CN112551938A - 一种用于保温砂浆的相变复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于保温砂浆的相变复合材料，所述相变复合材料是采用官能化的蒙脱土纳米片与二氧化硅杂化形成的气凝胶3D骨架材料对相变材料进行封装制得；所述官能化的蒙脱土纳米片是L‑谷氨酰胺和纳米蒙脱土粉末混合球磨制得。本发明还公开了该用于保温砂浆的相变复合材料的制备方法。该方法制得的相变复合材料具有很好的热稳定性和力学性能，用于砂浆中可有效提高砂浆的机械性能和保温性能。

Description

一种用于保温砂浆的相变复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，具体涉及一种用于保温砂浆的相变复合材料及其制备方法。
背景技术
随着现代化进程的加快和人们生产生活水平的不断提高，在现代人对住宅建筑的居住要求中，舒适度继工程的质量、使用安全、使用寿命三大高要求之后，逐渐发展成为了人们对住宅建筑居住要求中的第四大高要求。因此建筑保温隔热材料应运而生。传统的建筑物保温隔热砂浆是由水泥和膨胀珍珠岩等作为主材料，纤维素和其他添加剂作为辅助材料，主材和辅材经有效拌合之后，用于建筑物外墙外侧或是外墙内侧，作为保温隔热材料，其具有良好的保温效果和粘结力，且施工简单便捷，但其在节能降耗等方面仍需要改善。
相变储能材料指的是当建筑室外环境达到高温度时，可以自主地吸收室外环境的热量，使环境温度下降；反之，当环境温度较低时，相变储能材料则能快速及时地释放热量，进而达到随时调整环境温度。在民用建筑节能材料的使用中，相变储能材料具有很多的特征和优势，不仅可以满足建筑节能的需求，减少能源消耗保护环境，同时促进了降低了建筑物的使用成本，提高行业经济效益，为建筑行业的可持续发展提供了物质保障。
专利CN200310118500.7提供了一种石蜡相变保温砂浆粉及石蜡相变保温砂浆的制备方法，包括35-75％的水泥、5-40％的轻骨料和0.5-10％的纤维，在配比中还含有5-40％的石蜡，部分水泥可由粉煤灰、消石灰、石膏或硅粉替代。制备时，先将石蜡加热至熔化，并充分搅拌使其分散均匀，或将石蜡制备成微晶粉末；然后将熔化分散开的石蜡或石蜡微晶粉末和其它物料混合均匀制成石蜡胶粉料，再将上述石蜡胶粉料加入水中搅拌成糊状，再加入轻骨料充分搅拌即可。专利CN201310645687.X提供了一种相变保温砂浆的制备方法及其测试方法。包括以下步骤：(1)对玻化微珠进行粒度筛选，紧接着进行烘箱干燥；(2)在水浴加热和连续机械搅拌的条件下，利用玻化微珠微孔的毛细吸附力进行相变材料正十八烷的吸附，形成复合相变材料；(3)将水泥、水和复合相变材料混合制备相变保温砂浆。由上述现有技术可知，目前相变复合材料是采用多孔材料吸附相变材料制得。但是如何提高多孔材料与相变材料的结合性以及如何得到一种性能优异的多孔材料是研究建筑节能材料的关键。
发明内容
本发明所要解决的技术问题之一是：针对现有技术存在的不足，提供一种用于保温砂浆的相变复合材料，该相变复合材料以聚乙二醇为相变材料，采用官能化的蒙脱土纳米片/纳米二氧化硅杂化气凝胶3D骨架材料进行封装，得到的相变复合材料热稳定性好，将其用于保温砂浆中，不仅可以提高砂浆的保温性能，且能改善砂浆的强度。
本发明所要解决的技术问题之二是：针对现有技术存在的不足，提供一种用于保温砂浆的相变复合材料的制备方法，首先将L-谷氨酰胺和纳米蒙脱土混合研磨处理、超声剥离处理，不仅使得纳米蒙脱土剥离成蒙脱土纳米片，且在蒙脱土纳米片上接枝了L-谷氨酰胺，改性后的蒙脱土纳米片上具有羧基、氨基活性基团；其与硅溶胶中大量的羧基、羟基作用，相互交联，形成稳定的具有多级结构的杂化气凝胶，该气凝胶具有良好的力学性能，对相变材料进行真空浸渍处理，相变材料可与杂化气凝胶通过氢键稳定结合，制得的相变复合材料不仅热稳定性好，且具有很好的力学性能。
