CN102741195A - 蜂窝状磷酸盐陶瓷和制备方法及用途 - Google Patents

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Abstract

本发明实施方式提供了应用特定步骤以确保特定强度范围、其具体为小于100磅每平方英寸压缩强度的蜂窝状磷酸盐基体。其它实施方式涉及各种磷酸盐陶瓷作为车辆阻拦系统的用途。

Description

蜂窝状磷酸盐陶瓷和制备方法及用途
本申请要求于2010年1月14日提交的题目为“蜂窝状化学粘合磷酸盐陶瓷体(Cellular Chemically Bonded Phosphate CeramicBodies)”的美国临时申请序列号61/294,986的权益，其全部内容在此引入作为参考。
发明领域
本发明的实施方式总的涉及用特定步骤形成的确保特定强度范围、具体地其压缩强度小于100磅每平方英寸的蜂窝状磷酸盐基体。另外的实施方式涉及各种磷酸盐陶瓷作为车辆阻拦系统和其他可压碎或可变形材料的用途。
背景技术
化学粘合磷酸盐陶瓷(CBPC)，也称为“磷酸盐陶瓷”，是具有水泥或陶瓷特性的任何化学粘合磷酸盐化合物，通常在室温获得最终的强度，但也可能在低加热温度(40℃到600℃)、低煅烧温度(500℃到1000℃)或通过高煅烧温度(1000℃以上)进一步处理，这取决于所需的最终产品的应用。磷酸盐陶瓷可以包括各种无机产品/基体，但通常的成分是磷酸盐化合物-金属氧化物粘合剂。
CBPC通常是通过无机氧化物与磷酸溶液或磷酸碱金属盐溶液之间的酸碱反应制备而成的。他们通过放热反应产生一个早期成型的类陶瓷体而形成。反应的一般例子是：
氧化物+磷酸盐+水→CBPC+热
一个具体的反应例子是：
该基体在室温下“成型”，其是硬的不需要再煅烧，其表现像陶瓷。因此，其产品被非正式地称为“陶瓷水泥(Cerami-crete)”产品。此类产品已知许多年，但在近几年，当它们与水和来自于许多工业中的任何粉末状副产品混合时，它们才作为生产快速凝固水泥的好的候选者出现。利用粉末状副产品的能力提供了一种新的再循环方式并有助于开发新的“绿色清洁经济”。例如，阿尔贡国家实验室(Argonne National Labs)进行的一个研究项目就是：将放射性废弃物包入一个坚实的不可破坏的粘贴岩(paste-rock)状材料中，其可以进入土壤(金属鼓内部)并随着时间的推移而不会泄漏有害成分。
陶瓷水泥产品的其他实例是由Bindan Corporation(例如，Mono-patch
Figure BPA00001568283400022
其被销售并用作道路修复水泥)、Grancrete，Inc.(例如，GrancreteTM，其可被用作保护涂层或替代混凝土)和CeratechCement AB(RedimaxTM和FirerokTM)制造和销售的陶瓷水泥产品。这些材料一般是当作快速凝固水泥浆销售，用于在寒冷天气使用细砂和粉煤灰C或F作为填料的应用。同样的磷酸盐粘合剂添加到苯乙烯珠粒中可以模制成吊顶板。把该粘合剂添加到石膏和硅酸盐中能形成砖、板和其他结构材料。
磷酸盐粘合产品的发泡混合物也可用于生产地砖、以及隔热板或砖。这些制剂不添加泡沫本身(例如，制备好的泡沫)到混合物中。相反，所述多孔结构是由组分间的化学反应释放并被捕获在固体中的气体造成的。此外，孔隙率一般小于5％，其产生通常具有高于500psi(磅每平方英寸)强度的硬的固体基体。这些制剂也不能提供所谓的“蜂窝状”结构。有人建议向粉煤灰F和作为活化剂的碱的混合物加入泡沫从而产生发泡粉煤灰，但得到的的结构不是陶瓷水泥，因为它没有使用磷酸盐化合物和金属氧化物(例如，氧化镁)作为粘合剂混合物。
其它人尝试试验制备具有CBPC的轻质复合材料，但这些试验制备的CBPC复合材料的压缩强度相当高(混合24小时后，所有的一般都超过100psi)。这些尝试中也使用磷酸铵，其是过去多年来优选的磷酸盐，但因化学过程中释放氨气，所以磷酸铵对环境有不利的影响。因此，有必要找到另一种可以使用的不会释放有害气体到环境中的磷酸盐材料。
另一个轻质磷酸盐水泥的例子是被制造用作重油和CBM(煤层甲烷)领域密封剂的。参见，例如美国专利号7,674,333。这种水泥旨在在混合24小时后有至少500psi的非常高的压缩强度。制造过程也不使用泡沫；该公开简单提到可以在混合过程中添加到组合物中的“发泡剂”，而不是已经制备好的泡沫/预发泡的产品。
