CN103232260B

CN103232260B - 一种防水保温轻质高强石膏板材及其制备方法

Info

Publication number: CN103232260B
Application number: CN201310120712.2A
Authority: CN
Inventors: 官宝红; 李亭颖
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2013-04-09
Filing date: 2013-04-09
Publication date: 2015-02-25
Anticipated expiration: 2033-04-09
Also published as: CN103232260A

Abstract

本发明公开了一种防水保温轻质高强石膏板材及其制备方法，包括如下步骤：（1）将α半水石膏粉、可再分散胶粉A，可再分散胶粉B搅拌均匀制成粉料；将发泡剂和凝结时间调节剂加入水中，搅拌发泡制成发泡液；（2）将所述粉料和发泡液混合均匀，凝结固化成型，形成多孔型石膏板；（3）将所述多孔型石膏板进行第一次干燥后，在多孔型石膏板表面喷涂磷酸盐类溶液，再进行第二次干燥；第二次干燥后将多孔型石膏板浸入有机硅防水剂中，再进行第三次干燥，得到所述防水保温轻质高强石膏板材。本发明的制备方法可以得到保温性能好、能在潮湿环境中使用、容重小、强度高的石膏板材。

Description

一种防水保温轻质高强石膏板材及其制备方法

技术领域

本发明属于无机胶凝材料应用技术领域，具体涉及一种利用物理发泡与防水措施相结合制备防水保温轻质高强石膏板的方法。

背景技术

我国对建筑节能越来越重视，墙体保温是建筑节能的重要措施，保温板材是建筑节能的重要产品。目前市场上的保温板材种类繁多，主要分为无机保温材料和有机保温材料。无机保温材料有加气混凝土、发泡水泥、发泡玻璃、无机保温浆料、岩棉板、玻璃棉、改性珍珠岩等，无机保温材料防火，但吸水率高、易脱落；有机保温材料主要包括EPS（可发性聚苯乙烯）和XPS（挤塑聚苯乙烯）、PU（聚氨酯）和酚醛发泡材料，有机保温材料一般都具有良好的保温效果，但是易燃易老化，存在安全隐患。

石膏板材是无机保温材料的一种，具有质轻、保温、隔音、抗震、可回收、价廉、施工方便等优点，是理想的保温板材。但是石膏板材多孔且石膏晶体在水中会缓慢溶解，通常在潮湿环境中使用一段时间，一方面会松散变形导致强度降低，另一方面吸水后导致导热系数增加，从而降低保温性能。石膏耐水性差使得石膏保温板材的应用受到限制，在建筑外墙等对防潮要求比较高的场合，普通保温石膏板性能不能满足使用要求，因此需要提高保温石膏的防水性能。

石膏材料的保温原理是材料内部有大量孔隙，孔隙中充满空气，从而降低了石膏材料热传导性能，表现为材料的导热系数减小，达到保温效果。增加孔隙率有两种方法：（1）在石膏中加入轻质骨料，如膨胀珍珠岩、聚苯乙烯泡沫等。如公开号为CN1245789A的发明专利，报道了一种加入泡沫塑料颗粒制备轻质石膏板的方法。然而，膨胀珍珠岩吸水性强、易粉化、在料浆施工中体积收缩率大，使得产品后期强度小、保温性能降低，而聚苯乙烯泡沫制得的保温材料有耐温低、强度小、遇火高温下产生有害气体、抗老化性能差和施工中容易反弹等缺点。（2）采用发泡方法制备多孔型石膏材料。比如加入表面活性剂等有机添加剂的办法。在发泡机中使水、表面活性剂与石膏粉快速搅拌，使足够的空气混入其中，被动地形成泡沫浆料，水化硬化后得到多孔型石膏材料，如公开号为CN102093072A的发明专利，报道了加入发泡剂通进入专门的发泡机发泡，制备氟石膏发泡材料。