为解决上述第一个技术问题，本发明的技术方案是：
一种用于保温砂浆的相变复合材料，所述相变复合材料是采用官能化的蒙脱土纳米片与二氧化硅杂化形成的气凝胶为3D骨架材料并对相变材料进行封装制得；所述官能化的蒙脱土纳米片是L-谷氨酰胺和纳米蒙脱土粉末混合球磨、超声处理制得；所述相变材料、所述3D骨架材料的质量比为(1-2)：1。
为解决上述第二个技术问题，本发明的技术方案是：
一种用于保温砂浆的相变复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将L-谷氨酰胺与纳米蒙脱土混合加入到球磨罐中球磨处理，将球磨处理后得到的混合物加入到去离子水中超声处理，之后离心，离心后的固体重新分散在去离子水中进行超声处理，如此反复处理2-3次，合并多次离心的上清液，干燥处理，得到L-谷氨酰胺接枝改性的蒙脱土纳米片；
(2)将正硅酸乙酯加入到无水乙醇和去离子水的混合液中，然后滴加25wt％氨水溶液，搅拌反应，反应结束后，加入L-谷氨酰胺接枝改性的蒙脱土纳米片，超声分散处理，得到的混合物室温下静置处理，最后进行冷冻干燥，制得3D骨架材料；
(3)将相变材料在真空条件下熔化，然后加入上述制得的3D骨架材料，真空浸渍处理，制得相变复合材料。
作为上述技术方案的优选，步骤(1)中，所述L-谷氨酰胺与纳米蒙脱土的质量比为(8-13)：1。
作为上述技术方案的优选，步骤(1)中，所述球磨转速为480-580rpm，球磨时间为20-24h。
作为上述技术方案的优选，步骤(1)中，所述超声功率为500-1000W；超声时间为30-50min。
作为上述技术方案的优选，步骤(1)中，所述离心处理的转速为2000-3000rpm，离心时间为20-40min。
作为上述技术方案的优选，步骤(2)中，所述正硅酸乙酯、无水乙醇、去离子水、氨水溶液、L-谷氨酰胺接枝改性的蒙脱土纳米片的用量比为1ml：(50-70)ml：(1-1.5)ml：(1-1.2)ml：(2-3)g。
作为上述技术方案的优选，步骤(2)中，所述搅拌反应的条件为：温度为50-60℃，转速为1000-2000rpm，时间为30-50min；所述超声分散处理的条件为：超声功率为400-500W，超声时间为30min；所述静置处理的条件为：静置温度为室温，静置时间为10-20h；所述冷冻干燥的条件为：首先以5℃/min的速率降温至-20℃，冷冻干燥处理5-10h；然后以1℃/min的速率降温至-50℃，冷冻干燥处理45-55h。
作为上述技术方案的优选，步骤(3)中，所述相变材料聚乙二醇，所述聚乙二醇的分子量为1000-2000。
作为上述技术方案的优选，步骤(3)中，所述真空浸渍的条件为：真空度为30-50Pa，浸渍温度为55-65℃，浸渍时间为1-3h。
由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明提供的一种用于保温砂浆的相变复合材料，采用官能化的蒙脱土纳米片与二氧化硅杂化形成的气凝胶3D骨架材料对相变材料进行封装制得；所述官能化的蒙脱土纳米片是L-谷氨酰胺和纳米蒙脱土粉末混合球磨、超声分散处理制得；官能化的蒙脱土纳米片表面具有羧基、氨基活性基团，其与硅溶胶中的羧基和羟基发生键合，冷冻干燥后，形成具有稳定的具有多孔结构的杂化气凝胶。该杂化气凝胶不仅比表面积大，且力学性能好，可作为3D骨架材料来对相变材料进行封装，得到热稳定性好的相变复合材料；该相变复合材料用于保温砂浆制备时，与砂浆基体的相容性好，不仅能提高砂浆的保温性能，且能改善砂浆的力学性能。