除用作密封剂外，磷酸盐陶瓷材料也被用来制造刚性、防水磷酸盐陶瓷材料，其用来制造具有声道性能的瓷砖。参见，例如美国专利号4,978,642。制备这些瓷砖的过程中使用不同的粘合剂材料和不同的方法以产生比此处所述更多孔的结构。具体地，用化学反应产生二氧化碳气体。多数力图提供发泡或轻质产品的其它文献添加发泡剂或在混合过程中发生化学反应以产生气泡(例如，或者通过与碳酸盐发生化学反应发泡，或通过分解过氧化氢的化学反应和通过蒸发液体发泡剂如氟利昂(其是环境有害的)产生气泡，或通过机械混合产生气泡，或在煅烧过程中燃烧有机材料，或者以其他方式在混合物中使用非环境友好材料)。获得的材料也具有很高的拉伸强度，约140至约350psi，且某些高达500psi。
现有技术报道的大多数强度值通常是在混合24小时后测量的，因为大部分强度是在那时获得。然而本发明人发现，因固化或干燥超过一天造成那些制剂的强度显著增加。这对于这些应用来说并不特别重要，因为这些材料建议的用途包括绝缘板、建筑用砖、耐火材料、铸造过滤器、装饰结构陶瓷、结构材料、地砖等—通常材料的高强度是需要的。这些应用没有考虑混合多天后强度的增加—事实上，它是受欢迎的。
相反，如该材料旨在用作安全有效的车辆阻拦屏障，其强度不能超出模型值，否则会造成车辆损坏或危害车辆乘员的生命。因此，需要提供可用于其它用途的蜂窝状磷酸盐陶瓷材料，并因此比上述材料在完全固化/干燥状态时具有更低的压缩强度。正如提及的，一个特定的要求材料具有特定的压缩强度的用途是用作车辆阻拦技术。该材料压缩强度应该是能吸收移动车辆的动能，使其有效地停止车辆，但优选破碎和吸收能量以防止乘坐人员的严重伤害或死亡。换句话说，该材料应该具有足以使它在碰撞时通过该系统的粉碎或变形能力吸收车辆的能量并帮助车辆安全停下来的强度，而不是造成车辆遇屏障变形的强度。该系统旨在使车辆更缓慢的减速和比传统屏障提供更多的缓冲，因此，某些情况可能是指“非致命”的车辆阻拦系统。这是为何本申请称作“完全固化”材料而不是混合后一或两天的材料的一个原因。车辆阻拦屏障不能随着时间推移变得更强—这会使屏障无用。
非致命车辆阻拦系统或可压缩车辆阻拦系统的实例包括置于跑道末端的材料或屏障，其将会在飞机轮胎离开跑道末端的压力下可预见的和可靠的破碎(或以其他方式变形)。低强度材料提供的阻力使飞机减速并停在跑道头清除区的范围内。车辆阻拦系统的目标是可预测的、特定方式的沦陷，因此当车辆使车辆阻拦系统变形时提供可控的和可预测的阻力。理想的车辆阻拦系统因此总的来说是可压缩、可变形、可压碎的，或在适当的碰撞下以其他方式能被压缩或变形或破碎的。材料的强度应保持恒定或至少不随时间显著增加。车辆阻拦系统具体的例子被称为工程材料阻滞系统(EMAS)，其现在是2005年9月30日在FAA Advisory Circular 150/5220-22A“Engineered Materials Arresting Systems(EMAS)for Aircraft Overruns”中描述的美国机场设计标准的一部分。FAA Orders 5200.8和5200.9指导EMAS和Runway Safety Area(跑道安全区)规划。
可选择地，可压缩(或可变形)车辆阻拦系统可放置在道路或人行道(或其他地方)上或里边，例如用于除飞行器之外的车辆或物体减速。它们可以用来安全地停止汽车、火车、卡车、摩托车、拖拉机、摩托车、自行车、船或任何可以获得速度并倾斜失控而需要安全停止的其它交通工具。
因此这里描述的实施方式提供了采用新的方法制备并获得特定压缩强度范围的磷酸盐陶瓷材料。该材料可用于一些应用中，但它们特别适合用作非致命性车辆阻拦系统或爆炸衰减复合材料。
发明概要
本发明实施方式提供了采用特定步骤形成的确保特定强度范围、具体地其压缩强度小于100磅每平方英寸的蜂窝状磷酸盐基体。其还涉及使用制备好的泡沫来制备这样的材料的方法。另外的实施方式涉及各种磷酸盐陶瓷作为车辆阻拦系统和其它可压碎或变形的材料的用途。
附图说明
图1显示了根据在此描述的各种实施方式制备的开孔(opencell)磷酸盐陶瓷结构的透视图。
图2显示了根据在此描述的各种实施方式制备的闭孔(closedcell)磷酸盐陶瓷结构的透视图。
