CN102765959A - 一种蓄能节能型泡沫石膏水泥复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种蓄能节能型泡沫石膏水泥复合材料的配方及其制备方法。其配方由复合胶凝材料、轻骨料、相变蓄能材料、聚合物胶乳、泡沫及发泡剂等组分组成。复合胶凝材料主要由半水石膏和水泥构成。其制备方法包括：配制发泡剂溶液，制成稳定泡沫；将水、聚合物乳液等液态组分与复合胶凝材料、相变蓄能材料及其他助剂等固态组分充分混合；再将此固液混合料浆送至装有轻骨料的泡沫混合釜中，同时引入泡沫，制得泡沫石膏水泥复合浆料等步骤。本发明无机复合泡沫材料具有白天吸热，晚上放热的蓄能功能，能有效保持室内舒适温度，防火、保温、调湿及耐水性好，强度高。可用于制造建筑内外墙防火保温层或防火保温隔离带、隔热防火保温墙板、门板及芯材，钢结构防火包覆材料等。

Description

一种蓄能节能型泡沫石膏水泥复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种建筑材料，特别是一种包含相变蓄能材料的节能型防火隔热石膏水泥复合泡沫材料配方和制造工艺。

背景技术

聚氨酯泡沫，聚苯乙烯泡沫以及酚醛树脂泡沫等塑料泡沫被视为通用的保温隔热材料，广泛用做建筑内外墙保温隔热层及门板芯材。但泡沫塑料不防火，不耐高温，燃烧过程中放出大量有毒气体。一旦发生火灾，用泡沫塑料板制成的隔热保温泡沫层即会迅速分解，甚至整个保温层消失，造成与其相连的内外装饰面板层脱落，使主结构层墙面完全暴露于火焰之中，对建筑物主结构造成严重损害。经过阻燃处理的酚醛树脂泡沫被一些制造商用作为防火芯材，但酚醛泡沫含有一定量的残留酸，对与其直接接触的金属构件有腐蚀性，并且不环保，在使用过程中缓慢释放醛类污染气体。国外民用建筑广泛采用的喷洒型回收纤维素及蓬松玻璃纤维棉毡，虽然材料本身阻燃，但由于是疏松柔软结构，火焰产生的高热很容易穿透保温层直接攻击主结构，而且，因无法涂抹砂浆层又欠缺对螺栓，钉子及其他金属构件的固着力，给装饰面墙的施工造成困难。

原料来源广泛，价格低廉的轻质无机材料，如加气混凝土或泡沫水泥可以成为合成树脂泡沫板材良好的防火替代品。但由于受到目前配方和生产工艺的限制，具有固化、养化时间长、能耗高、模具回收周期长、易开裂、节能保温功能有限的缺点。

石膏是一种应用十分广泛防火性能优良的建筑材料，当遇到火焰时会释放石膏胶凝水合时形成的结晶水，并在此过程中保持自身温度不变，延缓周围温度在火焰烘烤下上升，且不释放有毒有害气体。石膏受热失水后形成的无水硫酸钙是一种不可燃的热绝缘体，能有效阻止火焰的传播及蔓延，是真正意义上的环保型防火材料。与水泥混凝土相比，石膏的阻燃性能要高出5倍。同时，石膏制品的保温隔热性能也很好，其热导率仅为普通水泥混凝土的20％。用石膏制成的墙体具有可自动调节室内空气湿度的“呼吸”功能，墙面不结露，墙体也不易开裂变形。另外，在制造工艺方面，石膏制品具有固化快、养护时间短、模具回收周期短、快干、早强、能耗较低、节省能源等特点。但是，在大量自由水存在的条件下，普通未经防水处理的石膏耐水性比水泥制品差，其机械强度也比水泥制品低，特别是经高温火焰灼烧后，会出现高温脆化、粉化现象。同样，用石膏制成的泡沫材料防火、隔热、保温性能优异、早强、快干、无需养护，但与泡沫水泥相比，强度低、耐水性差、高温脆化、粉化现象严重。

