CN102925114A - 粉煤灰相变微珠及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种粉煤灰相变微珠及其制备方法，以及粉煤灰相变微珠在制备建筑外墙涂料中的应用。所述粉煤灰相变微珠通过如下方法制得：将粉煤灰焙烧活化，将活化粉煤灰加入至NaOH溶液中，搅拌，分离，取上清液，加入适量NaAlO₂，调节溶液中Si∶Al比，密闭反应后，固液分离，洗涤后的固相产物烘干得到沸石分子筛；加入至全部熔化的固体石蜡、癸酸与月桂酸中，搅拌0.5~1h后，常温风干制得粉煤灰相变微珠。本发明粉煤灰相变微珠蓄热放热效果良好，具有较高的机械强度和很好的稳定性，由于毛细管作用液态相变材料不易渗漏，相变温度适合建筑节能材料，且制备成本低廉，可在制备建筑墙体材料如外墙涂料中应用。

Description

粉煤灰相变微珠及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及煤炭、煤矸石等燃烧产生的粉煤灰资源化利用的方法，具体为一种粉煤灰相变微珠及其制备方法，以及粉煤灰相变微珠在建筑外墙材料方面的应用。

背景技术

目前，全球范围内能源供应短缺的现状与人们对室内环境热舒适度要求日益提高的需求，是能源规划与建筑设计不可忽视的矛盾。在我国，建筑能耗连同围护结构材料生产能耗已占到全国能耗总量的27.6%，并将随着人民生活水平的提高逐步增加到33％以上。伴随着我国城市化建设的推进，随着人们生活水平的提高，人们对室内环境的舒适度要求也越来越高，空调普及程度越来越高，建筑能耗在社会商品能源总消费量所占的比例也将持续增加，对国民经济发展和人民的正常生活的影响日益突出。因此，如何使人们舒适度、节能、环保保持平衡已成为建筑设计及节能领域的研究热点，寻求既可满足建筑结构、功能要求又可实现建筑节能的建筑材料。

相变材料可在较窄的温度范围内，蓄存或释放大量的潜热，且该过程可逆，可应用于建筑外围护结构，提高建筑的热惰性，缓解室内温度波动，削减空调负荷的峰值；又可与传统空调采暖系统相结合，蓄存廉价或免费的冷热量，从而起到建筑节能的作用。理想的相变储能材料需满足以下条件：合适的相变温度及较大的相变潜热；适合的导热系数；相变时膨胀或收缩性小；相变的可逆性好，不发生过冷现象，性能温度；无毒、无腐蚀性、无异味、无降解；原料易购，价格便宜。

通常采用的常低温相变材料主要是石蜡类和脂肪酸类有机物。石蜡主要是碳原子数在15~24之间的烷烃混合物，具有相变潜热高，无过冷现象，不析出，性能稳定、无腐蚀性以及在有机相变材料中价格最低等优点，已成为国内外在储能方面的研究热点。脂肪酸类有机物的碳原子数主要在10~18之间，如癸酸、月桂酸、肉豆蔻酸、软脂酸、硬脂酸等。石蜡相变材料具有较高的相变焓和良好的化学稳定性，是应用于建筑墙体的首选相变材料，但纯烷烃的价格及其昂贵，不利于研究和实际使用；而脂肪酸相变材料的特性与石蜡相近，价格也适中，也有一定的应用价值。

将相变材料掺入到现有的建筑材料中，制成相变蓄能围护结构，可以大大增强围护结构的蓄热功能，使得少量的材料就可以储存大量的热量。由于相变材料在熔化吸热时变为液态，因此现在多采用高分子微胶囊封装相变材料以防止发生渗漏。专利201210036398.5发明了一种隔热保温相变调温涂料，在建筑涂料中添加相变微胶囊以实现自动调温，提高隔热保温性能。但是该相变微胶囊价格非常高，而且高分子材料导热性能较差，相变过程中发生体积变化（15%），机械强度较弱，导致多数相变微胶囊的循环性能较低。专利201110404154.3发明了一种多孔复合有机相变蓄热材料，用正十八烷和正二十烷混合作为相变材料，以市售常规分子筛作为载体，制备了相变蓄热材料，其相变温度为30.5~36.2℃，基本符合建筑外墙体蓄热保温要求。但由于纯的正十八烷和正二十烷价格非常高，而且市售分子筛价格也不菲，因此，在工业化应用中受到很大的限制。