图3显示了压缩测试后蜂窝状磷酸盐陶瓷结构的透视图。
图4显示了一天去模的样品。
图5显示了根据在此描述的各种实施方式制备的开孔蜂窝状结构的显微图。
图6显示了图5的特写图。
详细描述
蜂窝状磷酸盐陶瓷是无机产品。它们不燃烧、不吸水、不溶、在室温下成型且具类陶瓷强度。因此，这些材料可在寒冷的天气用于室外代替混凝土，因为成型过程释放热量且在数小时内变硬，并一般在一周至一月内完全固化，这取决于组成。
多数产生任何类型的蜂窝状结构终产品的化学粘合磷酸盐陶瓷，在制造过程中加入发泡剂或结合其它化学或机械混合过程，以在材料中产生气泡或泡沫状外观。例如，引入空气并通过添加发泡剂和机械发泡浆料以产生蜂窝状结构。这类似于加入表面活性剂或洗涤剂到水中，并搅拌使泡沫产生。目的是提供一个多孔蜂窝状陶瓷基体，以帮助减少由于冻结而导致的开裂，从而使产品适用于低温气候。然而，已报导的这些材料的压缩强度相当高，例如，在24小时超过100psi，且没有超出该时间的测量/报告。据信这些材料随着时间继续更加变硬和凝固，因此，最终的压缩强度甚至比报道的更高。
不拘于任何理论，据信赋予的这种高强度至少部分是由于添加的表面活性剂产生泡沫所需的机械混合，类似于面包由于过度揉捏而变得坚硬的方式。(当然，这是在添加材料的选择和比例之外。)获得的材料因此不能作为能量吸收材料，但相反，更适合用在最终的压缩强度不重要(或通常是很高的)的地方，如瓷砖、板、砖等。
这些建筑和建造材料具有高的压缩强度，远超在此所述的方法制备的材料的压缩强度。这种建造相关材料需要有这样高的强度，从而为建筑地基、侧面和其他部位提供强度。相反，使用此处所述的方法制备的材料一般不能用在传统建筑建造领域，因为它们太弱而且易压碎。总之，任何采用一般的建造材料和混合方法制造的材料将超出非致命性车辆阻拦系统所要求的最大强度。
申请人现确定通过添加制备好的泡沫到混合物中，他们能够更好地控制产生的压缩强度。继续用洗涤剂和水作类比，本说明更类似于把剃须膏或泡沫(例如，制备好的泡沫)加入到水(例如，浆料)中，以致不需要混合以形成泡沫。
获得的蜂窝状材料的强度和轻质特征使其可作为优良的材料用于能量吸收，例如爆炸衰减、车辆阻拦系统、隔热和隔音材料、易压碎的安全屏障和/或可流动的填充材料。内部结构通常是结晶和无定形的，这取决于所用填料和所用粘合剂组分的比例。该产品具体的实施方式具有优良的防水性，使之成为地基应用良好的候选者，因为该材料不风化或渗漏有害产品到地基中。
因此本发明的实施方式一般涉及(1)新的蜂窝状磷酸盐陶瓷及其制造方法和(2)使用蜂窝状磷酸盐陶瓷作为非致命性车辆阻拦系统的方法。
对于新材料和其制造方法，一个实施方式提供了蜂窝状磷酸盐陶瓷，包括以下组分：
二元粘合剂+填料+水(以形成浆料)+制备好的泡沫
二元粘合剂。二元粘合剂组分由两种组分按不同的比例构成，取决于最终的用途。第一种组分是磷酸盐化合物，第二种组分是金属氧化物。
磷酸盐化合物可以是磷酸二氢钾(KH2PO4)、磷酸二氢钠(NaH2PO4)、磷酸铵(NH4)H2PO4)、磷酸(H3PO4)、或任何其它具有(P2O5)或五价磷的衍生物、或任何其它单(1)、二(2)或三(3)碱金属磷酸盐，例如磷酸铝(AlPO4)、磷酸氢钙(CaHPO4)，包括任何所谓的过磷酸盐或正磷酸盐或焦磷酸盐衍生物。
金属氧化物可以是碱金属、碱土金属、过渡金属、或后过渡金属-例如镁、钙、锆、或铝-与氧形成的。合适的金属氧化物的例子包括氧化镁、氧化钙、二氧化锆、氧化铝、氧化锰(II)。氧化物衍生物如Al(OH)3和Zr(OH)4也是有效的候选者。如果金属氧化物为氧化镁，可用的候选者包括但不限于粉末氧化镁、镁氧矿、煅烧镁氧矿、煅烧菱镁矿、或任何其他合适的镁组分。该组分可以具有不同的粒度和纯度。可以使用各种商业、医疗、和/或工业级金属氧化物，这取决于所需的性质。一个商业可用的氧化镁的例子是MartinMarietta Magnesia Specialties，LLC Magchem35。另一个例子是American Elements
Figure BPA00001568283400092
喷雾干燥氧化铝粉末。
