聚脲气凝胶的制备及其对轻质复合砂浆的影响

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.240319

摘要/Abstract

摘要：

通过六亚甲基二异氰酸酯型聚异氰酸酯（PHDI）分别与4，4'-二氨基二苯甲烷（MDA）和4，4'-二氨基二苯基醚（ODA）反应制备聚脲（PUA）气凝胶（MDA-PUA、ODA-PUA）。 MDA-PUA气凝胶具有较低的线性收缩率和较高的孔隙率，压缩模量为11.4 MPa，导热系数为0.020 W/（m·K）。 MDA-PUA气凝胶的初始分解温度为321 ℃，残炭率为19.3%。优选MDA-PUA气凝胶等体积取代砂制成复合砂浆。当气凝胶的掺杂体积分数高于30%时，砂浆可以达到轻质标准，导热系数可降低至0.097 W/（m·K），比纯砂浆低94.2%，气凝胶使轻质砂浆具有优异的保温性能。砂浆的抗折强度和抗压强度随着气凝胶用量的增加而降低，但轻质砂浆的28 d抗压强度仍可以满足轻骨料混凝土CL5-CL40级的使用要求。

关键词: 聚脲气凝胶, 轻质砂浆, 导热系数, 抗压强度

Abstract:

Polyurea （PUA） aerogels were prepared by the reaction of polyhexamethylene diisocyanate （PHDI） with 4，4'-diaminodiphenyl methane （MDA） and 4，4'-diaminodiphenyl ether （ODA）， respectively. MDA-PUA aerogel has lower linear shrinkage and higher porosity， with a compression modulus of 11.4 MPa and a thermal conductivity of 0.020 W/（m·K）. The initial decomposition temperature of MDA-PUA aerogel is 321 ℃， and the carbon residue rate is 19.3%. MDA-PUA aerogel is preferred to replace sand in equal volume to make composite mortar. When the volume fraction of aerogel is higher than 30%， the mortar can reach the lightweight standard， and the thermal conductivity can be reduced to 0.097 W/（m·K）， 94.2% lower than that of pure mortar. Aerogel enables lightweight mortar to have excellent thermal insulation performance. The flexural strength and compressive strength of mortar decrease with the increase of the amount of aerogel， but the 28 d compressive strength of lightweight mortar can still meet the requirements of CL5-CL40 grade of lightweight aggregate concrete.

Key words: Polyurea aerogels, Lightweight mortar, Thermal conductivity, Compressive strength

中图分类号:

O631.5

罗玉梅, 周昀, 周易, 邵雅菲. 聚脲气凝胶的制备及其对轻质复合砂浆的影响[J]. 应用化学, 2025, 42(2): 238-248.

Yu-Mei LUO, Yun ZHOU, Yi ZHOU, Ya-Fei SHAO. Preparation of Polyurea Aerogels and the Effect on Lightweight Composite Mortar[J]. Chinese Journal of Applied Chemistry, 2025, 42(2): 238-248.

图/表 12

图示1 PUA气凝胶的合成

表1 PUA气凝胶复合砂浆实验配方

Table 1 Experimental formula of PUA aerogel composite mortar

No.	m（water）/m（cement）	φ（aerogel）/%	φ（sand）/%
1	0.4	0	60
2	0.4	10	50
3	0.4	20	40
4	0.4	30	30
5	0.4	40	20
6	0.4	50	10
7	0.4	60	0

图1 不同PUA质量分数下MDA-PUA气凝胶和ODA-PUA气凝胶的线收缩率（A）、表观密度（B）和孔隙率（C）

Fig.1 Linear shrinkage （A）， apparent density （B） and porosity （C） of MDA-PUA aerogels and ODA-PUA aerogels made with different mass fractions of PUA

图2 MDA-PUA气凝胶（a）和ODA-PUA气凝胶（b）的FT-IR谱图

Fig.2 FT-IR spectra of MDA-PUA aerogel （a） and ODA-PUA aerogel （b）

图3 （A） MDA-PUA-5%、（B） MDA-PUA-10%、（C） MDA-PUA-15%、（D） ODA-PUA-5%、（E） ODA-PUA-10%和（F） ODA-PUA-15%气凝胶的微观形貌

Fig.3 Microstructure of （A） MDA-PUA-5%，（B） MDA-PUA-10%，（C） MDA-PUA-15%，（D） ODA-PUA-5%，（E） ODA-PUA-10% and （F） ODA-PUA-15%

图4 不同PUA质量分数下MDA-PUA（A）和ODA-PUA（B）气凝胶的压缩应力-应变曲线

Fig.4 Compressive stress-strain curves of MDA-PUA （A） and ODA-PUA （B） aerogels made with different mass fractions of PUA

图5 不同PUA质量分数下MDA-PUA和ODA-PUA气凝胶的压缩模量

Fig.5 Compressive modulus of MDA-PUA and ODA-PUA aerogels made with different mass fractions of PUA

图6 不同PUA质量分数下MDA-PUA和ODA-PUA气凝胶的导热系数

Fig.6 Thermal conductivity of MDA-PUA and ODA-PUA aerogels made with different mass fractions of PUA

