专利名称：聚合物/黏土纳米复合材料及制备方法和纳米gfrp复合材料的制作方法
聚合物/黏土纳米复合材料及制备方法和纳米GFRP复合材料[技术领域]
本发明涉及高分子工程复合材料，尤其涉及一种聚合物/黏土纳米复合材料及制备方法和纳米GFRP复合材料。[背景技术]
钢筋混凝土结构是当今世界应用最为普遍的一种结构形式。由于受到外部环境以及自然或人为灾害的影响，钢筋混凝土结构往往在设计寿命到达之前就因钢筋腐蚀及混凝土破坏而出现不同程度的机能退化，从而不能再继续安全使用。针对上述问题，人们一方面需要采取措施来改善钢筋混凝土结构的耐久性以节省修补开支，另一方面需要对破坏不是非常严重的结构进行修补或增强以避免资源浪费。从上世纪80年代末开始，具有轻质高强、易加工、易施工、耐腐蚀等特点的纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer, FRP) 越来越多的被用于1)替换混凝土结构中部分或全部的钢筋以改善结构的耐久性；2)修补或增强受破坏的混凝土结构以使其可以继续使用。
FRP由聚合物基体和纤维增强材料复合而成。根据所用纤维种类的不同，用于混凝土结构的FRP主要有碳纤维增强复合材料(Carbon FRP, CFRP)、芳纶纤维增强复合材料 (Aramid FRP，AFRP)和玻璃纤维增强复合材料(Glass FRP，GFRP)。在上述FRP当中，GFRP 的力学和耐久性能最为优异，AFRP次之，GFRP可以用作混凝土路面的销钉、腐蚀环境及电磁环境中混凝土结构的受拉筋、墙体的加固筋等。但是，GFRP仍有一些性能缺陷限制其在混凝土结构的推广应用，这主要表现在GFRP的抗渗透性能、热力学性能和热稳定性能相对较差，导致其在混凝土结构中的耐久性能表现不是十分理想。有鉴于此，在过去几十年间， 世界各地的众多专家学者对GFRP以及GFRP增强混凝土结构在不同环境下的性能劣化规律及劣化机理进行了研究，并取得了不少实质性成果。现有研究成果虽然对GFRP在混凝土结构中的应用起到一定的推动作用，却不能从根本上解决GFRP及GFRP增强混凝土结构耐久性能差的问题。改善GFRP的耐久性能，是一个关系到GFRP能否在混凝土结构中广泛应用的关键技术问题，并被公认为GFRP应用推广的关键技术问题。但针对GFRP本身固有耐久性能缺陷进行改善的相关研究却较少研究者涉及。
一般来说，聚合物基体材料除了帮助FRP成形及在纤维间传递荷载外，还对包裹在其中的纤维丝具有保护作用。研究显示，FRP的耐久性能、热力学性能和阻燃性能很大程度上取决于基体材料的抗渗透性能、热力学性能和热稳定性能。因此，提高基体材料的抗渗性能、热稳定性能及耐久性能，不但可以保持基体材料自身长期不失效，而且可以长期保护纤维及纤维-基体界面不受外界环境因素的影响。
由此可见,要改善GFRP的耐久性能,合理改善聚合物基体材料的性能将是一条相对简单而有效的途径。
通过一定的物理、化学手段，把具有层状结构的纳米级黏土颗粒均匀、稳定地分散到普通聚合物基体中并使基体材料分子插入各黏土片层之间的间隙中，可以得到一种全新的聚合物/黏土纳米复合材料(Polymer/Clay Nanocomposite)。已有的研究表明，聚合物/ 黏土纳米复合材料往往显示出比普通聚合物更加优越的抗拉性能、抗弯性能、抗压性能、断裂韧性、热力学性能、热稳定性、抗水/气/离子渗透性、阻燃性以及抗磨性等等。因此，可以预期，以聚合物/黏土纳米复合材料作为基体与玻璃纤维复合得到的纳米聚合物基GFRP (GFRP with nanocomposite matrix,纳米GFRP)将极大可能具有比普通GFRP更加优异的耐久性能、热稳定性能及阻燃性能。
与目前使用的GFRP比较，纳米GFRP由于拥有较佳的耐久性能、热稳定性能及阻燃性能，其在混凝土结构乃至整个土木工程中的应用前景更加光明。由于其优异的耐久性能及不俗的力学性能，采用纳米GFRP制备的筋材将比钢筋具有更大的竞争力，可以作为钢筋的部分或者全部替代产品；板材或片材可用于修补和加强受损的混凝土结构，同时亦可作为腐蚀环境(如冬天喷洒除冰盐等)的桥面板和安全护栏使用；制成锚杆可以用于边坡支护或其他的岩土加固工程等。纳米GFRP能有效延长混凝土结构的使用寿命，大幅减少混凝土结构的维护费用，促进建筑产业的绿色环保与可持续发展。
I) 土木工程领域中仅仅面向普通GFRP进行了研究。对GFRP以及GFRP增强混凝土结构的力学性能、破坏模式、破坏机理以及不同环境下的劣化机理进行了研究，并取得了很多实质性成果。现有研究成果虽然对GFRP在混凝土结构中的应用起到一定的推动作用， 却不能从根本上解决GFRP及GFRP增强混凝土结构力学及耐久性能差的问题。
