇单硬脂酸脂中的其中一种。
润滑剂能够有效地润滑保护纤维，减少玻璃纤维在加工过程中的磨损。乳化剂：作用是玻纤在搅拌混合过程摩擦产生的静电，因乳化剂的加入而减弱或消除。
进一步的，所述第四步浸渍工艺为车速4~6米/分的热处理温度200~220℃，浴比1∶6的25~30℃浸渍25~30min，烘焙温度140~150℃。
烘熔温度的选择，烘熔温度是使处理剂与玻璃纤维表面发生改性作用的关键因素之一，温度过低达不到应有的改性效果，温度过高又会引起处理剂编制、内聚等不良后果。烘焙时间应选择在烘焙温度下处理剂与玻璃纤维表面的偶改性反应充分进行。在保证制品性能的情况下，为提高生产效率应该采用合适的烘焙制度。
所述第三步有机硅酸钠为甲基硅酸钠、乙基硅酸钠、苯基硅酸钠中的其中一种，浸润剂原料组份重量百分比：有机硅酸钠3.0~4.5%、活性剂0.2~0.5%、润滑剂0.3~0.5%、乳化剂0.05~0.1%，余量为水。
玻璃纤维表面吸水，生成羟基：
[CH3Si(OH)3]与玻短切璃纤维表面的羟基生成氢键，与玻璃纤维的氢键缔合黏结：
[CH3Si(OH)3]与短切玻璃纤维理想的化学键缔合黏结：
本发明的有益效果：
本发明通过采用浸润液对玻璃纤维进行表面处理，提高水泥与玻璃纤维的界面粘结力和界面憎水性能，浸润液生成防水胶状物，并经脱水聚合在玻璃纤维的表面，形成一层致密的膜层，也延缓了水泥对玻璃纤维的侵蚀。其中有机硅酸钠有成膜作用：成膜剂的作用是在搅拌、使用过程中，保护纤维润湿、浸透，而有机硅酸钠在适宜量的情况下有一定的早强性，有显著的缓凝性；润滑剂能够有效地润滑保护纤维，减少玻璃纤维在加工过程中的磨损。乳化剂：作用是玻纤在搅拌混合过程摩擦产生的静电，因乳化剂的加入而减弱或消除。有机硅酸钠主要作用是能建立和促进无机物与聚合物之间的界面粘结，它能将玻璃纤维表面由亲水性变成疏水性附着聚合物，从而改善其耐水性能，以及玻璃纤维的浸润性和粘结性。锆化合物锆的化合性强，不存在金属离子状态，能与电负性强的元素化合。因此，锆容易与胺和乙二醇等物质化合，锆还可以与水泥中的钙结合形成不溶性物，具有憎水效果，并且改善界面的结构，使其处于一个相对稳定的环境条件下，延长玻璃纤维增强水泥复合材料自身的耐久性，减少应力集中的现象，使得界面区域内的缺陷得到修复，受力分布更加均勺。使得界面处的缝隙更小。此外，具有活性的掺合剂本身也可以使材料的结构细化，进而填充较大的空隙，使得界面更加平整致密。
本发明相比现有技术具有如下优点：
以往通过将弹性模量较大的抗碱玻璃纤维材料，均匀地分布在水泥砂浆中，来增强基材物理力学性能，玻璃纤维混凝土是一种轻质、高强、不燃类的新型建筑材料，它具有较高的抗拉强度和抗弯强度，韧性较大，耐冲击性能良好，在水泥中掺入本发明处理工艺方法的玻璃纤维可以明显提高混凝土的抗拉强度和抗裂性能；但由于玻璃纤维易被水泥在水化过程中生成的强碱物质所侵蚀，而导致性能恶化，因而它的应用也就受到了限制。以往，国内外对玻璃纤维混凝土的应对方法是研制耐碱玻璃纤维，并用它与硅酸盐水泥复合使用，耐碱玻璃纤维价格成本高昂，而采用硅烷偶联剂处理，干法偶联剂利用率较高，但不易均匀分布到每一个无机填料的表面上，湿法均匀性好，偶联剂浪费大、成本高，例如添加硅烷偶联剂的极可能产生降低稳定性的负面影响，其原因是硅烷的反应基团与树脂的置换基团发生化学反应，或硅烷的烷氧基发生反应。在一般的硅烷偶联剂中，一个分子有三个烷氧基基团，如果全部反应，稳定性就有下降的趋势。本发明并未采用硅烷偶联剂，通过处理后，玻璃纤维与水泥的接触状态发生改变，纤维在搅拌和成型过程中不易于折断，增强效果增强，由于玻璃纤维的混合增强效果，可以制成强度较高、韧性较好、抗裂性较好的水泥复合材料。
具体实施方式
实施例1
