由纳米氯化硼-聚酰亚胺纤维-间位芳纶纤维复合改性的地聚物材料及其制备方法

本发明申请涉及道路工程材料，具体涉及一种由纳米氯化硼-聚酰亚胺纤维-间位芳纶纤维复合改性的地聚物材料及其制备方法。

背景技术：

1、地聚物材料是由硅铝质的天然矿物或工业固体废弃物作为前驱物，以碱性物质作为激发剂制成的立体网状结构的无机聚合物地聚物材料，是一种对环境友好的建筑材料，其主要特点是原材料来源广泛，可以从工业固体废弃物中提取硅铝质原料。然而由于此类材料本身还有一些不可避免的缺点，譬如抗拉性能差、抗变形能力差、脆性大、韧性低、开裂后裂缝宽度较大等，在外界环境因素的作用下，裂缝会不断出现，最终导致地聚物体的承载能力不足，进而影响建筑结构的耐久性和使用寿命。因此，开发一种新型改性地聚物材料来解决强度、韧性等问题显得尤为关键。

2、公开于该背景技术部分的信息仅用于加深对本公开的背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成本领域技术人员所公知的现有技术。

技术实现思路

1、本申请提供一种由纳米氯化硼-聚酰亚胺纤维-间位芳纶纤维复合改性的地聚物材料及其制备方法，旨在解决现有地聚物材料的强度、韧性、耐久性等建筑性能不足的技术问题。

2、根据本公开的一个方面，提供一种复合改性地聚物材料，由以下重量份的原料制成：砂280～320份、矿粉70～90份、粉煤灰15～25份、纳米氯化硼0.13～0.17份、聚酰亚胺纤维0.7～0.9份、间位芳纶纤维0.3～0.5份、偶联剂0.05～0.11份、碱激发剂20份。

3、在本公开的一些实施例中，所述复合改性地聚物材料，由以下重量份的原料制成：标准砂300份、矿粉80份、粉煤灰20份、纳米氯化硼0.15份、聚酰亚胺纤维0.76份、间位芳纶纤维0.43份、偶联剂0.08份、碱激发剂20份。

4、在本公开的一些实施例中，所述矿粉为s95级矿渣粉。

5、在本公开的一些实施例中，所述粉煤灰为ⅰ级粉煤灰。

6、在本公开的一些实施例中，所述偶联剂为硅烷偶联剂（如kh550等）。

7、在本公开的一些实施例中，所述砂为河沙、标准砂、石英砂、海砂、混合砂中的至少一种。

8、在本公开的一些实施例中，所述碱激发剂为模数1.2～1.5的水玻璃溶液。

9、根据本公开的另一个方面，提供一种上述地聚物材料的制备方法，包括如下步骤：

10、（1）按照上述重量份数配置各原料；

11、将纳米氯化硼、偶联剂和水以0.8～1.2:0.12～0.16:0.49～0.53的质量比混合均匀浸泡1.5～2.5 h，过滤后在50～70℃下烘干，得到纳米氯化硼改性剂；

12、将聚酰亚胺纤维、偶联剂和水以0.8～1.2:0.09～0.13:0.32～0.36的质量比混合均匀浸泡3.5～4.5 h后在50～70℃下烘干，得到改性聚酰亚胺纤维；

13、将间位芳纶纤维、偶联剂和水以0.8～1.20:0.13～0.17:0.39～0.43的质量比混合均匀浸泡5.5～6.5 h后在50～70℃下烘干，得到改性间位芳纶纤维；

14、（2）将纳米氯化硼改性剂、改性聚酰亚胺纤维、改性间位芳纶纤维和砂干混1～5min，再加入矿粉、粉煤灰干混1～5min，最后加入水和碱激发剂搅拌1～5min成均匀浆体；

15、（3）将浆体注入涂好油的模具中，带模在标准条件下养护；

16、（4）20～30 h后脱模继续养护至规定龄期。

17、在本公开的一些实施例中，在所述步骤（4）中，脱模后将其放到标准养护条件下进行养护。

18、本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下任一技术效果：

19、1. 本申请提供的复合改性地聚物材料属于环保无毒无腐蚀类复合地聚物材料，其力学性能和耐久性能优良，其抗折强度、抗压强度、劈裂抗拉强度、抗干燥收缩性能和抗冻性能得到增强，进而增加了建筑材料使用寿命；其原料无毒无害，且来源广泛，生产过程无污染且价格低廉，具有良好的经济效益。

