CN115403300B - 一种改性纳米稳泡剂及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改性纳米稳泡剂及其应用，所述改性纳米稳泡剂由纳米四氧化三铁经硅烷偶联剂改性得到的，其结构式示意如下：上述结构式中R为烷基，Y表示有机官能团。本发明利用硅烷偶联剂对纳米四氧化三铁进行表面修饰改性，改变纳米四氧化三铁的润湿性和分散性，使改性后的纳米四氧化三铁吸附在泡沫液膜上，形成的固‑液‑气三相泡沫，提高泡沫液膜的强度，降低液膜的排液速度和泡沫的歧化速率，大大提高泡沫的稳定性。本发明制备的纳米稳泡剂稳泡效果好，用量低，适用于多种类型发泡剂，制备方法简单，且成本较低。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种改性纳米稳泡剂及其应用。
背景技术
泡沫混凝土是将预制泡沫引入水泥或砂浆中，制成的一种轻质水泥基材料。因其密度低、耐火性能好、流动性大、导热系数低而在建筑工程中得到了广泛的应用。但同时也存在力学性能差、收缩率高、开裂风险大等缺陷。除了配比、工艺、设备等方面的原因，制约泡沫混凝土性能的关键因素是发泡剂所产生泡沫的稳定性。
目前，发泡剂的产量与品种越来越多，质量也参差不齐，普遍存在稳定性差、消泡的问题。增加泡沫稳定性有效的方法是在发泡剂中加入稳泡剂。稳泡剂按其作用方式可分为三类：第一类是协同型稳泡剂，主要有月桂醇、硅树脂聚醚乳液、表面活性剂等，但此类稳泡剂的稳泡效果有限。第二类是增黏性稳泡剂，主要有聚丙烯酰胺、明胶、聚乙二醇等，但此类稳泡剂在高温条件下极易分解，且残留有机物会影响泡沫混凝土性能。第三类是固体粒子稳泡，固体颗粒是较为理想的稳泡材料，颗粒不可逆地、自发地吸附在气液界面，平衡界面的张力，形成固-液-气三相泡沫，防止气相转移，阻碍气液相间的物理排水。此类稳泡剂主要有纳米二氧化硅、纳米蒙脱土和石墨烯量子点等。
早在1913年Hoffmann就提出了固体颗粒可以稳泡。近年来，很多学者开始关注颗粒稳泡的研究。CN 201410247833.8公开了一种改性纳米二氧化硅稳泡剂及其制备方法，该稳泡剂是由煅烧活化后的纳米二氧化硅经磺酸钠基团及羧酸钠基团改性得到的。但是，单独使用时其稳泡效果提升幅度并不明显，需要与聚合物复合使用，且制备时需要对纳米二氧化硅煅烧活化，工艺复杂。CN202011091171.1公开了一种改性纳米稳泡剂及其制备方法与应用，该改性纳米稳泡剂通过纳米基材与聚合物单体、表面活性单体进行共聚改性而获得。该改性纳米稳泡剂可以增强泡沫在高温高盐环境下的稳定性，但其用量为起泡剂质量的30％，为稀释后起泡液质量的1％，用量大。
因此，提供一种稳泡效果好、用量低、能适用于多种类型发泡剂、制备工艺简单的纳米稳泡剂成为本领域亟待解决的技术难题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种改性纳米稳泡剂及其制备方法。该纳米四氧化三铁稳泡剂能吸附在泡沫液膜上，形成的固-液-气三相泡沫，可提高泡沫液膜的强度，降低液膜的排液速度和泡沫的歧化速率，从而提高泡沫的稳定性，此纳米稳泡剂使用浓度低、制造价格低且制备方法简单。
本发明的原材料纳米四氧化三铁价格低廉，性质稳定，但是其表面具有较高的表面自由能和含丰富的羟基，还具有各向同性和强磁相互作用，因此倾向于聚集在一起，亲水性强，分散性差。因此需要进行改性，使其具有合适的分散性，以赋予其稳泡特性。
为达到上述目的，本发明采用的反应机理为：
上述反应机理中R为烷基，Y表示有机官能团。
根据上述反应机理，本发明采用以下技术方案：
本发明改性纳米稳泡剂，由纳米四氧化三铁经硅烷偶联剂改性得到的，其结构式示意如下：
上述结构式中R为烷基，Y表示有机官能团。
