CN102910936A - 环保型地聚物基泡沫材料 - Google Patents

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杜海燕
郝瑞华
张晓艳
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Abstract

本发明公开了一种环保型地聚物基泡沫材料，利用粉煤灰中的主要成分氧化铝和氧化硅，通过加入氢氧化钠或者氢氧化钾对粉煤灰进行碱激活发生地聚反应，并利用单质Al在碱性条件下发生化学反应，产生气体以在浆料中发泡，制备出具有低密度高强度的地聚物基泡沫材料。本发明在减少固体废弃物污染和空气污染的同时，实现了粉煤灰的高值利用，达到节能减排，绿色环保的目的。地聚物基泡沫材料不仅符合一级保温板的要求，并且工艺简单，免高温烧结。

Description

环保型地聚物基泡沫材料
技术领域
本发明属于一种以成分为特征的陶瓷组合物，特别涉及一种属于多孔陶瓷技术领域的地聚物基泡沫材料及其制备方法。
背景技术
地质聚合物(Geopolymer)，简称“地聚物”，是一类具有硅氧四面体和铝氧四面体通过桥氧键相连接的类沸石三维网状结构的新型水硬性胶凝材料。地聚物通常是由具有火山灰活性的硅铝原料，如：偏高岭土、高岭土、粉煤灰、火山灰、粘土等，在较低温度下，经适当的工艺处理得到的，具有免高温烧结的工艺特点。并且由于其独特的结构，不仅兼有有机高聚物、陶瓷、水泥的特点，还表现出一些独特的性能，如高强度、快硬固化性、耐高温、隔热、耐酸抗侵蚀、吸附有害毒物等。利用这些优良的性能，地聚物已经得到了很多的应用，尤其是在筑路和建筑材料方面。地聚物基泡沫材料是由刚性骨架和内部的孔洞组成，由于具有能量吸收性能好、质轻、气孔率高等诸多优异的性能，在保温材料，结构材料很多领域都获得了广泛的应用。
目前，市场上所使用的保温材料主要分为有机质和无机质两大类。有机质类具有轻质、保温、隔热、防水等特点，但防火能力差；无机类最大的优点就是防火能力强，然而容重、导热系数均偏高。如何制备一种兼备轻质又能保温、防火的保温材料是目前的研究热点。粉煤灰是火力发电厂排放的固体废物，近年来，由于它的大量堆积对环境造成了巨大的压力。若利用粉煤灰制备地聚物基泡沫材料，可以提高粉煤灰的附加价值，减缓其对环境造成的压力。同时该制备工艺是免高温烧结的，极大地提高了节能减排的效率。
发明内容
本发明的目的，是对火力发电厂排放的固体废物粉煤灰进行直接利用，提供一种环保型地聚物基泡沫材料及其制备方法。
本发明通过如下技术方案予以实现：
一种环保型地聚物基泡沫材料，其原料组分为粉煤灰，无定形二氧化硅，铝粉，氢氧化钠或者氢氧化钾及稳泡剂；所述稳泡剂为油酸；
上述环保型地聚物基泡沫材料的制备方法，具有如下步骤：
（1）将氢氧化纳或者氢氧化钾溶于水中，配制8-16%摩尔百分比的碱溶液；
（2）按照粉煤灰和无定形二氧化硅的Si:Al摩尔比为1.6～2.2:1的比例称取粉煤灰和无定形二氧化硅；
（3）将步骤（2）称取的无定形二氧化硅在搅拌条件下缓慢加入到步骤（1）的氢氧化钠或者氢氧化钾的碱溶液中，并持续搅拌得到呈液态流动状的硅酸钠水溶液；随后再将粉煤灰在搅拌条件下缓慢加入到上述硅酸钠溶液中，搅拌3min，配置成固相含量为52%-68%的浆料；然后再将浆料注入球磨罐中，在650rpm转速下球磨10～30min；
（4）将铝粉按总固体的质量百分比为0.02-0.08wt%,将稳泡剂按浆料的体积百分比为0.01v%，同时外加到步骤（3）球磨均匀的浆料中，充分搅拌，使铝粉及稳泡剂在浆料中分散均匀后，将浆料注入模具中，常温放置6h，使其充分发泡；
（5）将步骤（4）已充分发泡的坯体置于60-90℃加热固化，脱模后置于常温下的阴凉处养护7～14天；坯体干燥后即制得环保型地聚物基泡沫材料。
所述粉煤灰的组分及其质量百分比含量为Al2O3≥27wt%，SiO2≥47wt%，Fe2O3≤7wt%。
本发明利用粉煤灰中的主要成分氧化铝和氧化硅，通过加入氢氧化钠对粉煤灰进行碱激活发生地聚反应，并利用单质Al在碱性条件下发生化学反应，产生气体以在浆料中发泡，制备出具有低密度高强度的地聚物基泡沫材料。本发明在减少固体废弃物污染和空气污染的同时，实现了粉煤灰的高值利用，达到节能减排，绿色环保的目的。地聚物基泡沫材料不仅符合一级保温板的要求，并且工艺简单，免高温烧结。