国内外对高比例掺混石膏-水泥复合体系配方及工艺进行了许多研究和尝试，希望能将石膏和水泥各自的优点结合起来，但结果都不十分成功。主要原因是由于过量石膏与水泥混合时生成钙矾石和碳硫硅钙石，它们的形成导致体积膨胀，破坏了石膏与水泥的正常水合，使各自的胶凝作用劣化。一般情况下，石膏在水泥体系中添加量或水泥在石膏体系中的添加量需小于15％。这一比例不能满足提高泡沫石膏耐水性和改善其高温脆性的需要。攻克这一技术难题，对于推进防火型无机保温隔热泡沫材料的应用和发展具有重要的积极意义。

可用于建筑蓄能节能保温的相变材料(phase change materials)，具有接近室温的熔点。这种材料在从固相转变成液相的熔融过程，以及从液相转变成固相的凝固过程中，会从周围环境吸收或释放出大量的相变热，而材料自身温度在此过程中保持不变。如果将这种相变材料结合到建筑物墙体里面，在白天接受太阳日照下，材料温度增加到它的熔融温度时由固态转变成液态，把吸收的太阳能转变成热能储存起来。到了夜晚，温度下降时，由液态再变为固态，并释放出白天吸收的热能，从而达到保持室内舒适温度不变的功能。在炎热的夏天，墙体内的相变材料将吸收的太阳热能用于自身相转变，储存在墙体内，阻止太阳辐射热能直接由墙体传入室内，从而减轻了室内空调的负担，节省空调用电。在寒冷的冬季，相变材料又可以阻止屋内取暖热能由墙体直接散发到室外，减小室内于墙体温差，有利于保持室内温度稳定，节约供暖能耗。相变蓄能材料需被密封在墙体材料内，相转变要在密闭环境下进行以免液态材料流失。

发明内容

本发明的目的在于提供一种蓄能节能型石膏水泥复合泡沫材料配方及其制造方法。本发明制备的新型石膏水泥复合泡沫材料具有固化时间短、初始强度高、自然养护期短或无需养护、耐水性好、高温不粉化、阻燃防火、隔热保温、蓄能节能、隔音吸音、无毒环保等特点。

本发明的技术方案是通过下列配方和制造工艺实现的：

由复合胶凝材料、轻骨料、相变蓄能材料、聚合物胶乳、泡沫及发泡剂、纤维、表面活性剂、阻燃剂、水、及其他助剂等组分构成，各组分重量百分配比如下：

复合胶凝材料30-80％、轻骨料0.5-30％、相变蓄能材料0.5-30％、聚合物乳液0.5-15％、泡沫及发泡剂0.5-25％、纤维0.2-5％、表面活性剂0.05-0.3％、阻燃剂0-15％、水8-50％、其他助剂0-5％。

复合胶凝材料的重量百分比组成为：石膏(半水石膏：CaSO4·1/2H2O)20-70％、水泥30-80％、硅灰0-20％、生石灰0-8％；

轻骨料为聚苯乙烯泡沫颗粒、膨胀珍珠岩、蛭石或木粉，其粒径为0.1-5mm；

相变蓄能材料为水合盐、石蜡、或十八烷、以及它们的聚合物微胶囊包覆体、多孔微粒吸附体、或多孔吸附体再经聚合物微胶囊包覆制成的颗粒。相变温度范围是15-35℃；

聚合物乳液包括丁苯胶乳、氯丁胶乳、丙烯酸脂乳液、聚乙烯醇乳液、乙烯醋酸乙烯共聚物乳液(EVA乳液)、或环氧树脂胶乳及其固化剂，为其中的一种或几种乳液的混合物；

发泡剂溶液是由水、主发泡剂和上述聚合物乳液组成的混合溶液。主发泡剂为烃基聚氧乙烯醚、烷基磺酸盐、脂肪酸皂或蛋白皂中的一种或几种的配合物，并可与一定比例的泡沫稳定剂并用。主发泡剂在发泡剂溶液中的浓度为0.05-10.0％，聚合物乳液在发泡剂溶液中的浓度为0.02-1.5％。发泡剂溶液经压缩空气发泡机吹出细小稳定的泡沫，泡孔直径为0.05-2.0mm。泡沫密度为10-150kg/m3；

