[发明专利]聚合物/黏土纳米复合材料及制备方法和纳米GFRP复合材料

说明书

[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。

1）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。