附图说明
图1是本施例3的环保型地聚物基泡沫材料SEM电子扫描形貌图；
图2是实施例4的环保型地聚物基泡沫材料SEM电子扫描形貌图。
具体实施方式
本发明利用单质Al在碱性条件下发生化学反应，产生气体以在浆料中发泡；粉煤灰是火山灰类物质，在碱性条件下激活发生地聚反应，产生地聚物，即在低温（≤100℃）条件下产生一类高强度陶瓷材料，具有免烧、降低成本、工艺简单的效果。
下面通过具体实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
配制摩尔分数为10%的氢氧化钠溶液，按照粉煤灰和二氧化硅中硅铝元素的Si：Al摩尔比为1.8：1称取粉煤灰和二氧化硅，将二氧化硅在搅拌条件下缓慢加入氢氧化钠溶液中，搅拌均匀得硅酸钠溶液，然后将粉煤灰在搅拌条件下加入到硅酸钠溶液中，配成固相含量为62%的浆料，球磨10分钟。球磨后加入0.04wt%的铝粉发泡，同时加入0.01v%的稳泡剂,将充分发泡后的料浆注入d×h为50mm×125mm的圆柱形的模具中，置于室温6h充分发泡后，在70℃加热固化，脱模后于常温下置于阴凉处养护7天。所得泡沫陶瓷的形状为规则圆柱形，其密度采用质量/体积的方法测定，抗压强度按GB/T 1965-1996测定，所得性能详见表1。
实施例2
配制摩尔分数为8%的氢氧化钾溶液，按照粉煤灰和二氧化硅中硅铝元素的Si：Al摩尔比为2.0：1称取粉煤灰和二氧化硅，将二氧化硅在搅拌条件下缓慢加入氢氧化钠溶液中搅拌均匀得硅酸钠溶液，然后将粉煤灰在搅拌条件下加入到硅酸钠溶液中，配成固相含量为62%的浆料，球磨10分钟。球磨后加入0.06wt%的铝粉发泡，同时加入0.01v%的稳泡剂,将充分发泡后的料浆注入d×h为50mm×125mm的圆柱形的模具中，置于室温6h充分发泡后，在70℃加热固化，脱模后于常温下置于阴凉处养护7天。所得泡沫陶瓷的形状为规则圆柱形，其密度采用质量/体积的方法测定，抗压强度按GB/T 1965-1996测定，所得性能详见表1。
实施例3
配制摩尔分数为12%的氢氧化纳溶液，按照粉煤灰和二氧化硅中硅铝元素的Si：Al摩尔比为2.0：1称取粉煤灰和二氧化硅，将二氧化硅在搅拌下缓慢加入氢氧化钠溶液中搅拌均匀得硅酸钠溶液，然后将粉煤灰搅拌下加入到硅酸钠溶液中配成固相含量为65%的浆料，球磨10分钟。球磨后加入0.04wt%的铝粉发泡，同时加入0.01v%的稳泡剂,将充分发泡后的料浆注入d×h为50mm×125mm的圆柱形的模具中，置于室温6h充分发泡后，在70℃加热固化，脱模后于常温下置于阴凉下养护7天。所得泡沫陶瓷的形状为规则圆柱形，其密度采用质量/体积的方法测定，抗压强度按GB/T 1965-1996测定，所得性能详见表1。
图1是本施例3的环保型地聚物基泡沫材料SEM电子扫描形貌图，可以说明，利用此方法制备的泡沫陶瓷具有良好均匀的孔结构，并且大部分为闭孔结构，这将有利于进一步提升保温效果。
实施例4
配制摩尔分数为12%的氢氧化纳溶液，按照粉煤灰和二氧化硅中硅铝元素的Si：Al摩尔比为2.2：1称取粉煤灰和二氧化硅，将二氧化硅在搅拌下缓慢加入氢氧化钠溶液中搅拌均匀得硅酸钠溶液，然后将粉煤灰搅拌下加入到硅酸钠溶液中配成固相含量为62%的浆料，球磨10分钟。球磨后加入0.02wt%的铝粉发泡，同时加入0.01v%的稳泡剂,将充分发泡后的料浆注入d×h为50mm×125mm的圆柱形的模具中，置于室温6h充分发泡后，在70℃加热固化，脱模后于常温下置于阴凉下养护7天。所得泡沫陶瓷的形状为规则圆柱形，其密度采用质量/体积的方法测定，抗压强度按GB/T 1965-1996测定，所得性能详见表1。
图2是实施例4的环保型地聚物基泡沫材料SEM电子扫描形貌图，可以说明，利用此方法制备的泡沫陶瓷具有良好均匀的孔结构，铝粉含量的减少使得孔径变小，大部分仍为闭孔结构。
表1
  实施例   密度(g/cm3)   抗压强度(MPa)
  1   0.46   0.85
  2   0.39   0.70
  3   0.49   0.92
  4   0.51   1.23

