纳米氧化硅粉在水泥基材料中的分散方法

摘要

纳米氧化硅粉在水泥基材料中的分散方法，以减水剂为分散剂；包括以下步骤：第一步，将减水剂溶解于水中制成分散液；第二步，将纳米氧化硅粉加入分散液中制得纳米氧化硅分散液；第第三步，将纳米氧化硅分散液与水泥、砂子、掺合料、增强纤维等混合即得纳米改性水泥砂浆。本发明以水泥基材料中的减水剂作为分散剂，采用物理-化学综合分散工艺，既能够使纳米氧化硅充分分散，又不会在水泥基材料中引入其他成分，不仅提高了纳米氧化硅的分散效率，且制备的纳米氧化硅分散液对水泥基材料广泛适用。

说明书

技术领域

本发明属于水泥基建筑材料制备方法技术领域，涉及一种纳米氧化 硅粉在水泥基材料中的分散方法。

背景技术

材料性能是工程质量保障的基础。随着现代土木工程的快速发展， 高性能水泥基材料的工程需求与应用越来越广泛，如高性能混凝土、特 种砂浆、早强高强注浆材料等已成为了工程建设中的必要组成材料。纳 米氧化硅因其具有比表面积大和火山灰活性高的特点，对水泥基材料具 有突出的增强改性作用，是被公认的一种水泥基材料顶级矿物掺合料。 现代研究表明，将纳米技术应用于水泥基材料中可显著提高产品的性能。 然而，纳米氧化硅颗粒极小，其表面原子缺少相邻原子而成为不饱和键， 具有高度的表面活性，因此表面原子易与其它原子结合形成相对稳定的 结构，从而表现为“团聚”和“不易分散”。通过检索已有的公开报导可 知，目前在水泥材料中应用纳米粉体材料，几乎还是以简单的内掺或外 掺方式直接使用，这对纳米材料改性效能的发挥极为不利。

解决纳米粉体在水泥浆体中有效分散问题，是获得纳米氧化硅对水 泥基材料改性效果的必要条件。目前，对纳米材料的分散方法有物理分 散法、化学分散法两种。物理分散法，通常是采用纯机械的方法对纳米 粉体进行分散，如超声波振动法、高速搅拌剪切法等。物理分散法具有 工艺简单的优点，但该方法耗时长、效率低，其适用范围相对有限。化 学分散法是指在进行机械分散的同时选用合适的分散剂进行分散配合及 新生粒子的保护，该方法能有效降低纳米粉体的分散难度，提高分散效 果，并且能满足工业化材料生产的工艺要求。但由于化学分散法需添加 特定的分散剂，因此存在分散剂与纳米材料改性基体（如，纳米改性水 泥基材料中的水泥基体。）间的适应性问题，如果分散剂不适用于特定基 体材料，则会导致材料的整体性能劣化。

文献1（叶青,张泽南，陈荣升等.纳米SiO₂与水泥硬化浆体中Ca(OH)₂的反应.硅酸盐学报.2003,31（5）：517-522.）公开了一种纳米SiO₂与 Ca(OH)₂粉末的混合分散方法，该方法采用多功能食品粉碎机作为分散设 备，将SiO₂与Ca(OH)₂粉以54︰100的比例放入粉碎机中，然后以 1200r/min的速度搅拌15分钟，共搅拌两次。该方法工艺简单，易于操 作，但是分散效果并不会十分理想。在搅拌机高速旋转情况下，纳米SiO₂由于密度小，可能会在搅拌机内形成悬空团聚现象，因此其分散效果主 要表现为大团聚体转化为小团聚体。

