CN101076502A - 结合到聚苯乙烯泡沫塑料上的新型可喷涂磷酸盐水泥的组合物和应用 - Google Patents
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Abstract
干混颗粒组合物，包含Mg和/或Ca的煅烧氧化物、酸式磷酸盐、以及飞灰或等同物，其中所述煅烧氧化物的量是大约17重量％－大约40重量％、所述酸式磷酸盐的量是大约29重量％－大约52重量％、所述飞灰或等同物的量是大约24重量％－大约39重量％，当在所述干混物中加入砂子时，砂子占所述干混物和砂子的组合的大约39重量％－大约61重量％。还公开了形成结构件的方法，其中在干混物和砂子中加入大约8－12磅水的含水浆料。
Description
发明的合同来源
根据U.S.Department of Energy(DOE)和代表Argonne NationalLaboratory的芝加哥大学之间的W-31-109-ENG-38号合同，美国政府享有该发明的权益。
发明背景
本发明涉及可泵送的陶瓷，更具体而言，本发明涉及可用于建筑业中的陶瓷组合物，其可用于在各种温度条件下将所述陶瓷施加到竖直的墙以及斜墙和水平墙上，比如屋顶，从而提供针对水泥或聚苯乙烯泡沫塑料基底而言便宜的涂料。
尤其在加勒比和南美国家，对下述建筑材料有强烈的需求：它可以现场混合，施加到基底结构(包括聚苯乙烯泡沫塑料)上，而且可以被加工比如涂抹，但仍然在足够短的时间内固化以至于无需采用机械锚定比如金属丝或其它机构来将制品固定到垂直表面上。发展中国家需要廉价房，尤其是那种能承受热带和亚热带气候的不需熟练技术工而且可以快速建起的廉价房。
Agonne国家实验室在开发磷酸盐基水泥或陶瓷产品方面一直处于领先地位，磷酸盐基水泥或陶瓷产品有很广泛的用途，如在1997年7月8日授予Wagh等的美国专利5645518“Method for StabilizingLow-Level Mixed Wastes At Room Temperature”，在1998年11月3日授予Wagh等的美国专利5830815“Method of Waste StabilizationVia Chemically Bonded Phosphate Ceramics”，在1998年12月8日授予Singh等的美国专利5846894“Phosphate Bonded Structural ProductsFrom High Volume Wastes”，在2000年11月28日授予Wagh等的美国专利6153809“Stabilization of Metal and Salt Anions in PhospahteCeramics”，在2001年3月20日授予Singh等的美国专利6204214“Pumpable/Injectable Phosphate-Bonded Ceramics”，在2002年12月24日授予Wagh等的美国专利6498119“Chemically BondedPhosphate Ceramics of Trivalent Oxides of Iron and Manganese”，和在2003年2月11日授予Wagh等的美国专利6518212“ChemicallyBonded Phosphosilicate Ceramics”中所述，以上专利每一个的所有公开内容在此通过引用结合进来。
总体来说，上述专利公开了化学结合的单价碱金属磷酸盐或者磷酸氢铵、微溶的氧化物如氧化镁或者氧化钙、以及各种填料，以提供可用于各种最终制品的材料。
然而，现在已经发现使用不同比例的材料会形成一种可泵送的磷酸基水泥制品，这种制品可用于形成刚性的垂直墙和屋顶，并有利于在各种温度和湿度条件下快速构建建筑物和其它结构。
