分享自:

基于热敏PNIPAM溶液的水泥基材料导热性能研究

期刊:Construction and Building MaterialsDOI:10.1016/j.conbuildmat.2025.141306

该文档属于类型a,即报告了一项原创性研究的学术论文。以下是对该研究的详细介绍:

一、研究作者与发表信息
该研究由Guangxu Ju、Danqian Wang、Yingzi Gu、Weining He、Yiming Niu和Guoxing Sun共同完成,分别来自澳门大学应用物理与材料工程研究所和澳门大学中华医药研究院。研究论文于2025年4月14日发表在期刊《Construction and Building Materials》上,论文标题为“Study on thermal conductivity of cement-based material with thermosensitive PNIPAM solution”。

二、学术背景与研究目的
现代水泥基复合材料在保证强度的同时,需要提升其隔热性能以促进可持续发展。水泥材料的导热性能对建筑舒适性至关重要,低导热性材料能够减缓热量扩散,防止室内温度快速波动。此外,建筑材料在火灾中需要承受高温,延迟结构坍塌为逃生争取时间。因此,研究水泥基复合材料的导热性能具有重要意义。
传统方法通过添加大量外部添加剂来降低水泥的导热性,但会显著影响机械性能。本研究提出了一种创新方法,即通过添加少量热敏性聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)来降低水泥的导热性,同时尽量减少机械性能的损失。PNIPAM在约32°C时发生相变,能够在高温下收缩、低温下膨胀,这种热敏性使其成为降低水泥导热性的理想材料。研究的主要目的是探讨PNIPAM添加量对水泥基材料导热性能的影响,并优化其添加比例。

三、研究流程与实验方法
研究分为多个步骤,详细流程如下:
1. 原材料准备
研究使用符合国家标准(GB 175-2007)的P·I 52.5型硅酸盐水泥,PNIPAM单体(NIPAM)及其他化学试剂(如TEMED和APS)分别从TCI和Aladdin公司购买。所有实验均使用去离子水。
2. PNIPAM溶液的制备
将水泥加入去离子水中搅拌10分钟,然后在0°C冰浴条件下以1000 rpm的转速进行超声和机械搅拌,形成含有氢氧化钙纳米球晶(CNS)的悬浮液。随后,将NIPAM单体、APS引发剂和TEMED加速剂按比例加入悬浮液中,在0°C和0.01 atm的真空环境下进行8小时的自由基聚合,最终得到PNIPAM凝胶,并将其浸泡在水中制备PNIPAM溶液。
3. PNIPAM/水泥(PC)砂浆的制备
将PNIPAM溶液与水泥混合,制备七组不同PNIPAM添加量(0%、0.3%、0.5%、0.7%、1.0%、1.3%和1.5%)的水泥样品,分别命名为PC0、PC0.3、PC0.5、PC0.7、PC1.0、PC1.3和PC1.5。所有样品的水灰比均为0.4。将水泥浆体养护7天和28天后,进行后续表征和性能测试。
4. 表征与性能测试
- 飞行时间二次离子质谱(TOF-SIMS):验证PNIPAM与CNS之间的化学键合。
- 温度演化测试:监测水泥浆体在凝固过程中的温度变化。
- 微观结构分析:使用扫描电子显微镜(SEM)观察水泥样品的微观结构。
- 傅里叶变换红外光谱(FTIR):分析水泥样品的化学成分。
- 热分析:通过差示扫描量热法(DSC)和热重分析(TGA)评估PNIPAM溶液和水泥样品的热性能。
- 流动性测试:根据ASTM C1437-20标准测量水泥浆体的流动性。
- 初凝和终凝时间测试:使用维卡仪测定水泥的初凝和终凝时间。
- 导热性能测试:使用瞬态平面热源法(TPS)测量水泥样品的导热系数。
- 机械性能测试:通过压缩和弯曲实验评估水泥样品的抗压强度和抗弯强度。

四、研究结果
1. PNIPAM的相变行为
PNIPAM在32°C时发生相变,在低温下透明,在高温下变为白色疏水状态。这种相变行为显著降低了水泥的导热性。
2. 导热性能
随着PNIPAM添加量的增加,水泥样品的导热系数显著降低。在40°C时,PC1.5样品的导热系数从1.728 W/m·K降至0.811 W/m·K,降低了53.05%。
3. 水泥水化与微观结构
PNIPAM的添加延迟了水泥的水化过程,导致初凝和终凝时间延长。SEM图像显示,随着PNIPAM添加量的增加,水化产物针状钙矾石(AFt)的含量和长度逐渐增加。
4. 机械性能
PNIPAM的添加导致水泥样品的抗压强度和抗弯强度略有下降。PC1.5样品的28天抗压强度从56.3 MPa降至45.5 MPa,抗弯强度从11.9 MPa降至8.65 MPa。
5. 流动性
PNIPAM溶液的粘度增加了水泥浆体的粘度,导致流动性降低。随着PNIPAM添加量从0.3%增加到1.5%,水泥浆体的扩展直径逐渐减小。

五、结论
研究表明,添加PNIPAM可显著降低水泥基材料的导热性,同时对其机械性能的影响较小。PNIPAM的相变行为在高温下更为显著,进一步增强了其隔热性能。综合考虑导热性能、机械性能和凝固时间,PNIPAM的最佳添加量为1.0%。该研究为开发具有优异隔热性能的水泥基材料提供了新思路,具有重要的科学和应用价值。

六、研究亮点
1. 创新性地将PNIPAM引入水泥基材料中,显著降低了导热性。
2. 通过系统的实验和表征,全面评估了PNIPAM对水泥性能的影响。
3. 提出了PNIPAM的最佳添加量,为实际应用提供了重要参考。
4. 研究结果在建筑材料和能源节约领域具有广泛的应用前景。

七、其他有价值内容
研究还探讨了PNIPAM对水泥水化过程的延迟作用及其微观机制,为理解水泥基材料的性能优化提供了新的视角。此外,研究中使用的高精度表征方法(如TOF-SIMS和DSC)为类似研究提供了技术参考。

上述解读依据用户上传的学术文献,如有不准确或可能侵权之处请联系本站站长:admin@fmread.com