CN102633519A - 一种以膨胀珍珠岩和天然沸石为主要原料的轻质无机矿物聚合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以膨胀珍珠岩和天然沸石为主要原料的轻质无机聚合材料及其制备方法，由下列原料按照质量百分比制备而成：膨胀珍珠岩30~60%，天然沸石10~60%，高岭土5~15%，辅料2~15%，激发剂1~10%。本发明的突出特点和显著的进步是有效利用富产的天然非金属矿物固有的微孔结构，且有效克服了普通无机矿物聚合材料容重大和不具备保温隔热功能的缺点。本发明工艺设计合理，原料来源丰富，工艺流程简单，综合利用矿产资源制备建筑节能材料。

Description

一种以膨胀珍珠岩和天然沸石为主要原料的轻质无机矿物聚合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于无机高分子材料和新型建筑材料领域，具体涉及一种以膨胀珍珠岩和天然沸石主要原料的轻质多孔非金属矿物聚合材料及其制备方法。

背景技术

20世纪70年代，法国科学家Joseph Davidovits首次提出了矿物聚合材料的概念。前期的研究者将这种铝硅酸盐矿物聚合物称之为地聚合材料、土聚水泥或者聚合陶瓷。通过聚合反应得到的矿物聚合材料具有聚合的硅-氧-铝网络结构，其基本单元[SiO₄]和[AlO₄]四面体通过共用氧原子交替结合，基本单元随机分布而呈三维网络结构。基体相呈非晶质至半晶质相。矿物聚合材料具有较好的快硬固化性和早强性，强度高，耐腐蚀性和耐水热性好，耐高温且易增强、增韧。矿物聚合材料原料价格来源丰富且价格低廉。因此，在高强材料、固核固废材料、建材装饰、工业制造和耐高温防火材料等方面均显示出广阔的应用前景。

国外开展矿物聚合材料的研究起步较早，有些品种已经进入实用化阶段。如已商品化的法国GEOPLOYCREAM牌陶瓷、美国的PYRAMENT牌水泥和芬兰的“F胶凝材料”等。一些专门的研究机构也从事此类材料的开发，如美国的“Waterways Experiment Station”和法国的“Geopolymer Institution”等。

目前对于制备矿物聚合材料研究较多的是采用高岭土作为主要原料，首先，将高岭土在一定的温度下焙烧活化为偏高岭土，然后，采用碱激发剂在一定条件下反应形成低聚硅-铝-氧四面体结构，最后经养护脱水缩聚为具有网络状结构的无定形聚合物。

由于矿物聚合材料结晶度低，很难准确测试并描述其结构形态，所以关于矿物聚合物反应机理及最终产品结构方面的研究进展缓慢，研究者也提出不一致的观点。

目前，国内对矿物聚合材料的研究基本上还处于初期阶段，取得一定的进展。但是在材料网络结构形成机制、材料性能优化及实用性方面还有很多的工作需要深入。国内关于矿物聚合材料（地聚物或土聚物）研究工作主要集中在综合利用固体废物（如粉煤灰、火山灰、废弃白土）和一些天然或人工硅铝质材料。一般在主要原料之中加入偏高岭土或者其它无机材料，采用碱性激发方式，在低于150℃甚至常温条件下养护，在坯体内部形成胶凝相[M_X(AlO₂)_y (SiO₂)_z·nMOH·mH₂O]，得到不同等级的无机聚合材料。

中国专利CN 101353232A报道了一种粉煤灰聚合物的制备及其应用方法。中国专利CN 1817814A则提供了一种利用废弃白土制备矿物聚合材料的方法。中国专利CN 1517321A介绍了一种利用钾长石生产聚合材料的方法。上述专利采用钾长石为主要原料，与粉煤灰、高炉炉渣、煤矸石和矿山尾矿和少量的高岭土配料，采用氢氧化钠或氢氧化钾为激发剂，经搅拌、成型和固化后制得矿物聚合材料。

上述方法所制备的矿物聚合材料属无机高分子材料，虽然具有良好的耐腐蚀和防火性能，但是由于材料结构密实，容重较大，保温隔热性能较差，且在高层建筑中作为框架填充材料应用受到限制。与加气混凝土、建筑空心砌块和其它轻质建筑材料相比，无显著的竞争优势。

因此，提供一种体积密度和导热系数低且具有优良物理性能的矿物聚合材料及其制备方法，是目前此领域研究的重要方向之一。

发明内容

为了克服上述现有矿物聚合材料产品中存在的容重大、隔热和保温效果差以及在高层建筑中限制使用等问题，本发明提供了一种利用天然非金属矿物膨胀珍珠岩和天然沸石为主要原料的轻质无机矿物聚合材料及其制备方法。所制备产品容重低，保温隔热性能好，同时具有高强度和耐酸碱性能。该方法具有操作简单、成本低等优点，原料来源广泛，便于实施推广。

本发明的技术解决方案是这样实现的：

一种以膨胀珍珠岩和天然沸石为主要原料的轻质无机矿物聚合材料，其特征在于由下列原料按照质量百分比制备而成：膨胀珍珠岩30~60%，天然沸石10~60%，高岭土5~15%，辅料2~15%，激发剂1~10%。