发明内容
相应地，本发明的一个目的是提供可泵送的磷酸盐基水泥制品，这种水泥制品可以进行比如涂抹等操作，可以在各种温度和湿度条件下快速固化，所述快速固化足以使其可用作垂直墙、水平墙和斜墙上的建筑材料。
本发明的另一目的是提供一种干混颗粒组合物，该组合物包括Mg和/或Ca的煅烧氧化物、酸式磷酸盐以及飞灰或等同物，其中煅烧氧化物的量为大约17重量％-大约40重量％，酸式磷酸盐的量为大约29重量％-大约52重量％，飞灰或等同物的量为大约24重量％-大约39重量％。
本发明的又一目的是提供形成结构件的方法，包括向衬底上施加Mg和/或Ca的煅烧氧化物、酸式磷酸盐、和飞灰或者等同物的干混物和砂子的含水浆料，然后使浆料固化，其中所述煅烧氧化物的量为大约17重量％-大约40重量％，酸式磷酸盐的量为大约29重量％-大约52重量％，飞灰或等同物的量为大约24重量％-大约39重量％，砂子的量为所述干混物和砂子的大约39重量％-大约61重量％。
本发明的最后一个目的是提供干混颗粒组合物，包括煅烧的MgO、酸式磷酸钾、和飞灰或者等同物，其中所述煅烧的MgO的量为大约17重量％-大约40重量％，酸式磷酸钾的量为大约29重量％-大约52重量％，飞灰或等同物的量是大约24重量％-大约39重量％，其中所述煅烧的MgO和酸式磷酸钾的重量比是大约1。
发明详述
虽然下面的发明具体描述中用的是煅烧氧化镁、飞灰和沙滩砂子作为本发明的组成部分，但是氧化钙可以全部或部分替换氧化镁，火山灰或本领域公知的其它适合替代物也可以用于代替飞灰或者和飞灰组合。除砂子外，其它本领域常见的填料也可以使用。
本发明提供了一种水泥型制品，由于它粘到聚苯乙烯泡沫塑料和现有的水泥和许多其它材料上，所以特别适于构建采用聚苯乙烯泡沫塑料基底的建筑物，以及适于修补现有的水泥和其它结构。该材料的快速固化性能是很理想的，因为当喷到垂直墙上时，它发生固化但同时允许有刚好足以进行表面处理比如涂抹的时间。该制品和聚苯乙烯泡沫塑料反应，也与水泥和许多其它表面反应，因此，结合是化学性的强结合。这种性质使得无需采用任何机械锚定比如金属丝将所述制品固定到垂直表面上。本发明公开的方法和制品相对于传统块状或者浇铸水泥构件的优点在于：
构建速度提高，
和水泥相比，制品的质量好：例如，不会收缩或者开裂，
优异的防水性，
由于聚苯乙烯泡沫塑料而具有优异的绝热性，
耐火表面，和
抗压强度为2-3倍，抗弯强度为6倍。
在热带和亚热带气候，水泥快速腐蚀，而本发明的材料不会。
包装中的粉末处于自由流动状态，事先混合的和事先包装好的材料可以储存和长距离运输，而不结块或变硬。
调整各组分的混合比例的能力使得本制品可以用于不同的环境温度，性能可以标准化以提供固定的掺混、泵送和喷涂时间。通过对组成进行调整，获得了用于硬化和粘附到聚苯乙烯泡沫塑料或者水泥上所需的时间。
本发明的组合物和前述专利中要求保护的不同。例如，在早期专利中，磷酸钾和氧化镁的比值受到两者之间的反应的化学计量比的限制，即，所述比值大约是3∶1。但是，在采用这些组合物构建房子的案例研究中，我们发现这种比值不可用。本文要求保护的令人惊奇的发现是所述的独一无二的组合物，其中所述比值更接近于1，它提供了可以施加到垂直表面上的快速固化材料。
除了磷酸二氢钾和氧化物以外，在总组合物中采用了飞灰、硼酸钠(任选的)和砂子。按不同比例将这些组分掺混后形成的制品使得该混合物可以喷到聚苯乙烯泡沫塑料墙上来构建新建筑物，而且由于该混合物能够粘附到标准水泥上，所以该混合物也可以施加到已有的水泥结构上作为修补剂。这种快速构建建筑物的方法也是新的。