填料。填料组分可以是活性或惰性或两者的混合。填料可以是任何单一组分或混合物，包括但不限于：粉煤灰C、粉煤灰F、炉渣、铸造灰烬、赤泥、硅灰、研磨玻璃、煤胞、硅灰石、膨胀聚苯乙烯、轻质有机聚集体、木浆、再生塑料、空气、石膏、细砂、任何钙-铝-硅酸盐粉，例如水硬水泥或水泥性混合物(不包括波特兰(Portland)水泥)、或任何其他适当的粉末状或填充材料。
泡沫。泡沫组分一般以在与浆料合并之前是“制备好的泡沫”的状态提供。它可以通过结合适当的表面活性剂溶液、水和空气而形成，以便在与上述组分/浆料合并之前形成气泡。例如，表面活性剂可以是阳离子型(包括但不限于季铵化合物、胺(伯、仲、叔、二胺，多胺)和/或胺盐)、可以是阴离子型(包括但不限于十二烷基硫酸钠或α-烯烃磺酸盐)、或者也可以是非离子型(包括但不限于醚或脂肪醇)。所用泡沫的选择取决于添加的粘合剂和/或填料、最终用途、以及所需的蜂窝状结构。泡沫由添加到浆料之前通过发泡设备现场形成。可用的泡沫品牌的示例包括但不限于Mearlcrete
Figure BPA00001568283400093
Geofoam、CellufoamTM、Greenfroth和/或Maxflow
Figure BPA00001568283400095
FoamConcentrate。泡沫浓缩液制造商也可提供他们自己的发泡设备。
与以往的陶瓷水泥产品相比，使用制备好的泡沫有助于获得的产品具有较低的强度，所述以往陶瓷水泥产品是将普通表面活性剂加入到水中然后机械混合浆料形成气泡而制造的。以往的陶瓷水泥产品含有空气但不是设计作为蜂窝状材料。具体来说，所用浆料/泡沫的比例应该是材料在完全固化状态时的压缩强度小于约100psi，更特别地，低于约50psi，甚至更特别地约15psi或更小。本文概述了更具体的选择范围。泡沫产生蜂窝状结构，实质上气泡被捕获在最终产品中。空气成为最终产品的主要组分，这不像以前的陶瓷水泥产品。
应该理解，虽然本发明人认为，使用制备好的泡沫结合浆料是使得在此所述产品获得理想的低压缩强度的一个步骤，但据信(和拟涵盖在本公开的范围内)将来可开发出特殊搅拌设备或表面活性剂从而用以产生更低的压缩强度。虽然在此提供的实施例使用制备好的泡沫，但应该理解表面活性剂、气泡产生材料、孔产生材料、蜂窝产生材料、或任何其他类型的强度降低的材料可能被开发并根据本发明使用，以获得描述范围内的完全固化的压缩强度的产品。
如果需要还可以添加一种或多种缓冲剂或成型/固化阻滞剂，例如硼酸、硼砂、或任何其他合适的化合物以延缓粘合剂的反应。在一个具体实施方式中，硼酸添加越多，结构固化越慢。
制剂的示例性而非限制性实施例已被生产且用于下面描述的各种用途中。应该理解这些实施例仅用于说明目的，而不是旨在以任何方式限制本发明。当然，可以使用不同混合次数和混合顺序，这取决于所需应用及性能。
在一个实施方式中，干燥的材料可以预混在一起，然后加入到水中做成浆料。例如，磷酸盐、氧化镁和填料(以及任选的成型/固化阻滞剂)可在第一混合时间内混合在一起，然后加入到水中进行第二混合时间的混合。可选择的，干燥的材料可以按特定顺序添加到水中。例如，填料和氧化镁可以混合在一起；然后成型/固化阻滞剂(例如，硼砂)和磷酸盐加入水中，然后两组分再混合在一起，虽然任何混合的组合都是可能的。
在另一个实施方式中，干燥的材料可以预混在一起，然后加入到水中以在专业的高剪切分批混合器中形成浆料。泡沫浓缩物然后可以添加到专业的高剪切分批混合器中并通过混合器发泡。例如，磷酸盐、金属氧化物和填料(以及任选的成型/固化阻滞剂)可在第一混合时间混合在一起，然后加入到水中进行第二混合时间的混合，然后泡沫浓缩物可被添加到混合器中，接着进行第三混合时间。示例性的非限制性表面活性剂/水的比例包括约1/50、1/45、1/40、1/35、1/30。此外，示例性的非限制性最终的空气体积百分比为约70至约95％、约75至约85％、约85至约95％、约80％、或约90％。专业的高剪切分批混合器的例子是Silverson
Figure BPA00001568283400111
High Shear Batch Mixer。
在另一个实施方式中，干燥的材料可以预混合，然后以连续的方式加入专业的连续高剪切混合器中，以均质化和分散粉末。例如，磷酸盐、金属氧化物和填料(以及任选的成型/固化阻滞剂)可混合在一起，然后螺旋进料到专业混合器。表面活性剂可以被注入到有或没有空气的体系中，并在混合器中连续发泡。示例性的、非限制性的表面活性剂/水的比例包括约1/50、1/45、1/40、1/35、1/30。此外，示例性的非限制的最终空气体积百分比为约70至约95％、约75至约85％、约85至约95％、约80％、或约90％。专业的连续高剪切混合器的例子是IKA
