短纤维增强无机硅铝聚合物复合材料

摘要

短纤维增强无机硅铝聚合物复合材料是一种用于土木工程、航空航天领域的高性能短纤维增强无机硅铝聚合物复合材料，各组分及其质量百分比为：活性铝硅材料10.7～35.7％，粉煤灰1.0～17.9％，矿渣1.0～25％，碱性激发剂2.9～9.6％，砂子42.8～54.7％，短纤维0.02～3.6％。本发明具有原材料来源广泛、制备加工方便、适于大规模生产、成本低廉、环境友好的优点，同时其粘结性能好、力学强度高、收缩率低、耐高温、耐腐蚀。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种无机聚合物基复合材料，具体的讲，涉及用于航空座椅、行李承重架，建筑物耐火内墙板，土木工程特殊部位承重结构等，目的是取得纤维增强有机高分子复合材料，以减少由于突发事件引起高分子材料燃烧的危险。主要用于土木工程、航空航天领域。

背景技术

无机硅铝聚合物材料是一种新型无钙基无机聚合物材料，分子构成单元主要为类似陶瓷和水泥的无机SiO₄和AlO₄四面体，但不含CaO，分子结构为类似于有机高分子聚合物的三维网状结构。因此，无机硅铝聚合物兼有有机高聚物、陶瓷和水泥特性，具有优异的物理、力学及耐久性能，其在土木工程、航空航天、重金属或核废料、抗火耐高温等领域具有广阔的应用前景，它将成为取代硅酸盐水泥、低温陶瓷和有机高分子材料一个强有力的竞争者。

经对现有的文献检索发现，美国Richard E.Lyon，P.N.Balagurru等在《Fire andMaterials》第21卷，1997，P 67-73撰文《Fire-resistant Aluminosilicate Composites》，该文在实验室内研制了一种纤维增强无机无机聚合物复合材料，但此种无机聚合物复合材料使用的主要原材料为纯偏高岭土和价格昂贵的碳化硅纤维或碳纤维，同时为了使产品具有较高的抗拉强度和韧性，纤维体积掺量高达50-55％，合成温度在80-100℃范围，工作压力0.3MPa，致使产品成本非常高。另外，由于纤维掺量很高，不得不采用一些手工操作的特殊成型方法如SIFCON方法，Hatschek方法、Spray suction方法、Vacuum bag方法，工作效率比较低，且产品性能波动较大，质量不易得到保证。这些均给无机硅铝聚合物复合材料的商品化带来极大的困难。因此，研制并生产出低成本、高性能并适于规模化生产的无机硅铝聚合物复合材料，具有重要的现实意义和实际应用价值。

发明内容：

本发明的目的在于针对现有技术中存在的不足和缺陷，利用挤压成型技术，通过引入短纤维和掺加价格低廉的天然或人造活性硅铝材料(如粉煤灰、矿渣、煤矸石、硅灰、稻壳灰等来部分或全部取代价格较贵的偏高岭土)方法，制备高强、高韧的短纤维增强无机硅铝聚合物复合材料。

本发明综合采用纤维增强技术、挤压成型技术和碱激发技术相结合的途径实现高强、高韧、防火和耐高温的特性。短纤维增强无钙硅铝质挤压复合材料由六大组分组成，其比例为：

活性铝硅材料   10.7～35.7％

粉煤灰         1.0～17.9％

矿渣           1.0～25％

碱性激发剂     2.9～9.6％

细集料         42.8～54.7％

短纤维         0.02～3.6％

1、活性铝硅材料：以煅烧高岭土为主要成分的无机材料，主要控制其SiO₂和Al₂O₃含量以及细度。具体控制指标见表1，工艺过程主要包括破碎、煅烧、保温和粉磨，煅烧温度为600-900℃。

组份1的控制指标    表1

成份    SiO₂    Al₂O₃    细度    ≥45um    ≤2um含量(％)    ≥40    ≥25    ≤0.3    ≥60

2、粉煤灰：火力发电厂工业副产品。要求所用材料的CaO含量≤15％，Al₂O₃含量≥20％，烧失量≤10％，比表面积≥300m²/kg。

3、矿渣：炼铁厂工业副产品。要求所用材料的比表面积≥300m²/kg。

4、碱性激发剂：由市售的工业碱性物质和市售的水玻璃组成。市售的工业碱性物质，如LiOH、NaOH、KOH、Mg(OH)₂、Ca(OH)₂、CaSO₄、Na₂SO₄、Na₂CO₃、K₂CO₃、NaHCO₃、KHCO₃及它们间的混合物；市售的水玻璃，如钠水玻璃、钾水玻璃及其混合物，要求水玻璃的SiO₂:M₂O≥1.0(M代表Na或K)，固含量≥30％。