本发明首先将L-谷氨酰胺和纳米蒙脱土混合球磨处理、多次超声分散处理，在对纳米蒙脱土进行剥离的同时在剥离后的蒙脱土纳米片表面接枝L-谷氨酰胺，改性后的蒙脱土纳米片上具有较多的氨基和羧基活性基团；本申请采用溶胶凝胶法制得硅溶胶，并加入制得的官能团化的蒙脱土纳米片进行凝胶化，蒙脱土纳米片上的羧基和氨基与硅溶胶中的羧基、羟基基团可形成氢键，相互交联，然后在一定的条件下进行冷冻干燥处理，制得具有多孔结构的杂化气凝胶；最后将杂化气凝胶置于熔融的聚乙二醇中真空条件下进行浸渍处理，聚乙二醇可有效进入到杂化气凝胶的孔隙内，与杂化气凝胶发生键合，形成稳定的相变复合材料。该方法操作简单，制得的杂化气凝胶热稳定性好，可用于砂浆改性中，提高砂浆的保温性能。
具体实施方式
下面结合实施例进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1
(1)将8gL-谷氨酰胺与1g纳米蒙脱土混合加入到含有氧化锆小球的球磨罐中，480rpm下球磨处理20h，将球磨处理后得到的混合物加入到500ml去离子水中500W下超声处理30min，之后2000rpm下离心20min，离心后的固体重新分散在500ml去离子水中继续在上述条件下超声处理30min，如此反复处理2次，合并多次离心的上清液，70℃下干燥处理，得到L-谷氨酰胺接枝改性的蒙脱土纳米片；
(2)将1ml正硅酸乙酯加入到50ml无水乙醇和1ml去离子水的混合液中，然后滴加1ml 25wt％氨水溶液，50℃、1000rpm的条件下搅拌反应30min，反应结束后，冷却至室温，加入2g L-谷氨酰胺接枝改性的蒙脱土纳米片，400W下超声分散处理30min，然后静置处理10h，最后进行冷冻干燥，冷冻干燥时，首先以5℃/min的速率降温至-20℃，冷冻干燥处理5h；然后以1℃/min的速率降温至-50℃，冷冻干燥处理55h，制得3D骨架材料；
(3)将10g聚乙二醇1500在真空条件下熔化，然后加入10g上述制得的3D骨架材料，在真空度为30Pa、温度为55℃的条件下真空浸渍处理1h，制得相变复合材料。
实施例2
(1)将13gL-谷氨酰胺与1g纳米蒙脱土混合加入到含有氧化锆小球的球磨罐中，580rpm下球磨处理24h，将球磨处理后得到的混合物加入到500ml去离子水中1000W下超声处理50min，之后3000rpm下离心40min，离心后的固体重新分散在500ml去离子水中继续在上述条件下超声处理50min，如此反复处理3次，合并多次离心的上清液，80℃下干燥处理，得到L-谷氨酰胺接枝改性的蒙脱土纳米片；
(2)将1ml正硅酸乙酯加入到70ml无水乙醇和1.5ml去离子水的混合液中，然后滴加1.2ml 25wt％氨水溶液，60℃、2000rpm的条件下搅拌反应50min，反应结束后，冷却至室温，加入3g L-谷氨酰胺接枝改性的蒙脱土纳米片，500W下超声分散处理30min，然后静置处理20h，最后进行冷冻干燥，冷冻干燥时，首先以5℃/min的速率降温至-20℃，冷冻干燥处理10h；然后以1℃/min的速率降温至-50℃，冷冻干燥处理45h，制得3D骨架材料；
(3)将20g聚乙二醇1500在真空条件下熔化，然后加入10g上述制得的3D骨架材料，在真空度为50Pa、温度为65℃的条件下真空浸渍处理3h，制得相变复合材料。
实施例3
(1)将9gL-谷氨酰胺与1g纳米蒙脱土混合加入到含有氧化锆小球的球磨罐中，500rpm下球磨处理21h，将球磨处理后得到的混合物加入到500ml去离子水中500W下超声处理40min，之后2000rpm下离心30min，离心后的固体重新分散在500ml去离子水中继续在上述条件下超声处理40min，如此反复处理2次，合并多次离心的上清液，70℃下干燥处理，得到L-谷氨酰胺接枝改性的蒙脱土纳米片；