Figure BPA00001568283400112
MHD 2000系列。
在一个特定的实施方式中，干燥组分可以包括磷酸盐化合物(在一个具体实施方式中，磷酸钾)、金属氧化物(在一个具体实施方式中，氧化镁)、粉煤灰、硅土、硅灰石和硼砂，它们进行第一混合时间的混合，直至合并以得到良好掺合的第一粉末。第一混合时间可以是任何适当的将材料混合起来形成第一粉末的时间。这些组分可以任何所需的比例存在，这取决于最终产品所需的性能(如压缩强度、孔结构等)。可能的磷酸盐化合物和氧化镁的比例的非限制的例子可以是约1比约1；约3比约1；约5比约1；约10比约1；约1比约3；约1比约5；约1比约10；或任何他们之间的其他适当的比率。下表提供了示例性的但非限制性的比例：
注：MKP＝磷酸二氢钾，MgO＝氧化镁
一旦混合后，第一粉末加到水中进行第二混合时间的混合以形成浆料。混合时间取决于所用材料的类型和比例、设备、温度和其它因素。一般地，发现第二混合时间可以是从约30秒到约45分钟，约1到约10分钟，或约1到约5分钟的任何时间通常是充足的，尽管混合时间可能更短或更长。第二混合可以使用高剪切混合器完成。
第二混合时间可以以成型/固化阻滞剂的用量(如果用的话)为基础。如果需要延缓浆料和/或终产品成型或固化的时间，可以加入成型/固化阻滞剂，尽管不是必须的。适当的成型/固化阻滞剂的非限制性例子是硼砂或硼酸。成型/固化阻滞剂加入越多，成型/固化时间可能越长，这意味着第一粉末/水浆料可以混合较长时间而不会过早成型。发现可接受的用于产生充分成型/固化时间的成型/固化阻滞剂和浆料比例范围的非限制性例子是约0(以重量计的成型/固化阻滞剂份数)比约5(以重量计的浆料份数)；约0.1比约5；约0.1比约3；约0.1比约2；约0.25比约5；约0.25比约3；约0.25比约2；或任何之间的比例。
一个单独的步骤是用特选的发泡剂、空气和使用发泡设备来制备制备好的泡沫。泡沫可以由泡沫浓缩物或其他可与水混合产生泡沫的表面活性剂提供。制备好的泡沫然后可被倒入桨或螺旋式混合器中。上述的浆料被泡沫包裹。虽然浆料通常被包裹于泡沫中，但应该理解泡沫包裹于浆料中也是可能的。无论哪种方式，组分是单独形成的，并作为单独的步骤加到一起。在水与固体/粉充分混合后以及产品成型前进行泡沫的掺入。该掺入步骤被称为“包裹(folding)”或“掺合”而不是“混合”，因为泡沫不应太剧烈或太长时间的混合以防泡沫结构的破坏。
该步骤的一个有用的类比是将蛋糕糊或其他混合物掺合或包裹进入预搅的蛋清或预搅的奶油中。如果面糊被掺合入预搅拌的组分太剧烈或时间太长，在预搅拌组分中形成的泡沫/气泡将会被打破。同样，为了保持泡沫结构，此处所述浆料不应太剧烈地添加或掺合到制备好的泡沫中太长时间。
可以改变浆料/泡沫的掺合时间、掺合速度和掺合设备以生产所需的低强度材料。典型地，发现浆料/泡沫掺合时间可达约十分钟，从约三十秒到约五分钟、更具体地从约两到约三分钟之间的时间通常是充分的，虽然混合时间可能更短和更长。任何情况下，掺合时间应足够长以便泡沫和浆料结合在一起，但不应太长以至于泡沫的结构被严重地破坏。如果掺合步骤太剧烈或太长，泡沫结构可能塌陷或变得不规则。目标是维持泡沫结构的完整性，以保持蜂窝状特征，并优选保持整个最终材料中总体均匀的孔径。掺合可以使用低速机器例如桨式混合器、螺旋式混合器或任何其他低剪切混合器或掺合机来完成。
发现可接受的用于制造有用的终产品的浆料与泡沫比例的非限制性实例为约20(以重量计的浆料份数)比约1(以重量计的制备好的泡沫份数)；约15比约1；约12比约1；约7比约1；约5比约1；约4比约1；约2比约1；约1比约1；或其之间的任何比例。浆料与泡沫比例越高，最终产品最终固化后的预计压缩强度越强。