2)现有的纳米GFRP研究仍集中在化学材料领域，仍未发现将其应用于土木工程领域的应用研究。
3 )Nano-FRP的研究成果主要集中于力学性能方面，而关于其耐久性能方面的研究仍十分缺乏。由于混凝土结构及其使用环境的复杂性，Nano-FRP(尤其是纳米GFRP)所面临的耐久性问题更甚于力学方面的问题。因此，对Nano-FRP在不同劣化环境下的劣化规律、 劣化机理及耐久性能改善机理进行研究就显得尤为迫切。[发明内容]
本发明要解决的技术问题是提供一种能够提高纳米GFRP复合材料耐久性能及力学性能的聚合物/黏土纳米复合材料及制备方法。
本发明另一个要解决的技术问题是提供一种具有优异耐久性能及力学性能的纳米GFRP复合材料。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种聚合物/黏土纳米复合材料，按重量百分比，由以下组分组成
有机蒙脱土乙稀基酿树脂苯乙烯促进剂固化剂1-4%; 72-76% ； 20-23%；0.8-1.2%；1.8-2. 2%ο
以上所述的聚合物/黏土纳米复合材料，有机蒙脱土的平均粒径小于O. 2毫米，所述的乙烯基酯树脂为双酚A型乙烯基酯树脂，所述的促进剂为异辛酸钴，所述的固化剂为过氧化甲乙酮。
以上所述的聚合物/黏土纳米复合材料，按重量百分比，由以下组分组成有机蒙脱土乙稀基醋树脂苯乙烯促进剂固化剂1.5-2. 5%; 73-75% ； 22-22.5%； O, 8-1.2%;1.8-2. 2%ο
搅拌;
一种权利要求I所述的聚合物/黏土纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤401)对有机蒙脱土进行干燥，消除其中的水分；402)将有机蒙脱土加入到苯乙烯中，初步混合均匀；403)将步骤402制备好的有机蒙脱土/苯乙烯混合液加入到乙烯基酯树脂中剪切404)利用超声波震荡，进一步分散材料中的有机蒙脱土；405)抽取材料中的气泡；406)加入促进剂，搅拌均匀后再加入固化剂，搅拌至完全混合后进行固化。以上所述聚合物/黏土纳米复合材料的制备方法，在步骤401中，将有机蒙脱土置于干燥设备中，在70° C以上的环境中，干燥12小时以上；在步骤402中，首先将有机蒙脱土浸泡在苯乙烯溶液中搅拌，使有机蒙脱土和苯乙烯混合液均匀接触，室温下放置在超声波清洗设备中震荡半小时以上，实现蒙脱土在苯乙烯溶液中的初步均匀分布。
以上所述聚合物/黏土纳米复合材料的制备方法，在步骤403中，将步骤402 制备好的蒙脱土 /苯乙烯混合液加入到乙烯基酯树脂中搅拌均匀后，用剪切搅拌设备在 3000-4000r/min的速度下剪切搅拌不少于I. 5小时，降低蒙脱土的团聚现象
以上所述聚合物/黏土纳米复合材料的制备方法，在步骤404中，把经过步骤403 剪切机搅拌后的复合材料放入超声波清洗设备中，在常温下震荡20分钟以上。
以上所述聚合物/黏土纳米复合材料的制备方法，在步骤405中，将步骤404获得的混合液放入真空机中抽取气泡，持续时间10分钟以上。
以上所述聚合物/黏土纳米复合材料的制备方法，在步骤406中，将步骤405获得的混合液按比例加入促进剂，搅拌均匀后再加入固化剂；缓慢搅拌至完全混合后，置于 90-110° C的干燥箱内高温固化10-20分钟，然后在室温下固化。
一种纳米GFRP复合材料的技术方案是，按体积率，上述聚合物/黏土纳米复合材料占25-50%，玻璃纤维占50-75%。
本发明面向混凝土结构，将纳米复合技术引入到工程复合材料的改性研究，对普通GFRP的聚合物基体进行有针对性的耐久性能改善。本发明制备出稳定的插层或剥离型聚合物/黏土纳米复合材料作为纳米GFRP的聚合物基体。通过一定的剪切搅拌、超声振荡等物理、化学手段，把具有层状结构的纳米级黏土颗粒均匀、稳定地分散到普通聚合物基体中并使基体材料分子插入各黏土片层之间的间隙中，可以得到一种全新的聚合物/黏土纳米复合材料。聚合物/黏土纳米复合材料往往显示出比普通聚合物更加优越的力学性能。 以聚合物/黏土纳米复合材料作为基体与玻璃纤维复合得到的纳米GFRP比普通GFRP更优异耐久性能及力学性能。[具体实施方式
]
本发明聚合物/黏土纳米复合材料以下实施例所用原料
I.有机蒙脱土 型号I. 30P，北京怡蔚特化科技发展有限公司，I. 30P有机蒙脱土化学分子式为(Na, Ca) X (Al, Mg) 2 (Si4010) (OH) 2 · nH20 ；
2.乙烯基酯树脂双酚A型乙烯基酯树脂，牌号V411，产自济南易盛树脂有限公司；
