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天然石膏凝胶材料可加工性强,赋形性及装饰性良好,具备一定的防火、保温隔热性,水化凝结后略微膨胀体积稳定,同时具有很好的透气性、抗震性,对环境友好,可循环利用。因此天然石膏广泛应用于建材工业、化工工业、艺术、医药等领域。另一方面天然石膏制品的防水性及耐水性很差,在潮湿环境中易吸水导致表面硬度降低,严重时还会出现松散、脱皮等现象,使天然石膏制品的应用受到很大的限制。市场上的石膏防水剂品种很多,内掺到石膏胶凝材料中制备的石膏制品防水性能得到极大的提高,但同时强度损失严重。本论文针对天然石膏制品防水性差及添加甲基硅酸类有机硅防水剂后出现的强度大幅降低这一问题,在实验室前期工作基础上,采用水溶液聚合法,以过硫酸钾(K2S2O8)为引发剂,苯乙烯(St)、甲基丙烯酸甲酯(MMA)为单体,通过正交实验将单体接枝到甲基硅酸钠防水剂分子结构上,合成一种新型石膏专用有机硅防水剂(即:甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯增强型石膏防水剂,简称增强型石膏防水剂)。研究得到较优合成工艺条件,并进行验证实验确定其稳定性。将制备的增强型石膏防水剂内掺入天然石膏凝胶材料中制样,对样品进行吸水率、绝干抗折强度等性能测试,同时对其断面以扫描电镜进行微观形貌分析,硬化体粉末进行XRD分析,对增强型石膏防水剂进行红外光谱分析,推测其分子结构,并对其作用机理进行初步探讨。研究主要结论如下:1、实验室条件下制备得到的增强型石膏防水剂。(a)RGW添加量为1.25%条件下,测2h、24h吸水率,得到聚合反应的较优工艺条件均为:甲基硅酸钠:甲基丙烯酸甲酯:苯乙烯=1:0.16:0.04(mol:mol:mol);引发剂用量为2.1%(占单体的wt%);反应温度为80℃;反应时间为5h。(b)RGW添加量为1.50%条件下,测2h吸水率,得到聚合反应的较优工艺条件为:甲基硅酸钠:甲基丙烯酸甲酯:苯乙烯=1:0.08:0.02(mol:mol:mol);引发剂用量为2.1%(占单体的wt%);反应温度为90℃;反应时间为5.5h。24h吸水率正交实验的较优工艺条件除甲基硅酸钠:甲基丙烯酸甲酯:苯乙烯=1:0.16:0.04(mol:mol:mol)外,其他均与2h最小吸水率工艺参数一致。2、实验室条件下制备得到的RGW添加量为1.25%时,石膏样品绝干抗折强度的较优工艺条件为:甲基硅酸钠:MMA:St=1:0.1:0.41(mol:mol:mol),引发剂用量为0.9%(占单体的wt%),反应温度为75℃,反应时间为5.5h。RGW添加量为1.50%时,石膏样品绝干抗折强度较优工艺条件除甲基硅酸钠:MMA:St(mol:mol:mol)=l:0.125:0.375 外,其它均与 RGW 添加量为 1.25%时一致。3、依目前行业标准在正交实验中筛选出抗折强度高于4MPa、2h吸水率低于3.5%、24h吸水率低于10%的实验方案。增强型石膏防水剂添加量为1.25%时筛选结果为30组和45组,30组工艺参数为:甲基硅酸钠:MMA:St=1:0.1:0.41(mol:mol:mol),引发剂用量为1.3%(占单体的wt%),反应温度为85 ℃,反应时间为5.5h,45组工艺参数为:甲基硅酸钠:MMA:St=1:0.17:0.43(mol:mol:mol),引发剂用量为0.9%(占单体的wt%),反应温度为90℃,反应时间为5.5h;增强型石膏防水剂添加量为1.50%时筛选结果为28组,工艺参数为:甲基硅酸钠:MMA:St =1:0.14:0.26(mol:mol:mol),引发剂用量为 0.7%(占单体的wt%),反应温度为75℃,反应时间为8h。上述优方案制备的石膏样防水性和绝干抗折强度均优于市售产品。4、SEM及XRD分析表明,在天然石膏凝胶材料中添加增强型石膏防水剂并不影响天然石膏晶体化学组成,而是一定程度上抑制了二水石膏晶体c轴方向的生长,使水化后形成的二水石膏晶体明显粗化,大部分呈柱状。其中,防水效果较好的二水石膏晶体相互搭接紧密,晶体尺寸均一,生长方向无序;抗折强度较好的二水石膏晶体搭接密实,晶体尺寸不一,晶体间形成的孔隙、孔道稍多。天然石膏凝胶材料水化形成的硬化体防水效果较空白样品均大幅提高,二水石膏晶体粗化程度越高,对抗折强度越有利。5、增强型石膏防水剂分子结构分析认为,甲基丙烯酸甲酯及苯乙烯中的双键均打开,接枝到Si-O-Si疏水网络结构上,酯基碱性条件下水化并接枝到疏水网络上。因此Si-O-Si疏水网络结构上含有甲基(-CH3)、乙苯(-CH2CH2C6H5)、酯基(-COO-)、乙基(-CH2CH3)等基团。这些基团朝向疏水网络结构外侧,烷基通过原子间静电斥力达到良好的防水效果,酯基与基材之间的范德华力增加了疏水网络与石膏基材的附着力,苯基等基团存在的空间位阻效应改善了疏水网络的强度、抗剪切力等性能。同时,这些基团向疏水网络结构外侧舒展,并不会阻塞石膏硬化体孔道,保持了石膏基材特有的透气性。