如果石膏保温板材要用于外墙或潮湿环境，则须满足国家标准GB/T9775-2008中关于防潮石膏板吸水率小于10%的规定。人们一直在研究提高石膏板的防水性，一种方法是掺入无机胶凝材料，使得石膏基材料由气硬性胶凝材料转变为水硬性胶凝材料。另一种方法是加入有机防水材料，在石膏表面形成一层防水膜，如公开号为CN101580375A的发明专利，介绍了一种高强防水石膏板的制备方法，即通过聚合物乳液来赋予产品的防水性能。

保温石膏板因为本身具有很大的孔隙率，容易吸收更多的水，因此兼具保温和防水功能是比较困难的，目前相关技术还很少。公开号为CN101096306A的发明专利，介绍了一种高强防水石膏砌块制备方法，利用天然纳米级海泡石粉和蒙脱石粉对石膏砌块的增强和减重效果，利用含氢硅油使产品防水透气。公开号为CN101580370A的发明专利，介绍了一种高强防水石膏板的制备方法，采用聚丙烯纤维和玻璃纤维增加强度，采用膨胀珍珠岩降低容重，利用聚合物乳液防水，由于膨胀珍珠岩容易吸水，因此难以得到良好的防水效果。公开号为CN102093072A的发明专利报道了以氟石膏为主要原料和数种外加剂制备轻质、防水、耐火、保温的石膏材料。英国专利GB2475900A采用轻质填料膨胀聚苯乙烯、硫铝酸盐水泥和有机硅防水剂制备轻质防水石膏板，但是加入了膨胀聚苯乙烯，在高温条件下可能释放有毒气体。

保温石膏板属于大孔隙材料，必然会面临强度较低的问题。提高石膏板强度的方法有添加增强纤维，如公开号为CN201010268882.1的发明专利利用万维短玻纤增强石膏板强度。公开号为CN01130495.2的发明专利利用蔗渣纤维增强石膏板强度。

利用高强石膏粉（即α半水石膏粉）为原料也可制作高强石膏板，目前相关专利较少。公开号为CN1184162C的中国发明专利文献公开了一种石膏作为建筑板材原料的应用，主要发明点在于所说的石膏为α-半水石膏，用α-半水石膏为原料生产的石膏建筑板材，可以是发泡的或未发泡的素板、加纤维板、覆纸板及玻璃纤维网布复合板等;其制作发泡板所用的发泡剂为硫酸。与普通石膏建筑板材相比，α-半水石膏建筑板材在强度、刚度、抗冲击、耐水性方面都强于前者；发泡板更具有较好的保温隔热、隔音、抗震性能；作墙体板材时，不须依附龙骨架，不须增设保温隔热、隔音层，可独立作分隔墙体，或复合后作外墙。

目前，保温石膏存在的技术问题：（1）强度低，一是因为其大孔隙；二是大多石膏板以β-半水石膏为原材料；（2）某些石膏保温材料仍然具有一定的安全隐患，这主要源于复合材料的安全性不够好或添加剂有一定的毒害性；（3）保温石膏板难以用于外墙或潮湿环境，原因是吸水率大。目前提高石膏防水性能的主要方法是减小孔隙率或改变石膏胶凝体系，该法针对密实的石膏材料，这与追求高孔隙轻质石膏产品目标相背。

发明内容

本发明提供了一种防水保温轻质高强石膏板材及其制备方法，本发明的制备方法可以得到保温性能好、能在潮湿环境中使用、容重小、强度高的石膏板材。

一种防水保温轻质高强石膏板材的制备方法，包括如下步骤：

（1）将α半水石膏粉、可再分散胶粉A，可再分散胶粉B搅拌均匀制成粉料；将发泡剂和凝结时间调节剂加入水中，搅拌发泡制成发泡液；

（2）将所述粉料和发泡液混合均匀，凝结固化成型，形成多孔型石膏板；

（3）将所述多孔型石膏板进行第一次干燥后，在多孔型石膏板表面喷涂磷酸盐溶液，再进行第二次干燥；第二次干燥后将多孔型石膏板浸入有机硅防水剂中，再进行第三次干燥，得到所述防水保温轻质高强石膏板材；