所述的辅料为膨润土和粘土中的任意一种或两者混合物。

所述的激发剂为硅酸钠和氢氧化钠中的任意一种或两者的组合物。

其制备方法如下：

第一步：将普通市售高岭土高温活化为偏高岭土，活化温度为500~900℃，活化时间2~4小时；

第二步：将天然沸石和膨胀珍珠岩粉碎至粒度达到40~200目，并与第一步中制得偏高岭土以及辅料进行充分混合；

第三步：将第二步中粉碎好的物料与激发剂溶液充分混合并在捏合机中捏合致其分散均匀；

第四步：将第三步中得到的湿料置于模具中，轻度压制成型，压力为2~15MPa；

第五步：将第四步中成型后样品带模置于蒸汽养护箱中，40~100℃下蒸汽养护72 小时，样品硬化脱模后再置于室温、自然条件下自然固化3~7日。

本发明与现有技术产品相比具有明显的优点和有益效果，并具有广泛的应用价值，其至少具有下列优点：

1、本发明以具有微孔结构的天然非金属矿物和粘土为原料生产具有较高经济价值和社会效益的建筑节能产品，实现了天然矿产资源的高效利用。2、以具有天然孔道结构和层间结构的富产天然矿物膨胀珍珠岩和沸石为原料，在激发剂和养护条件下形成结构良好的轻质无机聚合材料，养护过程中形成的胶凝网络结构与原料中的天然孔道并存，保证了所制产品具有高强度和内部良好的微孔结构。3、综合利用天然非金属矿物制备出具有高强度和良好隔热保温性能的轻质矿物聚合材料，从而实现资源综合利用和建筑节能。

附图说明

     图1为本发明的工艺流程图。

具体实施方式

下面结合各实施例，对本发明做进一步详细的说明：

在给出实施例之前，先对本发明中的天然非金属矿物原料珍珠岩、膨润土和沸石进行说明。膨胀珍珠岩是由酸性火山玻璃质熔岩（主要成份为SiO₂（约68~74%）和Al₂O₃（约13%））经瞬间高温膨化制成的一种轻质多孔材料，表面玻璃化，内部具有蜂窝状结构。天然沸石是一种含水的架状铝硅酸盐矿物，由通过共用氧连接在一起的硅氧四面体和铝氧四面体三维格架组成。其主要化学组分为SiO₂、Al₂O₃及碱或碱土金属，沸石内部有很多尺度一致的孔穴和通道，孔穴通过开口的通道彼此相连，通常采用酸化处理方法，使其具有更大的孔道结构和空穴，从而具有良好的微孔结构。

一种以膨润土、珍珠岩和沸石为主要原料的复合陶粒，其特征在于由下列原料按照质量百分比制备而成：膨胀珍珠岩30~60%，天然沸石10~60%，高岭土5~15%，辅料1~15%，激发剂1~10%。

所述的辅料为粘土和膨润土中的任意一种或一种以上组合物。

所述的激发剂为氢氧化钠和硅酸钠中的任意一种或一种以上组合物。

其制备方法如下：

第一步：将普通市售高岭土高温活化为偏高岭土，活化温度为500~900℃，活化时间2~4小时；

第二步：将天然沸石和膨胀珍珠岩粉碎至粒度达到40~200目，并与第一步中制得偏高岭土以及辅料进行充分混合；

第三步：将第二步中粉碎好的物料与激发剂溶液充分混合并在捏合机中捏合致其分散均匀；

第四步：将第三步中得到的湿料置于模具中，轻度压制成型，一般压力为2~15MPa；

第五步：将第四步中成型后样品带模置于蒸汽养护箱中，40~100℃下蒸汽养护72 小时。样品硬化脱模后再置于室温、自然条件下自然固化3~7日。

实施例1

以膨胀珍珠岩和天然沸石为主要原料，添加适量偏高岭土，以粘土和膨润土为辅料。分别称取：100~120目膨胀珍珠岩200g，天然沸石80g，高岭土30g，粘土25g，膨润土15g，氢氧化钠8g。

将高岭土在550 ℃下活化4 小时。

将天然沸石、粘土和活化高岭土分别粉碎至200目。

将上述主、辅料在混合搅拌器中充分混合60分钟。

将氢氧化钠溶于200 mL水，喷淋于混合好的物料放入捏合机中捏合。

将捏合后的混料置于模具中压制成型，压力为5MPa。

将成型后样品带模置于蒸汽养护箱中，60℃下蒸汽养护72 小时。样品硬化脱模后再置于室温、自然条件下自然固化3日。

上述所制备样品容重为412 kg/m³，抗压强度为65 MPa。

实施例2

以膨胀珍珠岩和天然沸石为主要原料，添加适量偏高岭土，以粘土和膨润土为辅料。分别称取：100~120目膨胀珍珠岩200g，天然沸石80g，高岭土15g，粘土25g，膨润土25g，氢氧化钠5g，硅酸钠5g。