5、细集料：如河砂、黄砂、石英砂、陶瓷颗粒等，要求所用材料的细度≤5mm。

6、短纤维：有机、无机或金属短纤维，如钢纤维、玄武岩纤维、陶瓷纤维、碳纤维等金属和非金属耐高温的高强高弹模纤维，要求纤维长度在5-20mm。

有益效果：与国内外同类技术相比，该项成果具有以下特色：掺入纤维为短纤维且掺量较少(体积掺量为0.5％-2％)，相比国外相近产品所用的大掺量(体积掺量为30％-60％)长纤维，其生产工艺简单、制备成本可降低10倍以上；制备工艺为挤压成型，操作简单、质量稳定，适于连续大规模工业化生产，并且通过挤压可明显降低基体的孔隙率、提高纤维与基体之间的界面粘结、获得高强度的基体，同时还可使纤维沿挤压方向定向分布，大幅度地提高基体材料在垂直纤维方向的延性、冲击性能；采用铝硅质废渣(如粉煤灰、硅灰、稻壳灰等)部分或全部取代价格昂贵的偏高岭土，并利用碱性激发技术复合激发铝硅质废渣中SiO₂和Al₂O₃的活性，制备出高强无机铝硅聚合物基体；综合运用上述技术制备出高强、高韧的无机铝硅聚合物基纤维挤压复合材料板。国内外尚无此类产品，各项性能指标均达到或超过国外同类产品，技术经济效益明显。

具体实施方式

结合本发明内容提供以下实施例：

高性能短纤维增强无机硅铝聚合物复合材料是由偏高岭土、活性的无钙硅铝质粉状材料、市售工业碱性物质、市售水玻璃、短纤维、细集料和水按一定比例混合均匀而成，根据应用需要，通过调整发明配方，可以获得所需要的性能。

本发明的制备方法是：(1)按配方比例称取所需的偏高岭土、活性的无钙硅铝质粉状材料、短纤维和细集料等粉料物质，干搅1分钟，使它们均匀地混合在一起；(2)然后按配方比例称取碱性物质、水玻璃和水，将其在容器中混合均匀，静置直至碱性溶液达到室温；(3)将配制好的碱性溶液缓慢加入到混合均匀的粉料，在搅拌机中慢搅3分钟，之后采用高剪切模式高速搅拌1分钟，形成面团状物质；(4)将面团状的浆体喂入到挤压机进料仓内，经挤压机进一步搅拌、排除气泡、挤压密实后，浆体从空心挤压模板内腔被挤出；(5)在挤出的无机聚合物复合材料表面盖一层塑料薄膜以阻止水分的蒸发，24h后将其放到温度为22℃、相对湿度为95％的标养室内养护28天，然后用切割机切成规定尺寸的产品。