3.促进剂为异辛酸钴，牌号5号，产自济南易盛树脂有限公司；
4.固化剂为过氧化甲乙酮，牌号5号，产自济南易盛树脂有限公司；
5.苯乙烯，上海凌峰化学试剂有限公司，化学纯。
6. I. 30P有机蒙脱土性能指标
权利要求
1.一种聚合物/黏土纳米复合材料，其特征在于，按重量百分比，由以下组分组成 有机蒙脱土1-4%;乙烯基酯树脂72-76% ； 苯乙烯20-23%; 促进剂0.8-1.2%;固化剂1.8-2. 2%。
2.根据权利要求I所述的聚合物/黏土纳米复合材料，其特征在于，有机蒙脱土的平均粒径小于O. 2毫米，所述的乙烯基酯树脂为双酚A型乙烯基酯树脂，所述的促进剂为异辛酸钴，所述的固化剂为过氧化甲乙酮。
3.根据权利要求I所述的聚合物/黏土纳米复合材料，其特征在于，按重量百分比，由以下组分组成有机蒙脱土1.5-2. 5%;乙烯基酯树脂73-75% ； 苯乙烯22-22.5%； 促进剂0.8-1.2%;固化剂1.8-2. 2%。
4.一种权利要求I所述的聚合物/黏土纳米复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤 401)对有机蒙脱土进行干燥，消除其中的水分； a)将有机蒙脱土加入到苯乙烯中，初步混合均匀； b)将步骤402制备好的有机蒙脱土/苯乙烯混合液加入到乙烯基酯树脂中剪切搅拌； c)利用超声波震荡，进一步分散材料中的有机蒙脱土； d)抽取材料中的气泡； e)加入促进剂，搅拌均匀后再加入固化剂，搅拌至完全混合后进行固化。
5.根据权利要求4所述聚合物/黏土纳米复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤401中，将有机蒙脱土置于干燥设备中，在70° C以上的环境中，干燥12小时以上；在步骤402中，首先将有机蒙脱土浸泡在苯乙烯溶液中搅拌，使有机蒙脱土和苯乙烯混合液均匀接触，室温下放置在超声波清洗设备中震荡半小时以上，实现蒙脱土在苯乙烯溶液中的初步均匀分布。
6.根据权利要求4所述聚合物/黏土纳米复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤403中，将步骤402制备好的蒙脱土 /苯乙烯混合液加入到乙烯基酯树脂中搅拌均匀后，用剪切搅拌设备在3000-4000r/min的速度下剪切搅拌不少于I. 5小时，降低蒙脱土的团聚现象。
7.根据权利要求4所述聚合物/黏土纳米复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤404中，把经过步骤403剪切机搅拌后的复合材料放入超声波清洗设备中，在常温下震荡20分钟以上。
8.根据权利要求4所述聚合物/黏土纳米复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤405中，将步骤404获得的混合液放入真空机中抽取气泡，持续时间10分钟以上。
9.根据权利要求4所述聚合物/黏土纳米复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤406中，将步骤405获得的混合液按比例加入促进剂，搅拌均匀后再加入固化剂；缓慢搅拌至完全混合后，置于90-110° C的干燥箱内高温固化10-20分钟，然后在室温下固化。
10.一种纳米GFRP复合材料，其特征在于，按体积率，权利要求I所述的聚合物/黏土纳米复合材料占25-50%，玻璃纤维占50-75%。
全文摘要
本发明公开了一种聚合物/黏土纳米复合材料及制备方法和纳米GFRP复合材料。聚合物/黏土纳米复合材料按重量百分比，由以下组分组成有机蒙脱土1-4%；乙烯基酯树脂72-76%; 苯乙烯20-23%;促进剂0.8-1.2%; 固化剂1.8-2.2%。GFRP复合材料按体积率，上述聚合物/黏土纳米复合材料占25-50%，玻璃纤维占50-75%。本发明面向混凝土结构，通过剪切搅拌、超声振荡等手段，把具有层状结构的纳米级黏土颗粒均匀、稳定地分散到普通聚合物基体中并使基体材料分子插入各黏土片层之间的间隙中，得到一种全新的聚合物/黏土纳米复合材料。以此聚合物/黏土纳米复合材料作为基体与玻璃纤维复合得到的纳米GFRP比普通GFRP更优异耐久性能及力学性能。
文档编号C08F2/44GK102924666SQ201210388940
公开日2013年2月13日 申请日期2012年10月15日 优先权日2012年10月15日
发明者李伟文, 邢锋, 吴佳昕, 朱宏刚, 牛雪莉 申请人:深圳大学