其中，以重量份计，各组分的含量如下：

磷酸盐溶液的喷涂量为0.1～5L/m²。

本发明的原理如下：

以α半水石膏粉为基本原料，采用发泡的方法制备多孔石膏板材，具有较高的强度；由于石膏板材含有大量的细小均匀的孔隙，如图2所示，孔隙中填充空气，降低了材料的导热系数，从而提高了石膏板的保温性能；未加入添加剂的石膏晶体较为稀疏地相互搭接在一起，如图3所示；在α半水石膏粉中加入可再分散乳胶粉，促使水化后的二水石膏晶体具有较小的长径比，晶体之间接触致密，且表面包覆高分子膜，提高了石膏晶体之间的致密性，还增强了石膏板的疏水性能，如图4所示；石膏板在有机硅防水剂中浸没处理后，硅烷微分子通过表面渗透与水分子和酸碱物质发生化学反应生产羟基团，羟基团吸附在石膏表面，形成一层憎水性薄膜，弥补细小裂缝且具有透气性，进一步隔绝石膏晶体和水的接触，如图5所示；可再分散乳胶粉和有机硅防水剂的复合作用，使晶体之间搭接紧密，且晶体表面和孔隙之间都填充了有机防水膜，显著降低了石膏板的吸水率，如图6所示；通过磷酸盐溶液浸没处理，磷酸盐溶液中的磷酸根跟钙离子反应，生成磷酸钙类难溶性沉淀，吸附在石膏晶体表面或填充在晶体孔隙，大大增强了石膏的强度和耐水性，如图7所示。

作为优选，所述的发泡剂为天然茶皂素或皂角苷。均为市售商品，天然茶皂素可购自西安斯诺特生物技术有限公司；皂角苷可购自杭州久晟茶叶有限公司。

在石膏板制造领域，十二烷基硫酸钠、十二烷基磺酸钠、烷基苯磺酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠（AES）、α-烯基磺酸钠等为常用发泡剂，十二烷基硫酸钠和十二烷基磺酸钠是一种阴离子表面活性剂，发泡效果较好，但是稳泡效果差，一般需要与其他阴离子或非离子表面活性剂复配，才能达到较好的石膏发泡效果；脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠（AES）和α-烯基磺酸钠（AOS）具有优异的发泡性能和抗硬水性能，但是作为一种精细化工原料，实验表明具有一定的生物毒性和刺激性，不是完全绿色环保的。

在传统的工业领域，天然茶皂素或皂角苷通常作为洗发水、洗涤剂等日用品的发泡剂或食品中清凉饮料的助泡剂，也可用于混凝土发泡剂和稳泡剂。差皂素和皂角苷是一种天然非离子表面活性剂，具有很强的起泡力和稳泡效果。

传统的工业领域中，没有将天然茶皂素或皂角苷用作石膏板发泡剂，如果将其直接用于石膏板发泡，目前没有可供参考的机械搅拌参数以得到好的发泡效果。搅拌时间不足，发泡不充分，产品保温效果差；搅拌时间过长，生成的泡沫液膜遭到损害，泡沫破裂消失；转速过小，发泡不充分；转速过大，高速搅动对泡沫液膜的破坏作用远远大于卷入空气增加引起的泡沫增多的作用，发泡效果反而变差。只有产生细小稳定的泡沫，在硬化后的石膏中形成细小封闭的空隙，才能得到保温效果好的石膏板。本发明通过优化实验改变搅拌时间和搅拌速度，优化后，搅拌发泡制成发泡液时的搅拌速度为1400～1600r/min，搅拌时间为0.5～2min。

