[发明专利]一种基于二相造孔剂体系冷冻塑型技术制备梯度定向多孔水泥的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种多孔水泥的制备方法，具体涉及一种基于二相造孔剂体系冷冻塑型技术制备梯度定向多孔水泥的方法。

背景技术

拥有梯度孔结构分布的多孔材料应用非常广泛，如膜分离领域，催化反应领域、生物支架制备领域以及电化学储能领域。这些材料的特殊性能是由他们内部微孔、介孔及大孔共同决定的。传统意义上制备具有多层次孔结构的方法主要包括溶胶凝胶法，挤压法，牺牲模板法等。尽管这些工艺所得的多孔材料具有很高的开口孔隙率，但是它们无法根据具体要求精确调控孔道结构与形貌，且这些方法操作较为复杂，工艺成本较高。

冷冻塑型法作为一种新兴的制备多孔材料的工艺具有非常突出的特点，它能根据不同的应用需求个性化的“定制”孔道结构。这种工艺制备的多孔材料不仅具有单方向对齐的特征且具有高度联通的三维网络状结构，这使得其具备良好的生物功能性能、渗透性能及力学性能。这项技术将含有造孔剂的混合浆料定向冷冻，然后在特定的低温真空环境中将结晶态造孔剂升华为气态除去，从而获得具有定向孔道结构的多孔材料。因此在很大程度上造孔剂的特性就决定了多孔材料的孔结构特性。以水为造孔剂模板的冷冻塑型工艺制备出的多孔材料具有片层状及树突状形貌(各向异性)特征；以坎烯为造孔剂模板的工艺得到的式样具有细胞网络状结构特征；以叔丁醇为造孔剂模板的技术制备所得的多孔式样具有棱柱状形貌特性(各向同性)。除此之外，研究人员还通过选择不同添加剂如PVA，醋酸锆和蔗糖等物质去调控多孔材料的结构形貌，然而这些外加添加剂并不能直接通过冷冻干燥去除，且一般需要经过后续热处理或者特殊工艺去除，使整个工艺复杂化且对多孔材料的性能产生较大影响。

叔丁醇-水(TBA-H₂O)混合溶液是一种完全互溶体系且在冷冻结晶后表现出各种各样的结晶形态，这使得以这种体系作为造孔剂的冷冻塑型工艺制备所得的多孔材料具有多变可控的孔道结构。水泥是一种高性能且低成本的传统建筑材料，其常温下即可养护成形(水化反应)的特性使其避免了其他无机材料如陶瓷需高温烧结成形所带来的工艺缺陷。截至目前，国内外尚未有关于基于二相造孔剂体系(TBA-H₂O)冷冻塑型技术制备梯度定向多孔水泥材料的公开文献报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工艺简单、成本低廉，无需后处理且能够根据不同应用需求定制孔道结构的梯度定向多孔水泥材料的制备方法，解决了传统无机多孔材料(如陶瓷、沸石等)制备工艺复杂、需高温热处理的问题，进一步拓宽了传统建筑材料——水泥的潜在应用范围。

一种具有梯度定向多孔水泥材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)基于二相造孔剂体系的水泥混合浆料制备：按照质量百分比，称取29％～59％的水泥粉体，40％～70％的二相造孔剂体系,1％的分散剂及粘结剂混合体系。首先将分散剂及粘结剂混合体系加入到二相造孔剂体系中，机械搅拌1h～4h，得到混合均匀的有机混合物，然后将其与水泥粉体一起放入球磨机中球磨混合12h～48h，真空除气后得到均匀分散的水泥基浆料；

作为优选，所述水泥粉体为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥中任意一种，其选择依据是：

①水泥具有合理的颗粒级配；

②水泥具有较好的体积安定性及强度；

③水泥浆料具有较好的流变性；

作为优选，所述二相造孔剂体系为不同配比的水与叔丁醇完全混合溶液，其选择依据是：

①二相造孔剂体系能够在低温下形成不同形态的晶体，进而获得不同孔道结构的式样；

②二相造孔剂体系能够被完全除去；

作为优选，所述分散剂为聚乙烯吡咯烷酮、阿拉伯树胶、聚丙烯酸铵、铵聚碳酸酯、聚乙二醇和聚丙烯酸钠中任意一种，其选择依据是：

①分散剂使水泥基浆料均匀分散，防止水泥颗粒沉降和凝聚；

②分散剂在冷冻塑型过程中不影响二相造孔剂体系晶体的形成与生长；

③分散剂能够被除去；

作为优选，所述粘结剂为乙基纤维素、聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯醇、聚乙烯和羧甲基纤维素钠中任意一种，其选择依据是：

①粘结剂能够溶于水泥基浆料并改善其流变性；

②粘结剂能够提升多孔素坯的强度；

③粘结剂在冷冻塑型过程中不影响二相造孔剂体系冰晶的形成与生长；

④粘结剂能够被除去；

作为优选，所述分散剂与粘结剂的配比为1:1～1:3；