图7 MDA-PUA-10%和ODA-PUA-10%的TG和DTG曲线

Fig.7 TG and DTG curves of MDA-PUA-10% and ODA-PUA-10%

图8 MDA-PUA气凝胶掺杂体积分数对轻质复合砂浆干表观密度的影响

Fig.8 Influence of MDA-PUA aerogel volume content on dry apparent density of lightweight composite mortar

图9 MDA-PUA气凝胶掺杂体积分数对轻质复合砂浆导热系数的影响

Fig.9 Influence of MDA-PUA aerogel volume content on thermal conductivity of lightweight composite mortar

图10 MDA-PUA气凝胶掺杂体积分数对轻质复合砂浆抗折强度（A）和抗压强度（B）的影响

Fig.10 Influence of MDA-PUA aerogel volume content on flexural strength （A） and compressive strength （B） of lightweight composite mortar

参考文献 32

1	梁志远，牛云辉，吕淑珍，等. 丙烯酸乳液改性玻化微珠保温砂浆性能与孔结构研究［J］.新型建筑材料， 2022， 49（6）： 46-50.
	LIANG Z Y， NIU Y H， LV S Z， et al. Study on properties and pore structure of latex modified vitrified microsphere thermal insulation mortar［J］. New Build Mater， 2022， 49（6）： 46-50.
2	耿旗辉，侯东帅，王鑫鹏，等. 利用膨胀珍珠岩制备超高性能轻及次轻骨料混凝土［J］. 青岛理工大学学报， 2022， 43（2）： 11-18.
	GENG Q H， HOU D S， WANG X P， et al. The preparation of ultra-high performance lightweight and semi-lightweight aggregate concrete with expanded perlite［J］. J Qingdao Univ Technol， 2022， 43（2）： 11-18.
3	汤劲松，曾桢. 聚苯乙烯泡沫塑料保温材料的研究进展［J］. 合成树脂及塑料， 2021， 38（2）： 85-88.
	TANG J S， ZENG Z. Research progress of polystyrene foam thermal insulation materials［J］. China Synth Resin Plast， 2021， 38（2）： 85-88.
4	史俊杰，史哲航，李红周. 磷系阻燃剂插层镁铝型水滑石复合物的制备及其在热塑性聚氨酯中的阻燃应用［J］. 应用化学， 2023， 40（9）： 1288-1301.
	SHI J J， SHI Z H， LI H Z. Preparation of magnesium aluminum-type hydrotalcite compounds intercalated with phosphorus flame retardants and their flame retardant application in thermoplastic polyurethane［J］. Chin J Appl Chem， 2023， 40（9）： 1288-1301.
5	IDUMAH C I， EZIKA A C， OKPECHI V U. Emerging trends in polymer aerogel nanoarchitectures， surfaces， interfaces and applications［J］. Surf Interfaces， 2021， 25： 101258.
6	ADHIKARY S K， ASHISH D K， RUDZIONIS Z. Aerogel based thermal insulating cementitious composites： a review［J］. Energy Build， 2021， 245： 111058.
7	KIM S， SEO J， CHA J， et al. Chemical retreating for gel-typed aerogel and insulation performance of cement containing aerogel［J］. Constr Build Mater， 2013， 40： 501-505.
8	GAO T， JELLE B P， GUSTAVSEN A， et al. Aerogel-incorporated concrete： an experimental study［J］. Constr Build Mater， 2014， 52： 130-136.
9	张明灿. 二氧化硅气凝胶制备建筑保温隔热材料［J］. 中国建材科技， 2012， 21（5）： 31-34.
	ZHANG M C. Preparation of thermal insulation block using in building by silica aerogel［J］. China Build Mater Sci Technol， 2012， 21（5）： 31-34.
10	路珏，蒋俊，卢忠远，等. 气凝胶-水泥复合多孔材料的孔结构与硬化性能［J］. 混凝土与水泥制品， 2020（9）： 11-15.
	LU Y， JIANG J， LU Z Y， et al. Study on pore structure characterization and hardened properties of aerogel-cement porous composites［J］. China Concr Cem Prod， 2020（9）： 11-15.
11	FICKLER S， MILOW B， RATKE L， et al. Development of high performance aerogel concrete［J］. Energy Procedia， 2015， 78： 406-411.
12	NG S， JELLE B P， SANDBERG L， et al. Experimental investigations of aerogel-incorporated ultra-high performance concrete［J］. Constr Build Mater， 2015， 77： 307-316.
13	WEIGOLD L， MOHITE D P， MAHADIK-KHANOLKAR S， et al. Correlation of microstructure and thermal conductivity in nanoporous solids： the case of polyurea aerogels synthesized from an aliphatic tri-isocyanate and water［J］. J Non-Cryst Solids， 2013， 368： 105-111.
14	MALAKOOTI S， CHURU H G， LEE A， et al. Sound transmission loss enhancement in an inorganic-organic laminated wall panel using multifunctional low-density nanoporous polyurea aerogels： experiment and modeling［J］. Adv Eng Mater， 2018， 20（6）： 1700937.