我国以煤为主要能源，电力的76％是由煤炭产生的。2010年全国排放粉煤灰已超过4.5亿吨，成为世界最大的排灰国，其利用率约为30~40%，且大多利用水平较低，附加值较低。粉煤灰占用土地资源、引起大气和地下水污染的问题日益突出，并对农业生产产生巨大影响。经分析，粉煤灰是煤粉经高温燃烧后形成的一种似火山灰质的混合材料，含有很多玻璃微珠（漂珠、磁珠和沉珠等），主要成分是SiO₄和Al₂O₃（二者含量约为80~90%），与沸石分子筛的成分相同，且具有抗压强度高、耐火度高、电阻率高、耐腐蚀率高、热传导系数低和热收缩系数小等特点，是很好的功能填料。因此，大力开发粉煤灰在节能材料领域的功能填料潜质具有深远的现实意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种粉煤灰相变微珠及其制备方法，所制备的粉煤灰相变微珠强度好，液态相变材料不渗漏，蓄热放热效果良好，且制备成本低廉，可以在制备建筑外墙涂料中应用。

本发明提供的一种粉煤灰相变微珠，通过包括如下步骤的方法制得：

1）粉煤灰沸石分子筛制备

将粉煤灰过100~300目筛，600~850℃下焙烧活化0.5~1h后，按固液比1∶8~15将活化粉煤灰加入至1~7mol/L的NaOH溶液混合成泥浆状，70~80℃下搅拌2h后，离心分离取上清液；在上清液中加入适量NaAlO₂，调节溶液中Si∶Al为3~7（摩尔比），快速搅拌30min，100℃密闭反应5~24h后，固液分离，并用去离子水反复洗涤至滤液PH值约为8~9，洗涤后的固相产物于100℃烘干得到沸石分子筛；

2）粉煤灰相变微球制备

按10~20∶60~55∶30~25的质量比称取固体石蜡、癸酸与月桂酸，加热使其全部熔化，搅拌，混合均匀后，再与粉煤灰沸石分子筛按质量比1∶2~5混合，并搅拌0.5~1h后，常温风干制得粉煤灰相变微珠。

本发明粉煤灰相变微珠具有较高的相变焓、机械强度和很好的稳定性，相变温度适合建筑节能材料，可用于制备建筑外墙节能涂料。

本发明的一种建筑外墙涂料，含有如前所述的粉煤灰相变微珠。

与现有技术相比，本发明的优点和效果为：

1）本发明中采用大宗工业固体废弃物粉煤灰制备沸石分子筛，通过液态相变材料对其熔融浸渍，使沸石分子筛表面微孔及内笼中充满相变材料，温变响应较灵敏；当相变材料在温变过程中发生固液相变时，由于毛细孔的表面张力及吸附力，液态相变材料不会从中流出渗漏；与其它高分子材料微胶囊相变材料相比，本发明的粉煤灰沸石分子筛相变材料的抗压强度提高很多，不易变形。

2）将工业级固体石蜡和脂肪酸（癸酸、月桂酸）混合制成的相变材料，价格低廉，且性能和石蜡接近，具有较高的相变焓、很好的稳定性和机械强度，相变温度适合建筑节能材料，很有应用价值。

3）本发明中将粉煤灰相变微珠用于建筑外墙涂料中，该涂料施工简单、涂膜弹性好、附着力强，且可以使建筑物室内与室外间的热流波动幅度被减弱，有效降低建筑物供暖、空调系统的设计负荷，从而达到节能降耗的效果。

4）我国粉煤灰资源丰富，廉价易得，本发明对粉煤灰进行高值利用，使其变废为宝，一定程度缓解粉煤灰大量堆积带来的环境问题及社会问题。

具体实施方式

实施例1

1）粉煤灰沸石分子筛制备

将太原第一热电厂的粉煤灰过200目筛，置于马弗炉820℃下焙烧活化1h后，称取45g该活化粉煤灰，加入450ml 3mol/L的NaOH溶液混合成泥浆状，80℃下搅拌（300r/min）2h后，离心分离取上清液备用；在其中加入10g NaAlO₂，搅拌（2500r/min）30min后，将制得的硅铝凝胶转置于反应釜中，100℃密闭反应10h后，离心分离，并用去离子水反复洗涤至滤液PH值约为8.5，洗涤后的产物于100℃烘干24h后得到沸石分子筛。