纤维为玻璃纤维、聚酯短纤维、聚丙烯短纤维或再生植物纤维，长度约5-50mm；

表面活性剂为烃基苯磺酸盐、脂肪醇乙氧基醚、顺丁烯二酸-苯乙烯共聚物钠盐；

阻燃剂为氢氧化镁、或氢氧化铝；

其他助剂可包括减水剂，如萘磺酸盐甲醛缩合物、或三聚氰胺甲醛缩合物或改性聚羧酸盐；缓凝剂，如羟基酸、葡萄糖酸、聚氧甲基氨基酸或木质素磺酸钙；以及泡沫稳定剂、加气剂、防霉剂等。

本发明的制造工艺如图1所示，包括如下步骤：

步骤1：按重量百分比称取各组分：复合胶凝材料30-80％、轻骨料0.5-30％、相变蓄能材料0.5-30％、聚合物乳液0.5-15％、泡沫及发泡剂0.5-25％、纤维0.2-5％、表面活性剂0.05-0.3％、阻燃剂0-15％、水8-50％、其他助剂0-5％；

其中，泡沫按如下方法制备：配制主发泡剂浓度为0.05-10.0％、聚合物乳液浓度为0.02-1.5％的发泡剂水溶液。然后将发泡剂溶液送至压缩空气发泡机，生产出符合配方密度要求的细小泡沫；

步骤2：将水、聚合物乳液和表面活性剂等液态组分加入原料混合搅拌釜中。将复合胶凝材料、相变蓄能材料、纤维、阻燃剂、以及其他助剂，如减水剂，缓凝剂等固态组分进行预混，再在搅拌条件下逐步加入原料混合搅拌釜中，在中等速度下搅拌，使固、液组分充分混合，制成固液混合浆料；

步骤3：轻骨料预先加入泡沫混合搅拌釜。然后将混合料浆倒入或泵送至该釜中，中速搅拌均匀。同时，把符合设计要求的泡沫也送入泡沫混合搅拌釜，在低至中速搅拌下与釜中的轻质混合料浆混合充分，制得泡沫石膏水泥复合浆料；

步骤4：该泡沫复合浆料可进行现场直接浇注，4-6小时后即可实施后续工序，也可倒入模具，制成不同形状的板材或型材。注模成型4-6小时后即可脱模，自然养护7天，制得成品；

步骤5：为进一步提高强度，浇注前可在模具底部覆盖玻璃纤维网格布，聚丙烯或聚酯无纺布等增强织物，浇注过程中也可在模具中部添加一层或多层增强织物，或金属、玻纤、塑料网格筋或蜂巢结构。注满模具后，可在物料上部再覆盖一层增强织物。

上述制造工艺中，泡沫也可以被直接加入原料混合搅拌釜，所得含有泡沫的浆料再被送入泡沫混合搅拌釜与轻骨料混合。

若采用滚筒式搅拌机或滚筒式混凝土搅拌车，原料混合和泡沫混合可以在同一滚筒式搅拌机或搅拌车中进行。加料顺序为液态组分、固态组分、轻骨料、最后加泡沫。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的效果：

1.本发明材料的主体为耐高温无机泡沫，防火性能优异。使用过程中无有害气体释放，不腐蚀相邻金属构件，燃烧过程中基体不分解，是合成树脂泡沫板材，如聚苯乙烯泡沫板的优良防火替代品。同时在一侧遭遇火焰燃烧过程中，基体不但不分解，还能长时间保持应有的机械强度，并可阻止火焰的高温渗透，同蓬松的玻纤棉毡及回收木质纤维素相比，本发明材料能够更为有效地保护被其包覆的结构和物体。