本发明改性纳米稳泡剂的原料中，按质量份数的配比为：纳米四氧化三铁颗粒1-2份，硅烷偶联剂1-6份。
所述硅烷偶联剂为：KH-550硅烷偶联剂、KH-560硅烷偶联剂、KH-570硅烷偶联剂、硅烷偶联剂A-151等中的一种。
所述纳米四氧化三铁的优选粒径为10-300nm。
本发明改性纳米稳泡剂的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：室温下，取1-2份纳米四氧化三铁颗粒，加入到10-20份去离子水中，超声分散30分钟后，制得纳米四氧化三铁颗粒分散液；
步骤2：向制得的纳米四氧化三铁颗粒分散液中加入1-6份硅烷偶联剂，10-20份乙醇，用乙酸调节体系pH至4-6，并置于恒温磁力搅拌器中搅拌2-4小时，制得改性纳米四氧化三铁分散液；
步骤3：将制得的纳米四氧化三铁分散液用抽滤机抽滤出改性纳米四氧化三铁颗粒，并用乙醇冲洗3次，随后置于真空干燥箱中，50℃温度下烘干6小时，制得改性纳米四氧化三铁颗粒。
所述硅烷偶联剂为：KH-550硅烷偶联剂、KH-560硅烷偶联剂、KH-570硅烷偶联剂、硅烷偶联剂A-151等的一种。
优选的，所述的硅烷偶联剂选自KH-550硅烷偶联剂，结构式为：
用上述KH-550硅烷偶联剂制备的改性纳米四氧化三铁稳泡剂，其结构式为：
进一步的，步骤2中，恒温磁力搅拌器的搅拌温度设置为20-50℃。
本发明提供的改性纳米稳泡剂，对植物蛋白类、动物蛋白类、表面活性剂类发泡剂均有较好的稳泡效果。
所述改性纳米稳泡剂的添加量为发泡剂原液质量的0.5-3％，为发泡液质量的0.25-1.2‰。
本发明制备的纳米稳泡剂，0.35份稳泡剂可以提升40份发泡剂原液性能，用量为发泡剂原液质量的0.88％，为发泡液质量的0.35‰，用量低。
因此，本发明具有以下优点：
1、本发明制备的纳米稳泡剂可大大提升泡沫的稳定性，本发明稳泡剂可吸附在泡沫液膜上，提高泡沫液膜的强度，降低液膜的排液速度和泡沫的歧化速率，从而提高泡沫的稳定性。
2、本发明纳米稳泡剂用量低，得到的泡沫均匀细腻，稳定性好。
3、本发明采用的纳米稳泡剂适用性强，对植物蛋白类、动物蛋白类、表面活性剂类发泡剂均有较好的稳泡效果。
4、本发明的纳米稳泡剂制备方法简单，可操作性强，成本较低。
附图说明
图1是改性纳米稳泡剂的稳泡机理示意图。
图2为纳米四氧化三铁改性前后接触角。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
具体实施方式中的份数均为质量份。
实施例1-13：
根据表1的投料量，在去离子水中加入粒径为表1所述的纳米四氧化三铁颗粒，超声分散30分钟后，制得纳米四氧化三铁分散液；将制得的纳米四氧化三铁分散液加入质量为表1所述的无水乙醇，硅烷偶联剂；用乙酸调节pH至表1所述的值；置于恒温磁力搅拌器中，搅拌时间为表1所述，搅拌温度为表1所述，得改性纳米四氧化三铁分散液；将制得的纳米四氧化三铁分散液用抽滤机抽滤出改性纳米四氧化三铁颗粒，并用乙醇冲洗3次；将抽滤出纳米四氧化三铁颗粒，置于真空干燥箱中50℃烘干6小时，得纳米稳泡剂。
表1
对实施例1-5的改性纳米四氧化三铁进行润湿性测试，纳米颗粒的接触角如图2所示。
稳泡性能测试：
将实施例1-13中制得的纳米稳泡剂0.35份与100份配液水中混合，并超声分散30分钟，得改性纳米稳泡剂分散液；向纳米稳泡剂分散液中再加入植物蛋白发泡剂原液40份和水860份，用磁力搅拌器搅拌60分钟使其充分分散，得到发泡液；在20℃，相对湿度65％环境下，将制得的发泡液按照气液比20：1，用发泡机进行发泡，从而得到泡沫1-13。
对上述制备的泡沫1-13进行1h泌水率的测试，测试结果如表2所示。