一般常见混凝土发泡剂的搅拌速度为3000r/min，搅拌时间为2～3min，而本申请的转速必须为1400～1600r/min，时间为0.5～2min，只有在该特定条件下取得本发明特定的技术效果，而本领域公知的条件根本不能应用于本发明并实现本发明目的。

发泡时的转速进一步优选为1500r/min，由于本发明对现有的搅拌速度做了调整，因此也会对其他组分的分散效果造成影响，为了避免负面影响，也必须对组分的用量进行改进，为了适应这一转速，作为优选，以重量份计，各组分的含量如下：

磷酸盐溶液喷涂量为1～3L/m²，磷酸盐溶液质量分数为2%。

作为优选，所述的可再分散胶粉A为三元共聚胶粉，进一步优选为乙烯/月桂酸乙烯酯/氯乙烯三元共聚胶粉。

作为优选，所述的可再分散胶粉B为二元共聚胶粉，进一步优选为醋酸乙烯/乙烯二元共聚胶粉。

作为优选，多孔型石膏板浸入有机硅防水剂中的时间为0.5-168h，进一步优选为1-50h。

所述的有机硅防水剂可采用市售商品，例如海韵牌BT-l000型、LS-1001有机硅疏水防护剂（南京村田橡塑材料有限公司）、有机硅防水剂BD-SII（杭州包尔得有机硅有限公司）、GJ-921（上海硅基有机硅有限公司）。

反应过程中，反应体系需要满足标稠，可能需要在步骤（1）的粉体中添加一点塑化剂，所述的塑化剂为萘系减水剂（青岛虹厦高分子材料有限公司）、密胺系减水剂（苏州鑫龙化学建材有限公司）或聚羧酸系减水剂（苏州鑫龙化学建材有限公司）。

所述的凝结时间调节剂为硫酸盐，如硫酸钾或硫酸铝。

所述的磷酸盐溶液为多元磷酸盐或多元磷酸，如三偏磷酸钠、六偏磷酸钠、磷酸铵或聚磷酸。

本发明还提供了一种如所述制备方法制备得到的防水保温轻质高强石膏板材。石膏板具有防水、保温、轻质、高强的多重功能，适用于内、外墙保温及潮湿环境使用。

要得到较好保温效果的石膏板，需要高孔隙率，低容重，那么相应地会导致石膏强度降低，同时高孔隙率会增加石膏吸水率，导致石膏耐水性降低。本发明采用α半水石膏粉为原料可以在不影响容重的情况下一定程度提高石膏强度；采用可在分散乳胶粉和有机硅防水剂相结合的方式提高石膏防水性；磷酸盐进一步提高石膏的强度，最终寻找到一个平衡点，得到一种同时具有防水、保温、轻质、高强性能的石膏板材。