2.本发明采用石膏水泥复合配方，攻克了石膏水泥无法高比例掺混制得性能优良的材料的技术难题。本发明材料集合了两者各自的优点。由于配方中含有很高比例石膏，所得材料在阻燃、隔热、调湿、抗开裂性能方面比普通泡沫水泥材料优异，并且成型固化时间短、初始强度高、养护期短或无需养护、浇注后4-6小时即可脱模。配方中添加的水量控制严格，所加水分可以与石膏水泥充分反应，基本上无需额外干燥过程，能耗低，节省能源。同时，由于大量水泥成分的存在，相比于普通泡沫石膏，本发明所得材料的强度和耐水性得到了显著提高，并且在长时间遭遇高温后不脆化，不粉化。

3.本发明配方中添加了相变蓄能材料，特别是一种微胶囊包覆的相变蓄能材料，给石膏水泥复合泡沫增添了蓄能节能的功能。这种相变蓄能材料可在白天接受太阳日照下，材料温度增加到其熔点以上时，由固态转变成液态，吸收大量热能，并将能量储存在材料中，到了夜晚，温度降至熔点以下时，由液态再变为固态，并释放出白天吸收的热能，从而达到保持室内舒适温度不变，减轻空调和取暖设备负担，降低能耗，节省能源的功能。另外，在本发明配方实验中，意外地发现所添加的相变蓄能材料兼有是石膏水泥泡沫混合体系更加稳定的作用。这一作用已被本发明大量的配方实验所证实。

4.配方中添加的无机阻燃剂进一步提高了石膏水泥复合泡沫材料的整体阻燃性能。这类阻燃剂可在200-350℃左右先行分解脱水并吸热，有效地配合了石膏与水泥的脱水分解反应，从而保证了整个基体能够长时间抵抗800℃以上的高温，而材料仍然保持足够的物理机械性能。

5.聚苯乙烯泡沫颗粒等轻骨料的加入，不仅使石膏水泥复合泡沫材料的密度得以有效的降低，同时保持了一定的基体强度，而且由于聚苯乙烯泡沫颗粒的热导率很低，它们均匀分散在泡沫石膏水泥体系中，使材料的整体热导率下降，从而进一步增加了石膏水泥复合泡沫材料的隔热保温性能。

6.本发明配方中可添加回收木屑，回收新闻纸纤维素等工业废料，二次使用可再生天然资源，有利于环境保护。这些材料的加入，增加了泡沫石膏水泥板材对螺栓，螺钉等金属构件的固着能力，解决了民用建筑中通常使用的蓬松隔热材料对螺栓，螺钉等金属构件缺乏固着力的问题。

依照本发明所制得材料可用于制造建筑内外墙防火保温层或防火保温隔离带、隔热防火保温墙板、门板及芯材、钢结构轻质防火包覆材料、隧道地铁防火层、油井封堵材料等。可现场浇注，也可制成各种形状的板材或型材。

附图说明

图1为本发明的制造工艺流程图；

图2为本发明实施例3和6复合泡沫样品的降温曲线。

具体实施例

实施例1

步骤1：按重量百分比称取：半水石膏36％、水泥24％、硅灰2％、石灰1％、膨胀珍珠岩(轻骨料)2％、微胶囊包覆石蜡(相变温度26℃)3％、聚乙烯醇乳液3.2％、泡沫2.8％、玻璃纤维1.2％、表面活性剂0.1％、氢氧化镁(阻燃剂)2.5％、萘磺酸钠(减水剂)0.2％、水22％；

其中，泡沫按如下方法制备：配制烃基聚氧乙烯醚浓度为0.2％，聚乙烯醇乳液浓度为0.1％的发泡剂溶液。然后将发泡剂溶液送至压缩空气发泡机，生产出泡沫的泡孔直径约为0.3mm，泡沫密度为80kg/m3；