监测浆料泡沫混合物的湿密度是达到所需最终强度的方法之一。目标范围取决于其所需应用。示例性但非限制性的密度范围包括：约1至约120lb/ft3，约30lb/ft3，约1至约50lb/ft3，约40lb/ft3，约50至约100lb/ft3，约80至约120lb/ft3，约20至约40lb/ft3，约40至约60lb/ft3，约50lb/ft3，约5至约20lb/ft3，约60至约80lb/ft3，约60lb/ft3，约80至约100lb/ft3，约70lb/ft3，约100至约120lb/ft3，约90lb/ft3，约25至约50lb/ft3，约35lb/ft3，约50至约75lb/ft3，约65lb/ft3，约75至约100lb/ft3，约10lb/ft3，约5至约15lb/ft3。或任何其他合适的范围。
添加制备好的泡沫生产出通常轻质、多孔(充气的)悬浮液，其在几分钟到几小时内能早期成型，并在几天或几周内(取决于填料)完全固化成蜂窝状类陶瓷材料。强度通常在几个星期后测量，一般在一个月(或约28天，其是在水泥工业中的水泥混合标准)，此时材料被认为“完全固化”。例如，产品制成后的一天，其压缩强度可能只有完全固化时强度的一部分，因为多数材料继续自然地固化，并因此继续获得强度。多数现有技术报告仅是24小时的强度，因为在这些目标应用中，超过一天的强度增加并不重要。然而，对于此处所述用途，强度增大或强度增加必须是预先确定和计算的。
最终的基体强度和材料性质可以通过改变粘合剂-填料的比例、添加到浆料的泡沫量、填料组成和类型(活性或非活性)和量、颗粒大小或精细度、混合程序、混合时间、掺合程序和/或掺合时间来进行调整。固体/水的比例可能会随添加的粘合剂(成型/固化阻滞剂)和填料类型、粘合剂/填料比例、以及根据材料目的最终应用的最终所需性质而变化。水加的越多，发泡绿色结构流动性越好，可能获得更低的强度。可调整浆料/泡沫比例以达到所需密度和强度的最终硬化特性。基体的干密度取决于最终的强度。如果需要，通过添加所需颜色的颜料进行调色用于装饰目的。
最终产品的最终完全固化的压缩强度可以低至5psi和高达100psi，取决于填料、孔隙率、密度和水/固体比例和所用的浆料/泡沫比例。最终所需的压缩强度通常不是在几个小时内或一天内测量，而是在数周后测量，通常情况下，最终硬度将在混合后约28天达到(并测量)。示例性压缩强度范围可以是以下任何非限制性例子：约100psi或更小，约5至约95psi。取决于特定的应用需求，所述范围可以调节在更窄范围内，例如：
约10psi到约90psi；低于约50psi；约50psi；约20psi到约80psi；低于约60psi；约60psi；约30psi到约70psi；低于约40psi；约40psi；约40psi到约60psi；低于约45psi；约45psi；约50psi到约70psi；约65psi；约15psi到约85psi；约25psi到约75psi；约35psi到约65psi；约45psi到约55psi；约50psi到约100psi；约60psi到约90psi；约65psi到约85psi；约70psi到约80psi；低于约75psi；约75psi；低于约50psi；低于约60psi；低于75psi；约55psi；约60psi；约75psi；约60psi到约85psi；约70psi到约85psi；约40到约90psi；约45到约90psi；约50到约90psi；约55到约90psi；约60到约90psi；约65到约90psi；约70至约90psi；约75到约90psi；约80到约90psi；约85psi；低于约85psi；约10到约60psi；约40psi；低于约40psi；约10到约50psi；约30psi；低于约30psi；约10至约45psi；约35psi；低于约35psi；约5至约50psi；约25psi；低于约25psi；约5psi至约30psi；约20psi；低于约20psi；约10到约30psi；约10至约25psi；约15至约85psi；约15至约50psi；约15至约40psi；约15至约35psi；约20至约65psi；约20到约55psi；约20到约40psi；约20到约35psi；约20到约30psi；约25到约35psi；约30至约40psi；或其中任何其他适当的范围。
发泡浆料可以倒入一个或多个模具中以生产一个或多个模型制品作为最终产品，或者它可以用泵大量的输送以作为其他蜂窝状填料。在一个具体的例子中，发明者将泡沫添加到Grancrete(其是以可泵送的浆料销售的商用混合物)，产生了具有稳定形式和低强度的蜂窝状结构。