(2)将1ml正硅酸乙酯加入到60ml无水乙醇和1.5ml去离子水的混合液中，然后滴加1ml 25wt％氨水溶液，60℃、1500rpm的条件下搅拌反应30min，反应结束后，冷却至室温，加入2.5g L-谷氨酰胺接枝改性的蒙脱土纳米片，400W下超声分散处理30min，然后静置处理15h，最后进行冷冻干燥，冷冻干燥时，首先以5℃/min的速率降温至-20℃，冷冻干燥处理6h；然后以1℃/min的速率降温至-50℃，冷冻干燥处理50h，制得3D骨架材料；
(3)将15g聚乙二醇1500在真空条件下熔化，然后加入10g上述制得的3D骨架材料，在真空度为40Pa、温度为60℃的条件下真空浸渍处理2h，制得相变复合材料。
实施例4
(1)将10gL-谷氨酰胺与1g纳米蒙脱土混合加入到含有氧化锆小球的球磨罐中，500rpm下球磨处理20h，将球磨处理后得到的混合物加入到500ml去离子水中1000W下超声处理40min，之后2500rpm下离心30min，离心后的固体重新分散在500ml去离子水中继续在上述条件下超声处理40min，如此反复处理3次，合并多次离心的上清液，75℃下干燥处理，得到L-谷氨酰胺接枝改性的蒙脱土纳米片；
(2)将1ml正硅酸乙酯加入到60ml无水乙醇和1.3ml去离子水的混合液中，然后滴加1ml 25wt％氨水溶液，55℃、1500rpm的条件下搅拌反应50min，反应结束后，冷却至室温，加入3g L-谷氨酰胺接枝改性的蒙脱土纳米片，500W下超声分散处理30min，然后静置处理10h，最后进行冷冻干燥，冷冻干燥时，首先以5℃/min的速率降温至-20℃，冷冻干燥处理10h；然后以1℃/min的速率降温至-50℃，冷冻干燥处理50h，制得3D骨架材料；
(3)将18g聚乙二醇1500在真空条件下熔化，然后加入10g上述制得的3D骨架材料，在真空度为35Pa、温度为60℃的条件下真空浸渍处理2h，制得相变复合材料。
实施例5
(1)将12gL-谷氨酰胺与1g纳米蒙脱土混合加入到含有氧化锆小球的球磨罐中，580rpm下球磨处理22h，将球磨处理后得到的混合物加入到500ml去离子水中800W下超声处理40min，之后3000rpm下离心30min，离心后的固体重新分散在500ml去离子水中继续在上述条件下超声处理40min，如此反复处理2次，合并多次离心的上清液，80℃下干燥处理，得到L-谷氨酰胺接枝改性的蒙脱土纳米片；
(2)将1ml正硅酸乙酯加入到70ml无水乙醇和1ml去离子水的混合液中，然后滴加1ml 25wt％氨水溶液，55℃、1500rpm的条件下搅拌反应30min，反应结束后，冷却至室温，加入2.5g L-谷氨酰胺接枝改性的蒙脱土纳米片，400W下超声分散处理30min，然后静置处理20h，最后进行冷冻干燥，冷冻干燥时，首先以5℃/min的速率降温至-20℃，冷冻干燥处理9h；然后以1℃/min的速率降温至-50℃，冷冻干燥处理50h，制得3D骨架材料；
(3)将15g聚乙二醇1500在真空条件下熔化，然后加入10g上述制得的3D骨架材料，在真空度为50Pa、温度为60℃的条件下真空浸渍处理1h，制得相变复合材料。
对比例
采用二氧化硅气凝胶进行封装，其他条件和实施例5相同。
应用实施例
以重量份计，分别将4份上述实施例1-5以及对比例制得的相变复合材料、70份水泥、40份粉煤灰、3份可再分散乳胶粉、0.45份羧甲基纤维素、1份碳纤维混合均匀制得不同的砂浆粉料。
下面对上述制得的砂浆粉料进行性能测试，测试结果如表1所示：
表1
导热系数，W/m·k 抗压强度，kPa
实施例1 0.020 355
实施例2 0.017 369
实施例3 0.018 365
实施例4 0.017 368
实施例5 0.017 365
对比例 0.045 202
从上述测试结果可以看出，本发明提供的相变复合材料用于保温砂浆制备中，可有效改善砂浆的保温性能和力学性能。