步骤2：将水、聚合物乳液和表面活性剂等液态组分加入原料混合搅拌釜中。将半水石膏、水泥等复合胶凝材料、相变蓄能材料、纤维、阻燃剂、以及其他助剂，如减水剂等固态组分进行预混，再在搅拌条件下逐步加入原料混合搅拌釜中，在中等速度下搅拌，使固、液组分充分混合，制成固液混合浆料；

步骤3：轻骨料预先加入泡沫混合搅拌釜。然后将混合料浆倒入或泵送至该釜中，中速搅拌均匀。同时，把步骤1中的泡沫也送入泡沫混合搅拌釜，在低至中速搅拌下与釜中的轻质混合料浆混合充分，制得泡沫石膏水泥复合浆料；

步骤4：该泡沫复合浆料倒入长方形模具。注模成型6小时后脱模，自然养护7天，制成厚长宽约为50x305x305mm的板材；

步骤5：为进一步提高强度，浇注前在模具底部覆盖玻璃纤维网格布，注满模具后，可在物料上部再覆盖一层玻纤网。

实施例2

按重量百分比称取：半水石膏36％、水泥24％、硅灰2％、石灰1％、聚苯乙烯泡沫颗粒(轻骨料)2％、微胶囊包覆石蜡(相变温度26oC)3％、丙烯酸乳液3.2％、泡沫2.8％、玻璃纤维1.2％、表面活性剂0.1％、氢氧化镁2.5％、萘磺酸钠0.2％、水22％；

其中，泡沫按如下方法制备：配制十二烷基苯磺酸钠浓度为0.3％，丙烯酸乳液浓度为0.06％的发泡剂溶液。然后将发泡剂溶液送至压缩空气发泡机，生产出泡沫的泡孔直径约为0.5mm，泡沫密度为50kg/m3；其他制备工艺步骤同实施例1。

实施例3-8

实施例3-8为六种不同配方的对比试验。其六种配方列于表1中，采用实施例2中制备的泡沫，并均按实施例1的工艺方法制成厚长宽约为50x305x305mm的板材。

表1.复合泡沫实施例3-8的重量百分比配方

抗压强度按照ASTM C109测试，耐火极限按GB 9978-88测试。表2列出了按实施例3-8配方制得的复合泡沫材料的主要性能。由实施例3和4的抗压强度可以看出在密度相似的情况下，硅灰和石灰对提高符合泡沫的机械性能贡献不如相变材料明显，微包覆石蜡相变材料的加入使实施例6泡沫材料的抗压强度比实施例3增加了70％以上。这种相变材料和阻燃剂对石膏-水泥体系的稳定作用和协同效应是本发明的一项最新的实验发现结果，从未在中外科技刊物和专利文献中报道过。同时，比较实施例5和8还可以看出包含木屑或木纤维的配方所得材料对金属螺钉的拔出力提高了约37％，已与普通石膏板对金属螺钉的拔出力，约96牛顿(N)相当。这表明本发明复合泡沫板材可以按石膏板等通用建筑板材标准进行机械固定和安装。

表2.按实施例3-8配方制得的复合泡沫的主要性能

将实施例3和6所得样品缓慢升温到40℃以上，然后同时放入温度稳定在12℃的环境中缓慢降温，连续记录样品的温度变化，得到如图2所示的降温曲线。两样品在初始阶段的降温模式非常一致，但当温度降至相变材料熔点26℃左右时，包含相变材料的实施例6样品的降温速度明显减缓。从26℃降到18℃，相变蓄能材料使实施例6样品的保温时间比不包含相变材料的实施例3样品延长了一倍。这充分说明了相变蓄能材料在调节，保持室内温度和降低能源消耗方面的有效性和实用性。

Claims (10)