15	PRICE M A， ASLAM T D， QUIRK J J， et al. Analysis of steady compaction waves in polyurea aerogel［J］. AIP Conf Proc， 2018， 1979（1）： 110016.
16	WHITWORTH N， LAMBOURN B， CHAU R， et al. A single-phase analytic equation of state for solid polyurea and polyurea aerogels［J］. AIP Conf Proc， 2018， 1979（1）： 30007.
17	PACHECO A H， GUSTAVSEN R L， ASLAM T D， et al. Hugoniot based equation of state for solid polyurea and polyurea aerogels［J］. AIP Conf Proc， 2017， 1793（1）： 120029.
18	罗玉梅. 耐温绝热硬质聚氨酯泡沫塑料的制备和性能研究［D］. 成都：西南石油大学， 2018.
	LUO Y M. Preparation and properties of rigid polyurethane foam plastics with thermal resistance and heat insulation performance［D］. Chengdu： Southwest Petroleum University， 2018.
19	李洁，孙华建，曾佳，等. 潮气固化聚脲树脂的制备与力学性能研究［J］. 西北师范大学学报（自然科学版）， 2024， 60（5）： 20-24.
	LI J， SUN H J， ZENG J， et al. Preparation and mechanical performance of moisture cured polyurea resin［J］. J Northwest Norm Univ （Nat Sci Ed）， 2024， 60（5）： 20-24.
20	WU X，WU Y， ZOU W， et al. Synthesis of highly cross-linked uniform polyurea aerogels［J］. J Supercrit Fluids， 2019， 151： 8-14.
21	PATRINA P， IRINA S， TAMARA A， et al. Polyurea-crosslinked biopolymer aerogel beads［J］. RSC Adv， 2020， 10（67）： 40843-40852.
22	LEVENTIS N， SOTIRIOU-LEVENTIS C， CHANDRASEKARAN N， et al. Multifunctional polyurea aerogels from isocyanates and water. a structure-property case study［J］. Chem Mater， 2010， 22（24）： 6692-6710.
23	曹路晴，乔扬，谢晶，等. 石墨烯气凝胶的压缩力学性能研究［J］. 兵工学报， 2024， 45（7）： 2364-2373.
	CAO L Q， QIAO Y， XIE J， et al. Study on compressive mechanical properties of graphene aerogel［J］. Acta Armamentarii， 2024， 45（7）： 2364-2373.
24	LEE K J， GOULD L G， RHINE W. Polyurea based aerogel for a high performance thermal insulation material［J］. J Sol Gel Sci Technol， 2009， 49（2）： 209-220.
25	WEIGOLD L， MOHITE P D， MAHADIK-KHANOLKAR S， et al. Correlation of microstructure and thermal conductivity in nanoporous solids： the case of polyurea aerogels synthesized from an aliphatic tri-isocyanate and water［J］. J Non-Cryst Solids， 2013， 368： 105-111.
26	AWAD W H， WILKIE C A. Investigation of the thermal degradation of polyurea： the effect of ammonium polyphosphate and expandable graphite［J］. Polymer， 2010， 51（11）： 2277-2285.
27	LUO Y M， YE Z B， YAN J. Effects of high functionality polyol on the structure and properties of rigid polyurethane foam［J］. Plast Rubber Compos， 2022， 51（3）： 154-161.
28	DIAMOND S. Mercury porosimetry： an inappropriate method for measurement of pore size distributions in cement-based materials［J］. Cem Concr Res， 2000， 30（10）： 1517-1525.
29	KUMAR R， BHATTACHARJEE B. Study on some factors affecting the results in the use of MIP method in concrete research［J］. Cem Concr Res， 2003， 33（3）： 417-424.
30	SANG G， ZHU Y， YANG G， ZHANG H. Preparation and characterization of high porosity cement-based foam material［J］. Constr Build Mater， 2015， 91： 133-137.
31	MARANHÃO F L， LOH K， JOHN V M. The influence of moisture on the deformability of cement-polymer adhesive mortar［J］. Constr Build Mater， 2011， 25（6）： 2948-2954.
32	RASHIDDADASH P， RAMEZANIANPOUR A A， MAHDIKHANI M. Experimental investigation on flexural toughness of hybrid fiber reinforced concrete （HFRC） containing metakaolin and pumice［J］. Constr Build Mater， 2014， 51（1）： 313-320.

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[1]	何玉芳, 颜品萍, 黄宝铨, 罗富彬, 李红周, 钱庆荣, 陈庆华. 聚乙二醇/氮化硼复合材料相变导热性能及其结晶行为[J]. 应用化学, 2020, 37(6): 650-657.
[2]	杨孟林, 齐智涛, 畅柱国, 胡凌云. 甘油-水溶液导热系数和浓度的快速测定[J]. 应用化学, 2002, 19(8): 786-788.
[3]	谢红卫, 李滨耀. 酞侧基聚芳醚酮的热学性能[J]. 应用化学, 1996, 0(6): 95-97.