磷酸基地聚合物多孔材料的制备及性能研究

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无机泡沫材料在火灾环境下不易燃烧,可作为水泥混凝土保护层良好的替代品。地聚合物因环保、优越的高温稳定性和力学性能而受到广泛关注,尤其是酸基地聚合物。其中磷酸基地聚合物多孔材料不仅继承了酸性地聚合物的优点,而且由于存在大量的孔隙,在很大程度上降低了导热系数和自重,有利于在耐火方面的应用。因此本论文以偏高岭土和磷酸为原料,过氧化氢为发泡剂,制备了磷酸基地聚合物多孔材料,并在此基础上探讨了液固比以及二氧化锰对磷酸基地聚合物多孔材料的性能优化效果,同时,对不同纤维以及纤维掺量的变化对磷酸基地聚合物多孔材料的性能增强效果进行了探究,为其在安全工程领域的应用提供了理论与实验基础。本论文对不同过氧化氢掺量制备的磷酸基地聚合物多孔材料的物理性能和耐火性能进行了研究,明确了过氧化氢酸性条件下作为发泡剂制备磷酸基地聚合物多孔材料的效果。研究表明,过氧化氢的掺量变化影响了浆体中生成气泡的数量,导致孔结构发生改变并引起磷酸基地聚合物多孔材料性能的变化。在2-3.5%的掺量下,样品抗压强度最高达1.7 MPa,导热系数均低于0.2 W/(m·K)。且经过2 h耐火测试,其背面温度均保持在220°C左右。矿物相及微观形貌分析表明,样品经耐火测试后,无定型的凝胶相转变为方石英和磷酸铝相。为优化样品的孔结构,本论文对液固比的调整和二氧化锰的掺入进行了研究,并结合物理性能、耐火性能、矿物相及微观形貌分析探讨了两者对磷酸基地聚合物多孔材料性能的优化效果。结果表明,液固比和二氧化锰分别通过改变浆体的粘稠度和过氧化氢的发泡速率影响气泡在浆体中的存留状态从而改善孔结构并实现磷酸基地聚合物多孔材料性能的优化。在液固比为1.66和1.71时样品表现出较低的导热系数和较高的强度,分别为0.18 W/(m·K)和2.7 MPa左右。在此基础上,二氧化锰掺量为0.1%时,样品导热系数降低到0.17 W/(m·K),强度依然保持2.09 MPa。经过3小时的耐火测试,液固比为1.71以及0.1%的二氧化锰掺量下样品的背面温度均保持在260°C左右。同时,二氧化锰的掺入在样品中引入了锰元素,生成了磷酸锰相,但并未对耐火后样品的物相变化产生影响。为进一步增强磷酸基地聚合物多孔材料的性能,本论文通过物理性能、耐火性能、形貌分析以及物相变化探讨了玄武岩纤维和玻璃纤维的掺入对样品的增强效果。结果表明,玄武岩纤维和玻璃纤维的添加均可增强其性能,保持样品的完整性。在玄武岩掺量为0.5%,玻璃纤维掺量为1.33%时,抗折强度值分别由0.6867 MPa提升到0.7867MPa和0.825 MPa。经过3小时的耐火测试,在0.75%玄武岩纤维掺量和1.33%玻璃纤维掺量下,样品的背面温度较未添加纤维样降低了20°C左右,且耐火后样品表面裂隙明显减少并消失。其中,玻璃纤维由于更好的分散性其增强效果更佳。微观形貌分析表明,纤维被凝胶相所包裹,将在样品中发挥其桥接作用和对裂纹的偏转能力,实现磷酸基地聚合物多孔材料性能的增强。因此,过氧化氢作为发泡剂可成功的制备出磷酸基地聚合物多孔材料,且适当增大液固比与添加纤维可有效增强优化其性能,提升其在耐火方面应用的潜力。
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