将实施例3中制得的纳米稳泡剂0.35份与100份配液水中混合，并超声分散30分钟，得改性纳米稳泡剂分散液；分别向纳米稳泡剂分散液中再加入动物蛋白发泡剂原液、表面活性剂发泡剂原液40份和水860份，用磁力搅拌器搅拌60分钟使其充分分散，得到发泡液；在20℃，相对湿度65％环境下，将制得的发泡液按照气液比20：1，用发泡机进行发泡，从而得到泡沫14-15。
对上述制备的泡沫14-15进行1h泌水率的测试，测试结果如表2所示。
对比例1：
将植物蛋白发泡剂原液40份和水960份充分混合，在20℃，相对湿度65％环境下，将制得的发泡液按照气液比20：1，用发泡机进行发泡，从而得到对比例泡沫1。
对上述制备的对比例泡沫1进行1h泌水率的测试，测试结果如表2所示。
对比例2：
将未改性的纳米四氧化三铁0.35份与100份配液水中混合，并超声分散20分钟，得纳米四氧化三铁分散液；向纳米四氧化三铁分散液中再加入植物蛋白发泡剂原液40份和水860份，用磁力搅拌器搅拌60分钟使其充分分散，得到发泡液；在20℃，相对湿度65％环境下，将制得的发泡液按照气液比20：1，用发泡机进行发泡，从而得到对比例泡沫2。
对上述制备对比例泡沫2进行1h泌水率的测试，测试结果如表2所示。
表2
未加入稳泡的对比例泡沫1的1h泌水率为61.8％，加入未改性Fe3O4的对比例泡沫2的1h泌水率为60.5％，说明未改性Fe3O4对泡沫稳定性提高不明显。但是，使用本发明提供的纳米稳泡剂后，泡沫的稳定性均有大幅度提升。其中，使用实施例3稳泡剂的泡沫1h泌水率达到了29.2％，泡沫的稳定性极大提高。
本发明制备的纳米稳泡剂，0.35份稳泡剂可以提升40份发泡剂原液性能，用量为发泡剂原液的0.88％，为发泡液的0.35‰，用量低。
本发明提供的改性纳米稳泡剂，对植物蛋白类、动物蛋白类、表面活性剂类发泡剂均有较好的稳泡效果。
本发明改性纳米四氧化三铁的制备方法，改变了纳米四氧化三铁的润湿性，其中，具有最佳稳泡效果的纳米稳泡剂为实施例3，其接触角为52.4°。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (4)
1.一种改性纳米稳泡剂的应用，其特征在于：
所述改性纳米稳泡剂应用于提升植物蛋白类、动物蛋白类、表面活性剂类发泡剂的稳泡效果；所述改性纳米稳泡剂的添加量为发泡剂原液质量的0.5-3%，为发泡液质量的0.25-1.2‰；
所述改性纳米稳泡剂通过如下步骤的方法制备获得：
步骤1：室温下，取1-2份纳米四氧化三铁颗粒，加入到10-20份去离子水中，超声分散30分钟后，制得纳米四氧化三铁颗粒分散液；
步骤2：向制得的纳米四氧化三铁颗粒分散液中加入1-6份硅烷偶联剂，10-20份乙醇，用乙酸调节体系pH至4-6，并置于恒温磁力搅拌器中于20-50℃搅拌2-4小时，制得改性纳米四氧化三铁分散液；
步骤3：将制得的纳米四氧化三铁分散液用抽滤机抽滤出改性纳米四氧化三铁颗粒，并用乙醇冲洗3次，随后置于真空干燥箱中，50℃温度下烘干6小时，制得改性纳米四氧化三铁颗粒。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：
所述硅烷偶联剂为KH-550硅烷偶联剂、KH-560硅烷偶联剂、KH-570硅烷偶联剂、硅烷偶联剂A-151中的一种。
3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于：
所述硅烷偶联剂为KH-550硅烷偶联剂。
4.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：
所述纳米四氧化三铁的粒径为10-300nm。
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