20、2. 本申请中复合改性地聚物材料，以硅烷偶联剂（如kh550等）对纳米氯化硼、聚酰亚胺纤维和间位芳纶纤维进行表面预处理，增强其在基体中的分散性，提高它们与基体之间的界面结合力，进而提升复合材料性能（增加力学性能，如强度、韧性、硬度等可以得到显著提升；提升热稳定性和耐候性，硅烷偶联剂可以在纳米氯化硼、聚酰亚胺纤维和间位芳纶纤维与基体之间形成稳定的界面层，阻止水分、氧气等有害物质的侵入，从而提高复合材料的热稳定性和耐候性）；经表面改性处理后的纳米氯化硼、聚酰亚胺纤维和间位芳纶纤维能与矿粉、粉煤灰等原料在地聚物材料内部形成稳定的网状联接结构，该种结构显著增强了地聚物材料的力学强度和耐久性，同时提高了集料之间的嵌锁力，从而大幅提升了地聚物材料的韧性。

21、3. 基于纳米氯化硼良好的高温化学惰性、高导热性、高强度和弹性等，其与砂、粉煤灰、水玻璃或其他基体材料复合，能够改善地聚物材料的强度、硬度、耐磨性和抗裂性；纳米氯化硼作为增强剂能显著提高地聚物材料的强度、硬度和韧性，从而增强建筑结构的整体稳定性和耐久性；纳米氯化硼的化学惰性和抗腐蚀性可能有助于延长地聚物材料的使用寿命，减少因环境因素（如湿度、酸碱度）引起的材料老化和损坏；在高温环境下，纳米氯化硼可能有助于保持地聚物材料的稳定性和结构完整性，从而适用于需要耐高温性能的特殊建筑场景（如高温工业厂房、核电站等）；聚酰亚胺纤维和间位芳纶纤维在性能上各有优势，二者配合使用可以综合提升地聚物材料的力学性能、耐热性、阻燃性等综合性能，聚酰亚胺纤维的高强度和耐高温性可以与间位芳纶纤维的阻燃性和耐化学性形成优势互补，从而满足更多复杂和苛刻的应用需求。

22、4. 本申请提供的复合改性地聚物材料的制备工艺为先将纳米氯化硼改性剂、改性聚酰亚胺纤维、改性间位芳纶纤维和砂干混均匀，再加入矿粉、粉煤灰干混均匀，最后加入水搅拌成均匀浆体，如此可以保证纳米氯化硼改性剂和纤维分散均匀，地聚物材料具有更好地力学性能和耐久性能，且制备工艺简单。

技术特征：

1.一种由纳米氯化硼-聚酰亚胺纤维-间位芳纶纤维复合改性的地聚物材料，其特征在于，由以下重量份的原料制成：

2.根据权利要求1所述的地聚物材料，其特征在于，由以下重量份的原料制成：

3.根据权利要求1所述的地聚物材料，其特征在于，所述砂为河沙、标准砂、石英砂、海砂、混合砂中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的地聚物材料，其特征在于，所述矿粉为s95级矿渣粉。

5.根据权利要求1所述的地聚物材料，其特征在于，所述粉煤灰为ⅰ级粉煤灰。

6.根据权利要求1所述的地聚物材料，其特征在于，所述偶联剂为硅烷偶联剂。

7.根据权利要求1所述的地聚物材料，其特征在于，所述碱激发剂为模数1.2～1.5的水玻璃溶液。

8.一种权利要求1所述地聚物材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤（4）中，脱模后将其放到标准养护条件下进行养护。

技术总结
本申请提供一种由纳米氯化硼‑聚酰亚胺纤维‑间位芳纶纤维复合改性的地聚物材料及其制备方法，旨在解决现有地聚物材料的强度、韧性、耐久性等难以满足需要的技术问题。该复合改性地聚物材料由以下重量份的原料制成：砂300份，矿粉70～90份，粉煤灰15～25份，纳米氯化硼0.13～0.17份，聚酰亚胺纤维0.7～0.9份，间位芳纶纤维0.3～0.5份，偶联剂0.05～0.11份，碱激发剂为20份。本申请提供的复合改性地聚物材料性能优良，可以提高地聚物材料的韧性、耐久性，对延长建筑材料使用寿命具有重大意义，其制备工艺简单、原料无毒无害且来源广泛，生产过程无污染且价格低廉，具有良好的经济、社会效益。

技术研发人员：郭滕滕,陈渊召,李振霞,房辰泽,陈海军,赵翀,孙保军,吴方旭,李高鹏,郭淑君,杨新胜,郭玉洁,尚岩,白冰,张博文,郝孟辉,刘津源,宋竞豪,赵旭,闫浩博
受保护的技术使用者：华北水利水电大学
技术研发日：
技术公布日：2025/1/2