文献2（刘伟.纳米水泥混凝土力学特性研究.交通标准 化.2012(2):91-93.）公开了一种纳米氧化硅粉在水泥混凝土中的分散方 法。该方法首先是将纳米氧化硅粉加入水中，充分搅拌后，再与水泥、 砂、粗集料一起搅拌制备成纳米水泥混凝土。该方法的特点主要体现在 投料顺序上，以水作为分散介质提高纳米氧化硅粉的分散效果，并通过 拌和水的形式将纳米材料分散于水泥材料当中。但由于该方法仅是采用 拌和水作为分散介质，纳米材料的团聚现象并不能彻底解决，因此对纳 米氧化硅粉的分散效果仍然非常有限。

文献3（吴敏,程秀萍,葛明桥.纳米SiO₂的分散研究.纺织学 报.2006,27(4):80-82.）公开了一种纳米氧化硅的化学分散方法。该方 法采用六偏磷酸钠作为分散剂，分散液中分散剂与去离子水的质量分数 为3%-4%，再通过超声振荡对纳米氧化硅粉进行分散，获得了较为理想的 分散效果。该方法为纳米氧化硅的分散提供了新的思路，但是其分散剂 并不能广泛适用于水泥基材料。

文献4（陈海锋,王智宇,陈建军等.原位分散法制备纳米SiO₂改性涂 料及其光老化性能.稀有金属材料与工程.2004,33(zl):9-12.）公开了一 种纳米氧化硅的原位分散法。该方法是在室温下，将氨水的乙醇溶液缓 慢地加入到TEOS的乙醇溶液中，同时磁力搅拌12h后制备出了长时间不 沉淀的纳米氧化硅浓缩液。该方法获得的纳米氧化硅浓缩液中，纳米粉 体分散均匀度较高，然而该方法属于纳米氧化硅的制备与分散一体化过 程，因此对于纳米氧化硅改性水泥基复合材料的生产，却存在因工艺复 杂而造成的局限性。

文献5（杨德安,扬子,赵巍等.纳米氧化硅粉末的分散稳定工艺.稀有 金属材料与工程.2005,34（zl）：82-84.）公开了一种以水为分散介质的 分散方法。该方法通过盐酸或氨水调节分散介质的PH值为9，加入质量 分数3.3%的纳米氧化硅粉，然后利用超声分散10min或球磨4h，制备出 了稳定分散的纳米氧化硅悬浮液。该方法具有工艺简单，分散效果高的 特点。但是盐酸和氨水的使用，使得所制备纳米氧化硅悬浮液，只能针 对性的用于耐盐酸和氨水的基体材料中。对于水泥基材料而言，盐酸的 引入，必然会造成氯离子含量的增加，从而增大了钢筋锈蚀的风险。

从公开的报道可见，化学分散法的分散效果较好，纳米氧化硅的化 学分散法多用于纺织、印染、涂料这类材料中。但公开的纳米分散剂多 数并不适合应用于水泥基材料中，水泥材料中如果引入不适合的分散剂， 必将对水泥基材料造成不利影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米氧化硅粉在水泥基材料中的分散方 法，其分散效果好且工艺简单。

本发明的技术方案是，纳米氧化硅粉在水泥基材料中的分散方法， 以减水剂为分散剂；

第一步，将减水剂溶解于水中制成分散液；

第二步，将纳米氧化硅粉加入分散液中制得纳米氧化硅分散液；

第三步，将纳米氧化硅分散液与水泥、砂子、掺合料、增强纤维 等混合即可。

本发明的特点还在于：

分散剂为木质素磺酸盐系减水剂、萘磺酸盐系减水剂和聚羧酸系减 水剂中的任意一种。

第一步中，制备分散液时，减水剂与水的质量比为0.02-0.10:1。

第二步中，制备纳米氧化硅分散液时，纳米氧化硅粉与分散液的质 量比为0.005-0.030：1；将纳米氧化硅粉倒入高剪切混合搅拌机中，再 将分散液倒入，然后启动搅拌机，以1000-1100r/min的速度搅拌20min。