所述方法由如下构成：如后所述在水泥螺杆式混合机中混合膏状物，然后通过软管泵送到喷嘴，所述喷嘴用于将所述浆料喷到垂直墙上。混合和喷涂的总时间大约为10分钟。一旦经过喷涂，浆料变稠而且不会从墙上滴落，而是通过释放热量开始硬化。这种热量有助于在聚苯乙烯泡沫塑料或者水泥表面和硬化的制品之间形成化学反应，从而形成和基底表面的无限结合。
对聚苯乙烯泡沫塑料墙来说，通过在墙上涂上丙烯酸涂料可以增强结合。可以在配制浆料之前将丙烯酸盐和干混物混合，以代替涂料。对水泥墙来说，不需要所述的比如丙烯酸盐涂料，这是因为水泥中的钙化合物和浆料发生反应，在这两者之间形成良好的结合。
喷涂后的表面可以进行涂抹以形成更光滑的表面，或者可以采用合适的模具在表面上刻上设计图案。一旦固化，所述表面就可以采用常规油漆来涂上油漆。
表1、100磅整体材料掺合物的组成
| 成分 | 通常范围 | 优选范围 | 最优选范围 |
| 氧化镁(磅)磷酸二氢钾(磅)砂子(磅)硼酸或四硼酸钠(盎司)玻璃或其它纤维(一英寸长)(盎司)水(加仑) | 9-2015-2640-600-80-81-1.5 | 15-1916-2045-551-41-61.25-1.5 | 16-1817-18501-23-51.3-1.4 |
下面的实施例举例说明了针对目标应用的粉末材料组合物和方法。
实施例1：低环境温度下的应用
本试验在40进行。用于本实施例的组合物推荐在40-60的温度范围内使用。用于这种情况的组合物是MgO 18份、磷酸二氢钾17份、和灰15份。将该掺混物和50重量份砂子以及11重量份水混合。将整个混合物放入料斗中，混合、泵送、再喷涂到原型墙上，所述原型是由聚苯乙烯泡沫塑料板制备的、直立在水泥基座上的一居室。甚至房子的屋顶也是用固定在铝架上的聚苯乙烯泡沫塑料板制成的。可以持续喷涂数小时，整个房子喷涂4-5小时。喷完马上通过涂抹将一些区域抹平。
一小时之内，墙变温，表明在墙内正在发生化学反应。表面变硬，墙和屋顶都变得非常坚固而且刚性极好。切下墙的一些部分，检查聚苯乙烯泡沫塑料和固化材料的界面，发现除非毁掉聚苯乙烯泡沫塑料则无法将两者分开。
基本上两个人工作一整天可以建完房子。需要指出的是，放热反应对环境空气温度进行了补偿，使得所述制品在此比例下确实混合得很好。
实施例II
本实施例在60-80的环境温度下进行。构建房子的整个过程和实施例1相同，但是现在采用的是不同的组合物。采用17份MgO、17份磷酸二氢钾、16份灰和50份砂子。除了砂子之外，所有组分用50磅的袋子包装并运送到现场。在现场加入砂子和11份水。另外，需要时在每100磅的总混合物中加入多达4盎司的硼酸或者四硼酸钠，以减缓反应速度。
用丙烯酸油漆涂覆聚苯乙烯泡沫塑料墙。同样，结果和实施例1所述的同样好。当切下墙的一些部分时，聚苯乙烯泡沫塑料无法和施加的材料分开，除非将聚苯乙烯泡沫塑料破坏掉，因为结合非常紧密。
实施例III
用于80-100温度的配方由16.5份MgO、17份磷酸二氢钾、16份灰、50份砂子和10.5份水组成。同样，需要时在100磅混合物中加入8盎司的硼酸或者四硼酸钠。
还发现，在每50磅袋子中的掺混干混物中加入2-4盎司的1英寸长聚纤维，有助于防止所述制品施加到正在工作的聚苯乙烯泡沫塑料或者水泥表面上时发生任何开裂或者收缩。
整体而言，这些实施例证实了采用本发明的配方和方法在整个环境温度范围，大约40-100，的可行性，以及如何对配方进行调整来实现。一般而言，表1列出了本发明材料的每种组分的范围，应该理解组分的比值可以根据地区温度和湿度条件而变化。所用砂子优选是30目。
尽管实施例中用的都是磷酸二氢钾，但其它磷酸盐如磷酸二氢镁或磷酸二氢铝，磷酸单氢铵或二氢铵、磷酸二氢钙、三元过磷酸钙肥料或者其组合可以全部或者部分代替，这是本领域所公知的。尽管具体公开的是玻璃纤维，但是如同本领域所公知的那样，可以用其它纤维比如玉米、剑麻或者大麻来全部或者部分代替。