此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种用于保温砂浆的相变复合材料，其特征在于：所述相变复合材料是采用官能化的蒙脱土纳米片与二氧化硅杂化形成的气凝胶为3D骨架材料并对相变材料进行封装制得；所述官能化的蒙脱土纳米片是L-谷氨酰胺和纳米蒙脱土粉末混合球磨并超声处理制得；所述相变材料、所述3D骨架材料的质量比为（1-2）：1。
2.根据权利要求1所述的一种用于保温砂浆的相变复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）将L-谷氨酰胺与纳米蒙脱土混合加入到球磨罐中球磨处理，将球磨处理后得到的混合物加入到去离子水中超声处理，之后离心，离心后的固体重新分散在去离子水中进行超声处理，如此反复处理2-3次，合并多次离心的上清液，干燥处理，得到L-谷氨酰胺接枝改性的蒙脱土纳米片；
（2）将正硅酸乙酯加入到无水乙醇和去离子水的混合液中，然后滴加25wt%氨水溶液，搅拌反应，反应结束后，加入L-谷氨酰胺接枝改性的蒙脱土纳米片，超声分散处理，得到的混合物室温下静置处理，最后进行冷冻干燥，制得3D骨架材料；
（3）将相变材料在真空条件下熔化，然后加入上述制得的3D骨架材料，真空浸渍处理，制得相变复合材料。
3.根据权利要求2所述的一种用于保温砂浆的相变复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述L-谷氨酰胺与纳米蒙脱土的质量比为（8-13）：1。
4.根据权利要求2所述的一种用于保温砂浆的相变复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述球磨转速为480-580rpm，球磨时间为20-24h。
5.根据权利要求2所述的一种用于保温砂浆的相变复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述超声功率为500-1000W；超声时间为30-50min。
6.根据权利要求2所述的一种用于保温砂浆的相变复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述离心处理的转速为2000-3000rpm，离心时间为20-40min。
7.根据权利要求2所述的一种用于保温砂浆的相变复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，所述正硅酸乙酯、无水乙醇、去离子水、氨水溶液、L-谷氨酰胺接枝改性的蒙脱土纳米片的用量比为1ml：（50-70）ml：（1-1.5）ml：（1-1.2）ml：（2-3）g。
8.根据权利要求2所述的一种用于保温砂浆的相变复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，所述搅拌反应的条件为：温度为50-60℃，转速为1000-2000rpm，时间为30-50min；所述超声分散处理的条件为：超声功率为400-500W，超声时间为30min；所述静置处理的条件为：静置温度为室温，静置时间为10-20h；所述冷冻干燥的条件为：首先以5℃/min的速率降温至-20℃，冷冻干燥处理5-10h；然后以1℃/min的速率降温至-50℃，冷冻干燥处理45-55h。
9.根据权利要求2所述的一种用于保温砂浆的相变复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，所述相变材料聚乙二醇， 所述聚乙二醇的分子量为1000-2000。
10.根据权利要求2所述的一种用于保温砂浆的相变复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，所述真空浸渍的条件为：真空度为30-50Pa，浸渍温度为55-65℃，浸渍时间为1-3h。
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