第三步中，将所要制备的水泥基材料的其它组分，如水泥、砂子、 掺合料、增强纤维等，按照水泥基材料配比依次倒入水泥材料搅拌机中； 然后将纳米氧化硅分散液加入，搅拌混合均匀。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明以水泥基材料中的减水剂作为分散剂，采用物理-化学综 合分散工艺，既能够使纳米氧化硅充分分散，又不会在水泥基材料中引 入其他成分，不仅提高了纳米氧化硅的分散效率，且制备的纳米氧化硅 分散液对水泥基材料广泛适用，

2、本发明制备方法工艺简单，易于实现。

附图说明

图1为采用本发明纳米氧化硅粉在水泥基材料中的分散方法制备的 纳米氧化硅分散液中纳米氧化硅的分布情况。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

纳米氧化硅粉在水泥基材料中的分散方法，其具体步骤如下：

第一步，根据所要制备水泥基材料的配合比，量取拌和水；按照分 散剂与水的质量比为0.02-0.10:1，准备分散剂。分散剂可为木质素磺酸 盐系减水剂、萘磺酸盐系减水剂、聚羧酸系减水剂等常用减水剂中的任 意一种。将分散剂加入量取好的水中，在水泥胶砂搅拌机中搅拌3-5min， 使其充分溶解，得到分散液。

第二步，按照纳米氧化硅粉与分散液质量比为：0.005-0.030：1， 准备待分散的纳米氧化硅粉。将量取好的纳米氧化硅粉倒入高剪切混合 搅拌机中，再将制得的分散液倒入，然后启动搅拌机，以1000-1100r/min 的速度搅拌20min，得到纳米氧化硅分散液。

第三步，将所要制备的水泥基材料的其它组分，如水泥、砂子、掺 合料、增强纤维等，按照水泥基材料配合比依次量取，倒入水泥材料搅 拌机中。将制得的纳米氧化硅分散液，加入水泥材料搅拌机中，搅拌混 合均匀，得到纳米氧化硅改性的水泥基材料浆体。

然后，可根据水泥基材料的工艺要求，进行预制成型或浇筑施工。

第一步中，用精度为0.1g的电子称量取拌和水；用精度为0.01g的 电子天平称量分散剂。将待用的拌和水倒入搅拌锅中，启动水机胶砂搅 拌机电源，以140±5r/min的转速搅拌3分钟，与此同时均匀地将分散 剂倒入搅拌锅中，然后再以285±10r/min的转速继续搅拌5min，关闭 电源，将分散剂已充分溶解的分散液倒出、称量，待用。

第二步中，用精度为0.01g的电子天平量取待分散的纳米氧化硅粉。

上述操作均在常温下进行，温度范围为15-30℃。

纳米改性的水泥基材料，属于高性能水泥基材料，而减水剂是高性 能水泥基材料的必要构成要素。本发明所提供的方法，是以水泥基材料 中的拌和水作为纳米氧化硅粉的分散介质、以减水剂作为分散剂。本发 明采用水泥基材料的自有组分作为辅助分散材料，避免了在水泥基材料 中引入其它成分，从而有利于保证水泥基材料性能不受其它有害成分的 影响。

例如，纳米改性水泥砂浆材料，该材料的配比为，水泥：标准砂： 水：FDN萘系高效减水剂：纳米氧化硅粉=1:3:0.3:0.01:0.003。纳米氧 化硅粉粒径为10-20nm，利用FDN萘系高效减水剂作为分散剂。按本发明 提供的分散方法，将纳米氧化硅粉分散在含有FDN萘系高效减水剂的分 散液中，然后再通过水泥胶砂的搅拌分散到水泥砂浆之中，可实现纳米 氧化硅粉在水泥砂浆中的有效分散。本发明分散方法能够获得理想的分 散效果，原因在于减水剂为高分子电解质，分散液中因分散剂的所在， 在高速剪切搅拌条件下，带有负电荷的分散剂阴离子基团会充分吸附在 纳米氧化硅粒子表面，从而使粒子表面具有相同的电荷，增大了纳米粒 子的Zeta电位绝对值，粒子间产生较大的静电斥力，同时，高分子分散 剂在纳米颗粒表面的吸附作用，增大了颗粒的空间位阻，从而使纳米氧 化硅粉获得良好的分散性能。而当纳米氧化硅粉在分散液中被充分分散 后，便可随水泥砂浆的拌和水一起，在机械拌和作用下，分散于水泥砂 浆中。