本发明的有益效果：

（1）本发明采用一种纯天然植物发泡剂发泡，属于绿色发泡剂。

（2）本发明的主要原材料是α半水石膏粉，产品强度高，物理性能好。

（3）本发明采用两种防水方法相结合，产品吸水率低，能用于潮湿环境。

（4）本发明采用磷酸或磷酸盐类物质增加产品强度，产品吸水情况下的湿强度高。

（5）本产品不含填料，主要材料仅为α半水石膏。

本发明得到的石膏板具有防水、保温、轻质、高强的多重功能，适用于内、外墙保温及潮湿环境使用。

附图说明

图1是本发明的制备工艺流程。

图2和图3是对比例5制备得到的石膏板材的SEM图。

图4是对比例6制备得到的石膏板材的SEM图。

图5是对比例7制备得到的石膏板材的SEM图。

图6是对比例1制备得到的石膏板材的SEM图。

图7是实施例10制备得到的石膏板材的SEM图。

具体实施方式

如图1所示，是本发明制备石膏板材的工艺流程，包括以下步骤：

（1）粉料的制备：将α半水石膏粉、添加剂（可再分散胶粉A、可再分散胶粉B、塑化剂）按比例混合，搅拌均匀制成混合石膏粉。

（2）发泡液的制备：将发泡剂，时间凝结调节剂按比例加入工业水，1400～1600r/min搅拌发泡0.5～2min，得到石膏发泡浆液。

（3）发泡浆体的制备：上述混合石膏粉加入石膏发泡液中，搅拌均匀得到发泡石膏浆液，将发泡石膏浆液浇筑成型、40℃干燥2天。

（4）后期处理：将干燥后的石膏板表面喷涂磷酸盐溶液（质量分数2%），喷涂量为0.1～5L/m²，再次干燥后浸泡入有机硅防水剂中，浸泡0.5～168h，干燥后即得到一种高强防水保温石膏材料。

实施例1

按照图1所示的工艺流程，按照如下配方加入各组分，得到一种防水保温轻质高强石膏板。

以α半水石膏的质量为基准，各组分的质量比为：

其中三元共聚胶粉为乙烯/月桂酸乙烯酯/氯乙烯三元共聚胶粉；二元共聚胶粉为醋酸乙烯/乙烯二元共聚胶粉。

石膏板的容重为970Kg/m³，抗压强度为13.7Mpa，吸水率5%，导热系数为0.25W/(m·K)。

对比例1

石膏板表面不喷涂磷酸盐溶液，其他同实施例1。

石膏板的容重为970Kg/m³，抗压强度为11.7Mpa，吸水率6%，导热系数为0.25W/(m·K)。

制得的石膏板材SEM图如图6所示。

对比例2

原料换成β半水石膏粉，其他同实施例1。

石膏板的容重为970Kg/m³，抗压强度为6.5Mpa，吸水率7%，导热系数为0.25W/(m·K)。

由实施例1与对比例2及对比例3的对比可知，本发明采用α半水石膏粉为原料，同时将石膏板表面喷涂一定量的磷酸盐溶液，两者协同作用，得到的石膏板具有较高的抗压强度，满足石膏板高强度的需求。

实施例2

以α半水石膏的质量为基准，各组分的质量比为：

石膏板的容重为850Kg/m³，抗压强度为12.6Mpa，吸水率5%，导热系数为0.22W/(m·K)。

对比例3

同实施例2，其中发泡时搅拌速度为2000r/min，发泡时搅拌时间为3min。

石膏板的容重为965Kg/m³，抗压强度为13.0Mpa，吸水率5%，导热系数为0.25W/(m·K)。

实施例3

以α半水石膏的质量为基准，各组分的质量比为：

石膏板的容重为760Kg/m³，抗压强度为8.0Mpa，吸水率5%，导热系数为0.19W/(m·K)。

对比例4

同实施例3，其中发泡剂为十二烷基磺酸钠。

石膏板的容重为1020Kg/m³，抗压强度为13.5Mpa，吸水率4.5%，导热系数为0.26W/(m·K)。

由实施例2与对比例3的结果对比及实施例3与对比例4的结果对比可知，本发明采用茶皂素或者皂角苷作发泡剂，并协同特定的发泡条件，得到的石膏板容重和导热系数低，能很好的满足石膏板轻质、保温的要求。