本文所述的蜂窝状磷酸盐陶瓷基体的最终产品可用于多种用途，包括但不限于替代在共同拥有的美国专利号5,885,025或美国专利申请公开号2007/0077118中描述的任何材料。具体来说，这些文献描述了蜂窝状混凝土用于车辆阻拦床应用中以停止飞机、抑制某些车辆通行、或以其他方式吸收动能(具体地说，行驶车辆的动能)。在这类应用中使用所需的材料优选具有足够的强度以在冲击中保持至少某些结构但是可预见的粉碎或变形，而不是导致行驶车辆在冲击中撞毁的强度。
各种车辆示例性而非限制的强度的范围包括但不限于下述范围。大的飞行器通常需要较高的强度范围(约15-90psi)，这不仅取决于材料的最终性能，也取决于飞行器的设计、约定的速度、天气情况、机场的位置、机场交通等。中小飞行器通常需要较低的强度范围(约5至70psi)，其取决于上面列举的相同因素。道路车辆可能需要更宽的范围(约5至90psi)，取决于车辆的设计、速度、行驶条件、具体道路的位置和大小、道路交通模式、交通方便和天气状况等。最重要的考虑是提供可控的、安全变形的阻拦系统屏障，其使车轮停止，但优选避免驾乘人员致命的碰撞。
材料优选具有均匀的抗变形性，因为作用于被停止车辆成员表面的接触作用力是可预测的，其允许所述床以一种确保其具有可接受性能的方式进行设计、确定尺寸和建造。为得到这种均匀性，应该考虑材料的加工条件和固化环境。假如材料具有通过添加此处所述的制备好的泡沫提供的相对小的内部孔或流体气泡、如空气，有助于提供所需的压缩强度。
建造车辆阻拦系统可以通过在中央生产设施生产蜂窝状材料(然后运送到现场安装)或在安装有所需系统的现场制备蜂窝状材料(通过将形成的浆料以适当的尺寸倾入以获得所需的几何形状)来完成。
可应用本文所述材料的两个其它主要领域包括轻质绿色建筑材料部件和低强度的松散填料，其带有开或闭孔结构，在该结构中需要或要求有弱的结构填充材料。例如，该材料可用于制造轻质结构、块料、保温板、隔墙板、倾斜板、声音屏障、防撞屏障、低强度透水混凝土天花板、垃圾填埋材料、矿山和竖井填料、或其他任何软的地面上的松散的环境或临时填料。
现在参考图，如图1所示蜂窝状结构可以是“开孔”结构。开放的孔允许水以蒸气或液态形式渗透通过该结构。可选地，如图2所示，蜂窝状结构可以是“闭孔”的。在该实施方式中，孔不会彼此“相通”形成一个通道，因而水不能渗透通过。在任何情况下，该材料看起来像普通的蜂窝状混凝土结构、陶瓷过滤器、或多孔水泥状基体。
最终结构被认为是“开孔”或“闭孔”的材料一般取决于所使用的泡沫类型和使用的原料粉末的粒度。应该理解当提及“开孔结构”并不意味着所有的孔都是开放的，只是开放的孔比闭合的孔多。同样，提及“闭孔结构”并不意味着所有的孔都是闭合的，只是闭合的孔比开放的孔多。事实上，很少有全开放孔或全闭合孔的结构；大部分是其组合，开放的比闭合的多(或相反)。
图5说明了开孔结构的微观图，较浅的颜色表示粘合剂，较深的颗粒表示填料。泡沫产生的孔也显示出来。图6是特写图，显示相连的气泡形成的开放通道。
本发明的另一优点是回收废旧材料的可能性，如粉煤灰、底灰、渣、或任何其他粉状材料，在绿色经济中利用这些产物。多数潜在的填料具有比波特兰(portland)水泥成本低的优势，且不会携带制造时产生的高二氧化碳排放。
此外，虽然主要目的在于上述制剂自然地固化(即不被煅烧)，但如果需要，磷酸盐陶瓷制剂可煅烧产生“蜂窝状发泡玻璃”。换言之，相同的制剂可以在室温下产生最终产品，或文火煅烧(1000℃以下)，或像玻璃或普通陶瓷高温煅烧，这取决于最终用途和使用的初始原材料。对于某些煅烧技术，产生的材料可能有类似的结构和性能，如熟知的Pittsburgh Corning Corporation制造的FoamGlas
Figure BPA00001568283400181
或欧洲对应的Misapor
Figure BPA00001568283400182
这些材料采用不同的、成本更高的工艺(其需要高能量煅烧)和预加工原材料制备。这些制造商通过煅烧负载有在煅烧过程中释放气体如二氧化碳(CO2)、氧化硫(SO2)或氢气(H2)的碳酸钙(CaCO3)、硫酸钙(CaSO4)和/或碳酸钠(Na2CO3)、和铝粉(Al3O3)的浆料，生产闭孔玻璃状结构。当煅烧时这些气体被“捕获”在固态浆料中，产生孔结构称作“泡沫玻璃”。