Claims (2)

1.一种环保型地聚物基泡沫材料，其原料组分为粉煤灰，无定形二氧化硅，铝粉，氢氧化钠或者氢氧化钾及稳泡剂；所述稳泡剂为油酸；
上述环保型地聚物基泡沫材料的制备方法，具有如下步骤：
（1）将氢氧化纳或者氢氧化钾溶于水中，配制8-16%摩尔百分比的碱溶液；
（2）按照粉煤灰和无定形二氧化硅的Si:Al摩尔比为1.6～2.2:1的比例称取粉煤灰和无定形二氧化硅；
（3）将步骤（2）称取的无定形二氧化硅在搅拌条件下缓慢加入到步骤（1）的氢氧化钠或者氢氧化钾的碱溶液中，并持续搅拌得到呈液态流动状的硅酸钠水溶液；随后再将粉煤灰在搅拌条件下缓慢加入到上述硅酸钠溶液中，搅拌3min，配置成固相含量为52%-68%的浆料；然后再将浆料注入球磨罐中，在650rpm转速下球磨10～30min；
（4）将铝粉按总固体的质量百分比为0.02-0.08wt%,将稳泡剂按浆料的体积百分比为0.01v%，同时外加到步骤（3）球磨均匀的浆料中，充分搅拌，使铝粉及稳泡剂在浆料中分散均匀后，将浆料注入模具中，常温放置6h，使其充分发泡；
（5）将步骤（4）已充分发泡的坯体置于60-90℃加热固化，脱模后置于常温下的阴凉处养护7～14天；坯体干燥后即制得环保型地聚物基泡沫材料。
2.根据权利要求1的环保型地聚物基泡沫材料，其特征在于，所述粉煤灰的组分及其质量百分比含量为Al2O3≥27wt%，SiO2≥47wt%，Fe2O3≤7wt%。
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