1.一种蓄能节能型泡沫石膏水泥复合材料，其特征在于：按组分的重量百分配比，包括：复合胶凝材料30-80％、轻骨料0.5-30％、相变蓄能材料0.5-30％、聚合物乳液0.5-15％、泡沫及发泡剂0.5-25％、水8-50％。

2.如权利要求1所述的一种蓄能节能型泡沫石膏水泥复合材料，其特征在于：按组分的重量百分配比，还包括：纤维0.2-5％、表面活性剂0.05-0.3％、阻燃剂0-15％、其他助剂0-8％。

3.如权利要求1或2所述的一种蓄能节能型泡沫石膏水泥复合材料，其特征在于：所述复合胶凝材料的重量百分比组成为：半水石膏20-70％、水泥30-80％、硅灰0-20％、生石灰0-8％。

4.如权利要求1或2所述的一种蓄能节能型泡沫石膏水泥复合材料，其特征在于：所述轻骨料为聚苯乙烯泡沫颗粒、膨胀珍珠岩、或木粉。

5.如权利要求1或2所述的一种蓄能节能型泡沫石膏水泥复合材料，其特征在于：所述相变蓄能材料为聚合物微胶囊包覆的水合盐、石蜡、或十八烷。

6.如权利要求1或2所述的一种蓄能节能型泡沫石膏水泥复合材料，其特征在于：所述聚合物乳液为丙烯酸乳液、聚乙烯醇乳液、EVA乳液、或环氧树脂胶乳及其固化剂。

7.如权利要求1或2所述的一种蓄能节能型泡沫石膏水泥复合材料，其特征在于：所述泡沫由发泡剂溶液制备，所述发泡剂溶液由主发泡剂和所述聚合物乳液组成，主发泡剂在发泡剂溶液中的浓度为0.05-10.0％，所述聚合物乳液在发泡剂溶液中的浓度为0.02-1.5％。

8.如权利要求7所述的一种蓄能节能型泡沫石膏水泥复合材料的发泡剂溶液，其特征在于：所述主发泡剂为烃基聚氧乙烯醚或烷基磺酸盐。

9.如权利要求2所述的一种蓄能节能型泡沫石膏水泥复合材料，其特征在于：所述纤维为玻璃纤维；表面活性剂为脂肪醇乙氧基醚或烃基苯磺酸钠；阻燃剂为氢氧化镁，或氢氧化铝。

10.一种蓄能节能型泡沫石膏水泥复合材料的制造方法如下：

步骤1：按重量百分比称取各组分：复合胶凝材料30-80％、轻骨料0.5-30％、相变蓄能材料0-30％、聚合物乳液0.5-15％、泡沫及发泡剂0.5-25％、纤维0.2-5％、表面活性剂0.05-0.3％、阻燃剂0-15％、水8-50％、其他助剂0-5％；

其中，泡沫按如下方法制备：配制主发泡剂浓度为0.05-10.0％，聚合物乳液浓度为0.02-1.5％的发泡剂水溶液，然后将发泡剂溶液送至发泡机，生产出符合密度要求的泡沫；

步骤2：将水、聚合物乳液和表面活性剂等液态组分加入原料混合搅拌釜中。将复合胶凝材料、相变蓄能材料、纤维、阻燃剂、以及其他助剂，如减水剂、缓凝剂等固态组分进行预混，再在搅拌条件下逐步加入原料混合搅拌釜中，使固，液组分充分混合，制成固液混合浆料；

步骤3：将固液混合料浆倒入或泵送至预先装有轻骨料的泡沫混合搅拌釜中，中速搅拌均匀，再把符合设计要求的泡沫送入该搅拌釜，制得泡沫石膏水泥复合浆料；

步骤4：泡沫复合浆料可进行现场直接浇注，也可倒入模具，制成不同形状的板材或型材。脱模后，自然养护，制得成品；

步骤5：浇注过程中可添加玻纤、金属或塑料增强织物、网格筋或蜂巢结构等对泡沫复合浆料表面或内部进行增强。

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