实施例1：

偏高岭土          35.7％

粉煤灰            1.0％

矿渣              1.0％

碱性激发剂        9.6％

砂子              54.7％

PVA短纤维         0.02％

上述组分按前述工艺制备得到高性能无机铝硅聚合物复合材料，测得其性能如下：

抗压强度(28天)32.1MPa，抗折强度(28天)5.1MPa

耐高温性能：在800℃下持续2h，强度损失率为30.5％

耐腐蚀性能：在pH＝1的硫酸侵蚀1个月，强度损伤率为15.2％

实施例2：

偏高岭土      35.7％

粉煤灰        1.0％

矿渣          1.0％

碱性激发剂    9.6％

砂子          54.7％

PVA短纤维     0.045％

上述组分按前述工艺制备得到高性能无机铝硅聚合物复合材料，测得其性能如下：

抗压强度(28天)38.5MPa，抗折强度(28天)12.8MPa

耐高温性能：在800℃下持续2h，强度损失率为25.6％

耐腐蚀性能：在pH＝1的硫酸侵蚀1个月，强度损伤率为14.2％

实施例3：

偏高岭土    35.7％

粉煤灰        1.0％

矿渣          1.0％

碱性激发剂    9.6％

砂子          54.6％

PVA短纤维     0.09％

上述组分按前述工艺制备得到高性能无机铝硅聚合物复合材料，测得其性能如下：

抗压强度(28天)41.7MPa，抗折强度(28天)11.7MPa

耐高温性能：在800℃下持续2h，强度损失率为20.2％

耐腐蚀性能：在pH＝1的硫酸侵蚀1个月，强度损伤率为13.7％

实施例4：

偏高岭土      32.1％

粉煤灰        3.6％

矿渣          1.0％

碱性激发剂    8.6％

砂子          50.8％

PVA短纤维     0.09％

上述组分按前述工艺制备得到高性能无机铝硅聚合物复合材料，测得其性能如下：

抗压强度(28天)46.2MPa，抗折强度(28天)15.0MPa

耐高温性能：在800℃下持续2h，强度损失率为16.4％

耐腐蚀性能：在pH＝1的硫酸侵蚀1个月，强度损伤率为11.1％

实施例5：

偏高岭土      25％

粉煤灰        10.7％

矿渣          1.0％

碱性激发剂    6.7％

砂子      48.6％

PVA短纤维 0.09％

上述组分按前述工艺制备得到高性能无机铝硅聚合物复合材料，测得其性能如下：

抗压强度(28天)42.8MPa，抗折强度(28天)10.3MPa

耐高温性能：在800℃下持续2h，强度损失率为22.4％

耐腐蚀性能：在pH＝1的硫酸侵蚀1个月，强度损伤率为12.6％

实施例6：

偏高岭土      17.9％

粉煤灰        17.9％

矿渣          1.0％

碱性激发剂    4.8％

砂子          45.0％

PVA短纤维     0.09％

上述组分按前述工艺制备得到高性能无机铝硅聚合物复合材料，测得其性能如下：

抗压强度(28天)38.7MPa，抗折强度(28天)7.3MPa

耐高温性能：在800℃下持续2h，强度损失率为25.6％

耐腐蚀性能：在pH＝1的硫酸侵蚀1个月，强度损伤率为10.4％

实施例7：

偏高岭土        25％

粉煤灰          1.0％

矿渣            10.7％

碱性激发剂      6.7％

砂子            48.6％

PVA短纤维       0.02％

上述组分按前述工艺制备得到高性能无机铝硅聚合物复合材料，测得其性能如下：

抗压强度(28天)53.7MPa，抗折强度(28天)7.02MPa；

耐高温性能：在800℃下持续2h，强度损失率为28.6％

耐腐蚀性能：在pH＝1的硫酸侵蚀1个月，强度损伤率为10.6％

实施例8：

偏高岭土      17.9％

粉煤灰        1.0％

矿渣          17.9％

碱性激发剂    4.8％

砂子          45.0％

PVA短纤维     0.02％

上述组分按前述工艺制备得到高性能无机铝硅聚合物复合材料，测得其性能如下：

抗压强度(28天)64.1MPa，抗折强度(28天)8.01MPa

耐高温性能：在800℃下持续2h，强度损失率为24.7％

耐腐蚀性能：在pH＝1的硫酸侵蚀1个月，强度损伤率为8.2％

实施例9：

偏高岭土       10.7％

粉煤灰         1.0％

矿渣           25％

碱性激发剂     2.9％

砂子           42.8％

PVA短纤维      0.02％

上述组分按前述工艺制备得到高性能无机铝硅聚合物复合材料，测得其性能如下：

抗压强度(28天)60.2MPa，抗折强度(28天)7.81MPa

耐高温性能：在800℃下持续2h，强度损失率为18.9％

耐腐蚀性能：在pH＝1的硫酸侵蚀1个月，强度损伤率为12.8％

实施例10：

偏高岭土      25％

粉煤灰        1.0％

矿渣          10.7％

碱性激发剂    6.7％

砂子          48.6％

短细钢纤维(长度＝14-15mm，长径比＝60-70)    3.6％

上述组分按前述工艺制备得到高性能无机铝硅聚合物复合材料，测得其性能如下：

抗压强度(28天)53.2MPa，抗折强度(28天)23.9MPa

耐高温性能：在800℃下持续2h，强度损失率为16.4％

耐腐蚀性能：在pH＝1的硫酸侵蚀1个月，强度损伤率为9.8％