一般而言，对煅烧氧化物、酸式磷酸盐和飞灰或等同物的干混物来说，优选比例是煅烧氧化物约17％-约40％、酸式磷酸盐约29％-约52％、飞灰或等同物约24％-约39％，所有百分比都是重量百分比。最优选百分比分别是32-36％、33-37％和29-37％。
当砂子或等同物加到上述干混物中时，砂子约占干混物和砂子组合重量的大约39％-大约61％。加入到干混物和砂子组合中的水优选是每100磅干混物和砂子中8-大约12磅的水。可以加入大纵横比(high aspect)的玻璃纤维或等同物，也可以加入硼酸盐来控制反应速度。
尽管公开的内容是所认为的本发明优选实施方案，但是应该理解，可以对细节进行各种改变，而不会偏离本发明的精神，或者牺牲本发明的任何优势。
Claims (20)
1.干混颗粒组合物，包含Mg和/或Ca的煅烧氧化物、酸式磷酸盐以及飞灰或等同物，其中所述煅烧氧化物的量是大约17重量％-大约40重量％、所述酸式磷酸盐的量是大约29重量％-52重量％、所述飞灰或等同物的量是大约24重量％-大约39重量％。
2.权利要求1中的组合物，其中所述煅烧氧化物的量是大约32重量％-大约36重量％，所述酸式磷酸盐的量是大约33重量％-大约37重量％，飞灰或等同物的量是大约29重量％-大约33重量％。
3.权利要求1中的组合物，另外包括占干混物和砂子的组合的大约39重量％-大约61重量％的砂子。
4.权利要求2中的组合物，其中所述氧化物是MgO，所述酸式磷酸盐是KH2PO4。
5.权利要求1中的组合物，其中所述飞灰的等同物是火山灰。
6.权利要求3中的组合物，其中煅烧氧化物与酸式磷酸盐的重量比例约为1，水为大约8-大约12磅/100磅干混物和砂子。
7.权利要求6中的组合物，其中在干混物和砂子中存在着硼酸或硼酸钠。
8.权利要求6中的组合物，其中在干混物和砂子中存在着高纵横比的纤维。
9.权利要求6中的组合物，其中所述砂子经过筛得到30目筛的尺寸。
10.权利要求6中的组合物，其中在干混物和砂子中具有丙烯酸盐。
11.形成结构件的方法，包括向衬底上施加Mg和/或Ca的煅烧氧化物、酸式磷酸盐、飞灰或者等同物的干混物和砂子的含水浆料，然后使浆料固化，其中所述煅烧氧化物的量为大约17重量％-大约40重量％，酸式磷酸盐的量为大约29重量％-大约52重量％，飞灰或等同物的量为大约24重量％-大约39重量％，砂子占所述干混物和砂子的量为大约39重量％-大约61重量％。
12.权利要求11的方法，其中水的存在量是每100磅干混物和砂子大约8-大约12磅。
13.权利要求12的方法，其中所述衬底是涂有丙烯酸的聚苯乙烯泡沫塑料。
14.权利要求12的方法，其中所述衬底是水泥。
15.权利要求12的方法，其中所述含水浆料被喷涂到垂直表面上。
16.权利要求11的方法，其中存在着硼酸或硼酸钠以控制浆料的固化速度。
17.权利要求12的方法，其中煅烧氧化物的存在量是大约32重量％-大约36重量％，酸式磷酸盐的存在量是大约33重量％-大约37重量％，飞灰或等同物的存在量是大约29重量％-大约33重量％，所有量都基于所述干混物的量。
18.权利要求17的方法，其中所述氧化物是MgO，所述酸式磷酸盐是KH2PO4。
19.权利要求17的方法，其中在所述干混物中存在着丙烯酸盐。
20.干混颗粒组合物，包括煅烧MgO、酸式磷酸钾、和飞灰或者等同物，其中所述煅烧MgO的量为大约17重量％-大约40重量％，所述酸式磷酸钾的量为大约29重量％-大约52重量％，所述飞灰或等同物的量是大约24重量％-大约39重量％，其中所述煅烧MgO和酸式磷酸钾的重量比是大约1。
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