第一步、将短切玻璃纤维浸入0.2mol/L的氢氧化钠溶液中，在20℃下刻蚀0.2h，取出后用纯水洗涤至中性，再放入80℃烘箱干燥4h，冷却后备用；第二步、然后把烘干后的短切玻璃纤维其质量比例为0.5%的氟硅酸钠促进剂溶液放到高速混合机内，在2500r/min搅拌10min过滤；第三步：有机硅酸钠为甲基硅酸钠，浸润液原料组份重量百分比：有机硅酸钠3.0%、活性剂0.2%、润滑剂0.3%、乳化剂0.05%，余量为水，活性剂为双（柠檬酸二乙酰）二丙氧基锆螯合物南京曙光SG-Zr805，所述乳化剂为双辛基二甲基溴化铵，所述润滑剂为月桂醇硫酸镁，取有机硅酸钠，用重量1.2倍的水稀释，倒入混合釜中，搅拌,称取润滑剂，用润滑剂重量10倍的80℃热水将其溶解，溶解后，加入润滑剂重量7倍冷水，当溶液温度降至30℃，倒入混合釜，继续搅拌,称取乳化剂，用重量乳化剂16倍的水将其溶解，溶解后，倒入混合釜，继续搅拌,准确称取活性剂，用10倍的水将其稀释后，倒入混合釜,加入余量水，继续搅拌10分钟，得浸润液待用；第四步、第二步得到的短切玻璃纤维经热处理60秒后，浸渍工艺为车速6米/分的热处理温度520，浴比1∶6的30℃浸渍30min，烘焙温度150℃，按照工艺浸渍工艺浸渍后烘焙112min，冷却至230℃后，即得。合肥润仝科技有限公司减水剂ART-MPC、五河县维佳复合材料有限公司的短切玻璃纤维WJ101-3纤维公称直径10μm，短切长度3.0mm，其中62%Si02、7%Zr02、0.1%TiO2、5.6CaO、0.8Al203、2.0%K20、14%Na2O。
短切玻璃纤维配合比2.5%：
实施例2
第一步、将短切玻璃纤维浸入0.15mol/L的氢氧化钠溶液中，在20℃下刻蚀0.1h，取出后用纯水洗涤至中性，再放入80℃烘箱干燥2h，冷却后备用；第二步、然后把烘干后的短切玻璃纤维与其质量比例为0.5%的促进剂放到高速混合机内，促进剂为氯化钙，在2000r/min搅拌5min过滤；第三步：第三步有机硅酸钠为乙基硅酸钠，浸润液原料组份重量百分比：有机硅酸钠3.0%、活性剂0.2%、润滑剂0.3%、乳化剂0.05%，余量为水，活性剂为乳酸钠锆航星HX9013-Zr-803，所述乳化剂为半乳甘露聚糖羟丙基季铵盐GUARC3600，所述润滑剂为聚乙二醇单硬脂酸脂，取有机硅酸钠，用重量1.2倍的水稀释，倒入混合釜中，搅拌,称取润滑剂，用润滑剂重量10倍的70℃热水将其溶解，溶解后，加入润滑剂重量7倍冷水，当溶液温度降至30℃，倒入混合釜，继续搅拌,称取乳化剂，用重量乳化剂15倍的水将其溶解，溶解后，倒入混合釜，继续搅拌,准确称取活性剂，用8倍的水将其稀释后，倒入混合釜,加入余量水，继续搅拌5分钟，得浸润液待用；第四步、第二步得到的短切玻璃纤维经热处理50秒后，浸渍工艺为车速4米/分的热处理温度200℃，浴比1∶6的25℃浸渍25min，烘焙温度140℃，按照工艺浸渍工艺浸渍后烘焙10min，冷却至25℃后，即得。合肥润仝科技有限公司减水剂ART-MPC、五河县维佳复合材料有限公司的短切玻璃纤维WJ101-3，纤维公称直径10μm，短切长度3.0mm。
短切玻璃纤维配合比2.5%：
对照组实施例1未经处理的短切玻璃纤维
短切玻璃纤维配合比2.5%：
注：参考GB/T29756-2013干混砂浆物理性能试验方法；通过改变灰砂比来改变强度等级，灰砂比分别为1：1.5，1：2、1：3.1：4、1：5.1：7。测定砂浆稠度，砂浆的28d抗压、抗折强度。其中基准砂浆配合比及其性能：
其中成型试模：三联模40mm×40mm×160mm，其中广东龙建建筑水泥P·042.5产品：
其中砂为符合GB/T14684-2001中Ⅱ类要求的白果砂湖北元昌矿产机制砂产品：
综上，可以看出本发明公开的抗裂水泥砂浆增强短切玻璃纤维的处理工艺方法，玻璃纤维能有效的提高素水泥的抗裂能力，与素水泥砂浆和未经处理的玻纤增强水泥相比，抗折强度、抗压强度得到明显提高，广泛的应用于土木建筑、农牧渔业等领域，成本较低，操作简便，拥有着非常好的市场实用前景。
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