将高岭土在600 ℃下活化4 小时。

将天然沸石、粘土和活化高岭土分别粉碎至200目。

将上述主、辅料在混合搅拌器中充分混合60分钟。

将氢氧化钠和硅酸钠溶于300 mL水，喷淋于混合好的物料放入捏合机中捏合。

将捏合后的混料置于模具中压制成型，压力为10 MPa。

将成型后样品带模置于蒸汽养护箱中，50℃下蒸汽养护72 小时。样品硬化脱模后再置于室温、自然条件下自然固化7日。

上述所制备样品容重为396 kg/m³，抗压强度为58 MPa。

实施例3

以膨胀珍珠岩和天然沸石为主要原料，添加适量偏高岭土，以粘土和膨润土为辅料。分别称取：100~120目膨胀珍珠岩150g，天然沸石80g，高岭土25g，粘土15g，膨润土15g，硅酸钠10g。

将高岭土在900 ℃下活化2 小时。

将天然沸石、粘土和高岭土分别粉碎至200目。

将上述主、辅料在混合搅拌器中充分混合30分钟。

将硅酸钠溶于300 mL水，喷淋于混合好的物料放入捏合机中捏合。

将捏合后的混料置于模具中压制成型，压力为10 MPa。

将成型后样品带模置于蒸汽养护箱中，80℃下蒸汽养护72 小时。样品硬化脱模后再置于室温、自然条件下自然固化5日。

上述所制备样品容重为432 kg/m³，抗压强度为55 MPa。

实施例4

以膨胀珍珠岩和天然沸石为主要原料，添加适量偏高岭土，以粘土和膨润土为辅料。分别称取：80~120目膨胀珍珠岩200g，天然沸石80g，高岭土30g，粘土25g，膨润土5g，氢氧化钠15g。

将高岭土在800 ℃下活化2 小时。

将天然沸石、粘土和活化高岭土分别粉碎至200目。

将上述主、辅料在混合搅拌器中充分混合30分钟。

将氢氧化钠溶于200 mL水，喷淋于混合好的物料放入捏合机中捏合。

将捏合后的混料置于模具中压制成型，压力为10 MPa。

将成型后样品带模置于蒸汽养护箱中，100℃下蒸汽养护72 小时。样品硬化脱模后再置于室温、自然条件下自然固化3日。

上述所制备样品容重为415 kg/m³，抗压强度为67 MPa。

实施例5

以膨胀珍珠岩和天然沸石为主要原料，添加适量偏高岭土，以粘土和膨润土为辅料。分别称取：40~80目膨胀珍珠岩150g，天然沸石100g，高岭土30g，粘土25g，膨润土15g，硅酸钠5g。

将高岭土在700 ℃下活化3 小时。

将天然沸石、粘土和活化高岭土分别粉碎至200目。

将上述主、辅料在混合搅拌器中充分混合60分钟。

将硅酸钠溶于200 mL水，喷淋于混合好的物料放入捏合机中捏合。

将捏合后的混料置于模具中压制成型，压力为12MPa。

将成型后样品带模置于蒸汽养护箱中，70℃下蒸汽养护72 小时。样品硬化脱模后再置于室温、自然条件下自然固化7日。

上述所制备样品容重为471 kg/m³，抗压强度为57 MPa。

综上可以看出，本发明的突出特点和显著的进步是有效利用富产的天然非金属矿物固有的微孔结构，且有效克服了普通无机矿物聚合材料容重大和不具备保温隔热功能的缺点。本发明工艺设计合理，原料来源丰富，工艺流程简单，综合利用矿产资源制备建筑节能材料。

以上实施例仅用于说明本发明的优选实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在所述领域普通技术人员所具备的知识范围内，本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替代和改进等，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围之内。

Claims (3)

1.一种以膨胀珍珠岩和天然沸石为主要原料的轻质无机矿物聚合材料，其特征在于由下列原料按照质量百分比制备而成：膨胀珍珠岩30~60%，天然沸石10~60%，高岭土5~15%，辅料2~15%，激发剂1~10%。

2.根据权利要求1所述的一种以膨胀珍珠岩和天然沸石为主要原料的轻质无机矿物聚合材料，其特征在于：所述的辅料为膨润土或粘土中的任意一种或二者的上组合物；所述的激发剂为氢氧化钠和硅酸钠中的任意一种或二者的组合物。

3.如上述权利要求1所述的一种以膨胀珍珠岩和天然沸石为主要原料的轻质无机矿物聚合材料，其制备方法如下：

第一步：将普通高岭土高温活化为偏高岭土，活化温度为500~900℃，活化时间2~4小时；

第二步：将天然沸石和膨胀珍珠岩粉碎至粒度达到40~200目，并与第一步中制得偏高岭土以及辅料进行充分混合；

第三步：将第二步中粉碎好的物料与激发剂溶液充分混合并在捏合机中捏合致其分散均匀；

第四步：将第三步中得到的湿料置于模具中，轻度压制成型，压力为2~15MPa；

第五步：将第四步中成型后样品带模置于蒸汽养护箱中，40~100℃下蒸汽养护72 小时，

样品硬化脱模后再置于室温、自然条件下自然固化3~7日。