采用激光粒度仪对本发明分散方法制备的纳米改性水泥砂浆材料 （该材料的配比为，水泥：标准砂：水：FDN萘系高效减水剂：纳米氧化 硅粉=1:3:0.3:0.01:0.003）”中的纳米氧化硅在分散液中的分散效果进 行测试分析，结果表明，分散后的纳米氧化硅在分散液中的粒径均小于 100nm，分散效果理想。分散液中纳米氧化硅的粒径分布情况见图1。

实施例1：按照质量比为：1:3:0.3:0.006:0.00153，准备水泥、标 准砂、水、聚羧酸高效减水剂(型号：CS-11)、纳米氧化硅粉。将准备好 的水倒入搅拌锅中，启动水机胶砂搅拌机电源，以140±5r/min的转速 搅拌3分钟，与此同时均匀地将聚羧酸高效减水剂(型号：CS-11)均匀倒 入搅拌锅中，然后再以285±10r/min的转速继续搅拌5min，关闭电源。 将制得的分散液倒入高剪切混合搅拌机中，称量好的纳米氧化硅粉均匀 倒入分散液中，然后启动搅拌机，以1000-1100r/min的速度搅拌20min， 得到纳米氧化硅分散液。

将称量好的水泥、砂子，倒入水泥材料搅拌机中，接通电源启动搅 拌机，将纳米氧化硅分散液均匀倒入后，以140±5r/min的转速搅拌5 分钟，得到纳米改性水泥胶砂浆体。

实施例2：参照图1，按照质量比为：1:3:0.3:0.03:0.0099，准备 水泥、标准砂、水、木质素磺酸钠减水剂、纳米氧化硅粉。将准备好的 水倒入搅拌锅中，启动水机胶砂搅拌机电源，以140±5r/min的转速搅 拌3分钟，与此同时均匀地将木质素磺酸钠减水剂均匀倒入搅拌锅中， 然后再以285±10r/min的转速继续搅拌5min，关闭电源。将制得的分 散液倒入高剪切混合搅拌机中，称量好的纳米氧化硅粉均匀倒入分散液 中，然后启动搅拌机，以1000-1100r/min的速度搅拌20min，得到纳米 氧化硅分散液。

将称量好的水泥、砂子，倒入水泥材料搅拌机中，接通电源启动搅 拌机，将纳米氧化硅分散液均匀倒入后，以140±5r/min的转速搅拌5 分钟，得到纳米改性水泥胶砂浆体。

实施例3：参照图1，按照质量比为：1:3:0.3:0.018:0.006，准备 水泥、标准砂、水、萘系高效减水剂（型号：UNF）、纳米氧化硅粉。将 准备好的水倒入搅拌锅中，启动水机胶砂搅拌机电源，以140±5r/min 的转速搅拌3分钟，与此同时均匀地将萘系高效减水剂（型号：UNF）均 匀倒入搅拌锅中，然后再以285±10r/min的转速继续搅拌5min，关闭 电源。将制得的分散液倒入高剪切混合搅拌机中，称量好的纳米氧化硅 粉均匀倒入分散液中，然后启动搅拌机，以1000-1100r/min的速度搅拌 20min，得到纳米氧化硅分散液。

将称量好的水泥、砂子，倒入水泥材料搅拌机中，接通电源启动搅 拌机，将纳米氧化硅分散液均匀倒入后，以140±5r/min的转速搅拌5 分钟，得到纳米改性水泥胶砂浆体。