自修复有机-无机杂化防水材料的设计开题报告

1. 研究目的与意义

研究背景：防水卷材起源于20世纪40年代欧洲，20世纪60年代我国才开始沥青纸胎油毡的生产和应用，其抗拉能力低，弹性差，易腐烂，且受高低温影响严重，极易造成断裂、开裂及流淌现象，导致防水层渗漏，属于被淘汰产品。后期采用玻纤布、玻纤毡、黄麻毡、铝箔等胎体材料替代纸胎，卷材的抗拉能力有所提高，但由于沥青材料的低温柔性差，温度敏感性强，在大气下容易老化，耐防水耐用年限短等问题日益突出。80年代末90年代初，我国开始引进国外先进设备与技术，生产高聚物改性沥青防水卷材，如sbs、app改性沥青防水卷材。同时期随着我国三元乙丙橡胶生产技术的引进，以及聚乙烯、氯化聚乙烯、聚氯乙烯卷材生产工艺的成功研发，我国合成高分子防水卷材得到较大发展，出现了三元乙丙防水卷材、聚乙烯丙纶防水卷材、氯化聚乙烯、氯化聚乙烯-橡胶共混防水卷材以及聚氯乙烯防水卷材等诸多品种，防水材料的耐老化性能进一步提高。20世纪90年代后半期，自粘型防水卷材和预铺湿铺防水卷材等新型防水材料被先后开发出来。防水材料在大范围应用同时也伴随着自然环境、灾难破坏、人为因素的作用而引起诸多病害，而开裂问题是这些灾害中最严重的也是急需要解决的问题。虽然经过一百多年的发展，防水材料的材料性能、制备工艺、应用范围都有了很大的提高，但防水材料的一些固有缺陷可能会导致各种各样的裂缝，比如温度变化、湿度变化、收缩、膨胀、不均匀沉陷、外荷载等。产生的这些裂缝将会极大的影响防水材料的抗渗性能和力学性能。如果裂缝不能及时得到修补，外部条件会是裂缝的范围增大，甚至形成大量的货通缝，严重的会使建筑物倒場，酿成重大故。近几十年来，内外许多专家学者一在研究防水材料裂缝修复的方法，虽然取得了一定的效果，但这种修复的思路更倾向于事后维修。但事后维修也有一定的局限性，当损害部位比较明显，防水材料应用量比较小时，这种方法可以取得比较好的效果，随着防水材料大量的应用，对于结构复杂，体积庞大的工程后期修补就不再实用，而随之而来的就有了自修复的概念。自修复是一种主动的修复技术，它可以依靠己的力量将裂缝修复，而不需要人为的修补。目前这种技术主要存在问题：（1）防水材料的裂缝自修复原理尚未完全得到确认。虽然有些结构设计中考虑了防水材料裂缝的自愈合特性，但是，对裂缝自愈合的机理及其影响因素还未能深入掌握。对已经开发出的自愈合材料，还需进一步研究水介质作用下裂缝自愈合的形成条件、物理化学动因以及激发愈合的动力学。（2）许多防水材料的裂缝自修复技术还很不成熟。尽管自修复技术已经应用于包括大坝工程在内的许多防水材料工程中，但是防水材料的裂缝自修复技术则基本上还处于试验探索阶段，尚未取得实质进展。目前仿生自愈合法也还存在许多问题需要解决。因此在加强防水材料裂缝自愈合机理研究的同时，还必须加强工艺技术的研究。（3）加强核心关键技术的开发研究。防水材料以其优异的性能受到了国内外用户的青睐。这种新型防水材料产品中所含的活性化学物质依靠进口或不具有核心专利技术，导致这些产品价格较高，严重制约了这一高新技术成果在我国的应用。因此，研发具有自主知识产权的核心关键技术十分必要。（4）研究防水材料裂缝自修复的评价和检测手段。正确评估和检测防水材料裂缝自修复的效果，将对自修复技术的推广应用有很大帮助。

目的及意义：随着我国经济的快速发展，防水材料作为最重要的建筑材料，它的用量也逐渐的增长，而对防水材料的维修量和难度也在变大，仅仅是事后修补的这种修复方式已经不能满足这个时代和社会的需求，所以对防水材料的自修复研究就显得越来越重要。因此研究和开发对损伤部位有自修复功能的新型防水材料已成为当代建筑材料发展的趋势，对于我在快速发展的建筑行业有着重大的意义。

2. 研究内容和预期目标

研究内容：

（1）设计自修复高分子材料体系，引入高吸水树脂、交换反应自修复、多相结构等多种修复机理，提高高分子防水材料的自修复性能。例如，尝试以丙烯酸(aa)、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(amps)、二烯丙基二甲基氯化铵(dadmac)为单体合成高吸水树脂(sar)。利用疏水单体如丙烯酸丁酯(ba)对高吸水树脂进行改性，并接枝聚氨酯(pu)制备自修复材料，改善综合力学性能、吸水性能及耐盐性能；

（2）开发有机-无机复合自修复防水材料。合成微胶囊包覆kh570（或聚硅氧烷、甲基乙烯基二丁酮肟基硅烷）/催化剂/吸水性pu/无机填料/塑料增强体系。其中，无机填料包括笼型聚倍半硅氧烷（poss）、类水滑石等，部分催化剂和无机填料通过固废自制。

3. 研究的方法与步骤

研究步骤：

第一步：

在烧瓶中加入一定量环己烷、分散剂span80、交联剂n n，_亚甲基双丙烯酰胺、引发剂过硫酸钾和单体aa(中和度80％)、amps、dmdaac。其中油水比为4：1，单体质量组成aa：amps：dmdaac一67．4％：29％：3．6％，交联剂用量为单体质量的0．55％，引发剂用量为单体质量的0．8％。该混合体系在70℃下反应3h，冷却、抽滤、洗涤，干燥后得到白色粉末即为高吸水树脂。 按一定比例向一定量的干燥sar粉末中加入改性单体混合液(丙烯酸和丙烯酸丁酯，质量组成aa：ba一1：2)，搅拌均匀，充分溶胀后，再加入引发剂和交联剂，于40℃下反应1h，在60℃下烘干即得改性高吸水树脂。

4. 参考文献

[1]王彬，周振哲，胡强，项晓睿.自修复js防水涂料的开发与性能测试[j].中国建筑防水，2017， 368 (12):5-8 12.

[2]谢俞超.渗透结晶型水泥基防渗材料的制备及防渗机理研究[d].导师：韩涛;李新建.中北大学，2017.

[3]刘艳花.特殊浸润性表面的构建及其自修复性能研究[d].导师：闫鹏勋;周峰.兰州大学，2016.

5. 计划与进度安排

（1）2022-2022-1学期17-20周~2022-2022-2学期第3周~第4周（2022-12-25~2022-3-23），查阅资料，准备开题报告，外文论文翻译；

（2）第5周~第8周（2022-3-26~4-20），防水材料合成、配方设计、实验、初步设计；

（3）第9周~第13周（2022-4-23~5-25），整理数据，工艺流程设计，设备、车间设计；按照年产100吨（年工作300天，每天工作8小时）自修复防水材料中试生产线的设计要求，完成卷材生产线的设计，包括设备选型、工艺流程、卷材成型设备结构设计、辅助设备设计、车间设计（平面布置、水电气设计等）等，在计算的基础上确定设计参数、工艺参数；