2）粉煤灰相变微珠制备

称取固体石蜡1.5g、癸酸9g与月桂酸4.5g，在烧杯中混匀，用电炉加热使其全部熔化，在300r/min转速下搅拌30min，制成均匀的液体共熔混合物；加入45g粉煤灰沸石分子筛，在500r/min转速下搅拌0.5h，常温风干制得粉煤灰相变微珠。通过差示扫描量热仪检测该粉煤灰相变微珠的相变温度为23.6℃，熔化潜热为152.0J/g。

粉煤灰相变微珠在外墙涂料中的应用

将滑石粉150g，钛白粉170g，粉煤灰相变微珠50g，润湿剂3g，分散剂3g，纤维3g，依次加入粉料混合机中混合均匀；将350g苯丙乳液倒入搅拌器中，加入270g水，搅拌均匀；然后将粉料倒入搅拌器中，高速搅拌30min，再加入适量的消泡剂和pH调节剂，低速搅拌5min至混合均匀，配制成水性相变隔热涂料。该涂料基本性能符合相关行业国家标准，其隔热保温性能采用“美国军标改进后的自制装置”（张智强等，外墙隔热涂料的制备及隔热性能测试，重庆建筑大学学报，2008,30（2）:132-134）进行检测，与对照试板相比，粉煤灰相变微珠涂料试板可使检测系统的平衡温度降低5℃，具有很好的隔热保温性能，对建筑节能起到很好的效果。

实施例2

1）粉煤灰沸石分子筛制备

将太原第一热电厂的粉煤灰过200目筛，置于马弗炉650℃下焙烧活化1h后，称取45g该活化粉煤灰，加入450ml 3mol/L的NaOH溶液混合成泥浆状，80℃下搅拌（300r/min）2h后，离心分离取上清液备用；在其中加入6.5g NaAlO₂，搅拌（2500r/min）30min后，将制得的硅铝凝胶转置于反应釜中，100℃密闭反应10h后，离心分离，并用去离子水反复洗涤至滤液PH值约为8.5，洗涤后的产物于100℃烘干24h后得到沸石分子筛。

2）粉煤灰相变微珠制备

称取固体石蜡2.5g、癸酸8.5g与月桂酸4g，在烧杯中混匀，用电炉加热使其全部熔化，在300r/min转速下搅拌30min，制成均匀的液体共熔混合物；加入45g粉煤灰沸石分子筛，在500r/min转速下搅拌0.5h，常温风干制得粉煤灰相变微珠。通过差示扫描量热仪检测该粉煤灰相变微珠的相变温度为25.1℃，熔化潜热约为160.5J/g。

粉煤灰相变微珠在外墙涂料中的应用

将滑石粉145g，钛白粉170g，粉煤灰相变微珠55g，润湿剂3g，分散剂3g，纤维3g，依次加入粉料混合机中混合均匀；将350g苯丙乳液倒入搅拌器中，加入270g水，搅拌均匀；然后将粉料倒入搅拌器中，高速搅拌30min，再加入适量的消泡剂和pH调节剂，低速搅拌5min至混合均匀，配制成水性相变隔热涂料。该粉煤灰相变微珠涂料试板可使检测系统的平衡温度降低6℃，具有很好的隔热保温性能，对建筑节能起到很好的效果。

Claims (3)

1.一种粉煤灰相变微珠，其特征在于，通过包括如下步骤的方法制得：

1）粉煤灰沸石分子筛制备

将粉煤灰过100~300目筛，600~850℃下焙烧活化0.5~1h后，按固液比1∶8~15将活化粉煤灰加入至1~7mol/L的NaOH溶液混合成泥浆状，70~80℃下搅拌2h后，离心分离取上清液；在上清液中加入适量NaAlO₂，调节溶液中Si∶Al为3~7（摩尔比），快速搅拌30min，100℃密闭反应5~24h后，固液分离，并用去离子水反复洗涤至滤液PH值约为8~9，洗涤后的固相产物于100℃烘干得到沸石分子筛；

2）粉煤灰相变微球制备

按10~20∶60~55∶30~25的质量比称取固体石蜡、癸酸与月桂酸，加热使其全部熔化，搅拌，混合均匀后，再与粉煤灰沸石分子筛按质量比1∶2~5混合，并搅拌0.5~1h后，常温风干制得粉煤灰相变微珠。

2.一种粉煤灰相变微珠在制备建筑外墙涂料中的应用。

3.一种建筑外墙涂料，其特征在于含有如权利要求1所述的粉煤灰相变微珠。