然而，该工艺比传统煅烧更昂贵，因为它可能需要特殊的惰性气氛和/或额外的煅烧前和煅烧后步骤。此外，最终部件中形成的气泡可能含有可能稍后释放的有毒气体。对样品尺寸、尤其最终部件的高度或壁厚还有限制。因此，如上所述，发明者已确定更理想的制造方法以制备蜂窝状陶瓷或发泡玻璃，这些方法优于目前市场上可用的传统的发泡玻璃。
更具体地，磷酸盐陶瓷“蜂窝状发泡玻璃”可在绿色阶段将制备好的泡沫加入浆料中来制备。该蜂窝状结构是在煅烧前的绿色阶段形成。一旦部件干燥，它们将根据所需的最终性能在普通的空气煅烧炉中以所需温度和循环进行煅烧。尺寸的限制更少，且煅烧过程中不会产生有毒气体。用这种方法生产的发泡玻璃可能有开放或闭合的结构。如果任何气体被捕获在里边，将可能是空气或二氧化碳，且没有毒性。在制造绿色基体时，通过控制浆料/泡沫比例更容易控制最终部件的压缩强度。而经典的发泡玻璃制造方法，其通过添加在煅烧和机械混合原料过程中反应以形成气泡的化学物质，这可能会导致非均一的蜂窝状结构(例如，如果材料掺合不充分和/或如果整个浆料粒径分布不好)，而不是使用如本文所述制备好的泡沫。
可以对上面描述和附图中显示的结构和方法进行变化和修改、添加和删除，而不背离本发明范围或精神及下列权利要求。

Claims (25)

1.一种蜂窝状磷酸盐陶瓷材料，包括：
由磷酸盐化合物和金属氧化物构成的粘合剂；和
泡沫产品；
其中所述蜂窝状陶瓷材料具有小于100磅每平方英寸的完全固化的压缩强度。
2.权利要求1的材料，其中所述磷酸盐化合物是磷酸钾。
3.权利要求1的材料，其中所述金属氧化物是氧化镁。
4.权利要求1的材料，其中所述泡沫产品是制备好的泡沫。
5.权利要求4的材料，其中所述制备好的泡沫是与磷酸盐化合物和金属氧化物的浆料独立产生的。
6.权利要求1的材料，其中所述完全固化的压缩强度在约5到约90磅每平方英寸之间。
7.权利要求1的材料，其还包括一种或多种成型/固化阻滞剂。
8.权利要求1的材料，其还包括一种或多种填料。
9.权利要求1的材料，其中所述蜂窝状磷酸盐陶瓷材料是开孔或闭孔材料。
10.权利要求1的材料，其中所述蜂窝状磷酸盐陶瓷材料用作车辆阻拦系统。
11.一种制造蜂窝状磷酸盐陶瓷材料的方法，
包括：
提供或制备一种泡沫产品；
提供磷酸盐化合物和金属氧化物粉末；
将所述磷酸盐化合物和所述金属氧化物进行第一混合时间的混合以制备粉末掺合物；
将所述粉末掺合物与水进行第二混合时间的混合以形成浆料；
将所述浆料在掺合时间内包裹在泡沫中以形成蜂窝状磷酸盐陶瓷材料。
12.权利要求11的方法，其还包括加入一种或多种成型/固化阻滞剂。
13.权利要求11的方法，其还包括添加一种或多种填料。
14.权利要求11的方法，其中混合粉末掺合物与水的步骤在高剪切混合器中进行。
15.权利要求11的方法，其中所述将浆料包裹在泡沫中的步骤在低剪切混合器、桨式混合器或螺旋式混合器中进行。
16.权利要求11的方法，其中所述掺合时间少于约45分钟。
17.权利要求11的方法，其中所述蜂窝状磷酸盐陶瓷材料具有小于100磅每平方英寸的压缩强度。
18.权利要求11的方法，其中所述泡沫是在与浆料混合之前形成的。
19.权利要求11的方法，其中所述磷酸盐化合物是磷酸钾。
20.权利要求11的方法，其中所述金属氧化物粉末是氧化镁。
21.权利要求11的方法，其中所述泡沫包含阳离子型、阴离子型、非离子型表面活性剂、空气、水、或其任意组合。
22.权利要求11的方法，其中所述泡沫包括Mearlcrete
Figure FPA00001568283300021
Geofoam、CellufoamTM、GreenFroth、MaxFlow Foam Concentrate、发泡设备发泡的水和空气、或其任意组合。
23.权利要求11的方法，其中所述一种或多种填料包括粉煤灰C、粉煤灰F、炉渣、铸造灰、赤泥、膨胀聚苯乙烯、轻质有机聚集体、木浆、再生塑料、空气、硅灰、研磨玻璃、煤胞、硅灰石、石膏、细沙、钙-铝-硅酸盐粉末、水硬水泥或水泥性混合物而不是波特兰水泥、或其任意组合。
24.蜂窝状磷酸盐陶瓷材料作为车辆阻拦系统的用途，其中蜂窝状磷酸盐陶瓷材料具有小于100磅每平方英寸的压缩强度。
25.蜂窝状磷酸盐陶瓷材料作为车辆阻拦系统的用途，其中蜂窝状磷酸盐陶瓷材料是用制备好的泡沫形成的。
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