[发明专利]一种用于水泥基材料自修复的聚丙烯酰胺类凝胶微粒的制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种用于水泥基材料自修复的聚丙烯酰胺类凝胶微粒，其制备方法的主要步骤如下：（1）配制pH为6~8的磷酸盐缓冲溶液作为磷酸盐的前驱体溶液；（2）以上述磷酸盐缓冲溶液作为水相，环己烷等作为油相，以丙烯酰胺作为单体，在乳化剂、交联剂、引发剂存在的条件下，采用反相乳液聚合的方法制备负载磷酸盐的聚丙烯酰胺类凝胶微粒，即为用于水泥基材料自修复的聚丙烯酰胺类凝胶微粒。本发明中的负载磷酸盐的聚丙烯酰胺类凝胶微粒具有可控释放的能力，当外界环境发生变化时，如遇水时，可响应外界变化，从而释放出修复剂。该方法制作工艺简单且能批量生产，生成的凝胶微粒可直接应用于水泥基材料，无需后期处理。

技术领域

本发明属于高分子材料和水泥基材料领域，具体涉及一种用于水泥基材料自修复的聚丙烯酰胺类凝胶微粒的制备方法和应用。

背景技术

水泥基材料是世界上应用最广泛的材料之一，但是其在使用过程中受力时容易产生微裂缝。微裂缝易使氯离子等有害化学物质进入水泥基质从而加速水泥基材的降解，使建筑存在结构坍塌的风险。裂缝产生后，需要通过修复裂缝、维护建筑来有效地延长建筑的使用寿命。然而，当建筑处于连续服务中时，传统的修复技术通常存在周期较长、价格昂贵且修复不彻底等缺点。因此水泥自修复技术以其独特的优势成为了一种极具发展前景的修复方法，尤其是对一些可持续性要求高且传统修复方法难以实施的基础设施或沿海军事设施，例如海底建筑、核电站和地下建筑等特殊环境下的建筑(Wang J,Mignon A,Trenson G,et al.A chitosan based pH-responsive hydrogel for encapsulation of bacteriafor self-sealing concrete[J].Cement and Concrete Composites.2018,93:309-322.)。

自修复水泥基材料是一种能够进行自我结构修复的智能材料，当水泥基材料结构内部产生微裂缝时，提前加入基体内的特殊组分在各种破坏作用下释放修复材料，修复并阻止裂缝进一步扩展。目前，用于水泥基材料自修复的特殊组分主要有：(1)液芯光纤/纤维，其修复过程是先将修复材料封装在中空纤维或玻璃管中，再将其预埋入水泥基材料基体中，当水泥基材料基体在使用过程中出现微裂缝时，在外力的作用下纤维或玻璃管破裂，其内部所封装的修复材料流出，渗入到水泥基材料裂缝中从而修复裂缝。例如：Lark R等人将含有氰基丙烯酸酯胶黏剂的玻璃毛细管预埋于水泥基材料中。当水泥基材料开裂时，氰基丙烯酸酯胶黏剂从玻璃毛细管流出并填充到裂缝中，然后在水和碱性物质的催化下发生阴离子聚合而固化，从而修补裂缝。研究结果表明，低粘度的单一修复剂氰基丙烯酸酯胶黏剂的修复效果更好，这是因为低粘度的单一修复剂流动性更好，可以更加充分地填充裂缝(Lark R,Joseph C,Isaacs B,et al.Experimental investigation of adhesive-basedself-healing of cementitious materials[J].Magazine of Concrete Research,2010,62(11):831-843.)。(2)微胶囊，其修复过程与液芯光纤/纤维类似，把修复剂作为囊芯封存在微胶囊的囊壁内部，在外界物理或者化学环境刺激下囊壁破裂，内部的囊芯材料释放出来从而修复裂缝。例如：戴民等以脲醛树脂作为微胶囊囊壁、环氧树脂E-44作为微胶囊囊芯，采用原位复合法分两步合成得到微胶囊。当产生裂缝时，微胶囊破裂释放修复材料，然后填补裂缝。研究结果表明，在50％预压荷载作用下，4％的微胶囊和相应比例的固化剂可使砂浆获得最大的自修复强度。(戴民,王飏,张静娟.微胶囊自修复砂浆的试验研究[J].硅酸盐通报,2018,v.37；No.259(04):163-168.)。(3)微生物，其基本原理是将能够诱导碳酸钙晶体沉积的微生物预埋入水泥基材料基体，此时微生物处于休眠状态，当微裂缝产生后，水泥基材料内部氧气和湿度发生改变，微生物被激活并通过生物矿化作用生成矿物沉淀，填补裂纹修复基体，防止水和其他化学物质进一步侵入。例如：JY Wang等人利用三嵌段聚合物凝胶聚-(环氧乙烷-环氧丙烷-环氧乙烷)(PEO-PPO-PEO)包埋球形芽孢杆菌用于水泥基材料裂缝自修复。通过芽孢杆菌代谢产生的二氧化碳与水泥基材料中的氢氧化钙反应生成的碳酸钙沉淀修补裂缝。结果表明，聚合物凝胶的多孔结构和水环境有利于提高细菌的存活率。含负载芽孢杆菌凝胶胶囊的水泥基材料最大愈合裂缝宽度约为500μm，水渗透率平均下降了68％(Wang J Y,Snoeck D,Van Vlierberghe S,et al.Application ofhydrogel encapsulated carbonate precipitating bacteria for approaching arealistic self-healing in concrete[J].Construction and BuildingMaterials.2014,68:110-119.)。