实施例4

以α半水石膏的质量为基准，各组分的质量比为：

石膏板的容重为900Kg/m³，抗压强度为10.5Mpa，吸水率4%，导热系数为0.23W/(m·K)。

实施例5

以α半水石膏的质量为基准，各组分的质量比为：

石膏板的容重为870Kg/m³，抗压强度为13Mpa，吸水率8%，导热系数为0.22W/(m·K)。

实施例6

以α半水石膏的质量为基准，各组分的质量比为：

石膏板的容重为780Kg/m³，抗压强度为8.5Mpa，吸水率1%，导热系数为0.19W/(m·K)。

对比例5

去掉其中的三元共聚胶粉和二元共聚胶粉及取消在有机硅防水剂中的浸泡步骤，其他同实施例6。

石膏板的容重为760Kg/m³，抗压强度为7.0Mpa，吸水率40%，导热系数为0.19W/(m·K)。

制得的石膏板材的SEM图如图2和3所示。

对比例6

同实施例6，取消其中在有机硅防水剂中的浸泡步骤。

石膏板的容重为780Kg/m³，抗压强度为8.5Mpa，吸水率24%，导热系数为0.19W/(m·K)。

制得的石膏板材的SEM图如图4所示。

对比例7

同实施例6，去掉其中的三元共聚胶粉和二元共聚胶粉。

石膏板的容重为750Kg/m³，抗压强度为6.5Mpa，吸水率15%，导热系数为0.18W/(m·K)。

制得的石膏板材的SEM图如图5所示。

由实施例6和对比例5、对比例6及对比例7的结果对比可知，本发明中采用多元可再分散胶粉与有机硅防水剂两种防水方式相结合，得到的石膏板材吸收率低，能很好的满足石膏板材防水的要求。

实施例7

以α半水石膏的质量为基准，各组分的质量比为：

石膏板的容重为800Kg/m³，抗压强度为9.5Mpa，吸水率5.5%，导热系数为0.20W/(m·K)。

实施例8

以α半水石膏的质量为基准，各组分的质量比为：

石膏板的容重为770Kg/m³，抗压强度为9Mpa，吸水率4.5%，导热系数为0.19W/(m·K)。

实施例9

以α半水石膏的质量为基准，各组分的质量比为：

石膏板的容重为875Kg/m³，抗压强度为11.8Mpa，吸水率3.5%，导热系数为0.22W/(m·K)。

实施例10

以α半水石膏的质量为基准，各组分的质量比为：

石膏板的容重为790Kg/m³，抗压强度为10.8Mpa，吸水率2.5%，导热系数为0.19W/(m·K)。

制得的石膏板材的SEM图如图7所示。

发明以α半水石膏粉为基本原料，采用发泡的方法制备多孔石膏板材，具有较高的强度；由于石膏板材含有大量的细小均匀的孔隙，孔隙中填充空气，降低了材料的导热系数，从而提高了石膏板的保温性能；未加入添加剂的石膏晶体较为稀疏地相互搭接在一起；在α半水石膏粉中加入可再分散乳胶粉，促使水化后的二水石膏晶体具有较小的长径比，晶体之间接触致密，且表面包覆高分子膜，提高了石膏晶体之间的致密性，还增强了石膏板的疏水性能；石膏板在有机硅防水剂中浸没处理后，硅烷微分子通过表面渗透与水分子和酸碱物质发生化学反应生产羟基团，羟基团吸附在石膏表面，形成一层憎水性薄膜，弥补细小裂缝且具有透气性，进一步隔绝石膏晶体和水的接触；可再分散乳胶粉和有机硅防水剂的复合作用，使晶体之间搭接紧密，且晶体表面和孔隙之间都填充了有机防水膜，显著降低了石膏板的吸水率；通过磷酸盐溶液浸没处理，磷酸盐溶液中的磷酸根跟钙离子反应，生成磷酸钙类难溶性沉淀，吸附在石膏晶体表面或填充在晶体孔隙，大大增强了石膏的强度和耐水性。

由以上的结果可知，本发明方法制备得到的石膏板材能够同时满足防水、保温、轻质和高强条件。

Claims

1.一种防水保温轻质高强石膏板材的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将α半水石膏粉、三元共聚胶粉，二元共聚胶粉搅拌均匀制成粉料；将发泡剂和凝结时间调节剂加入水中，搅拌发泡制成发泡液；

(2)将所述粉料和发泡液混合均匀，凝结固化成型，形成多孔型石膏板；

(3)将所述多孔型石膏板进行第一次干燥后，在多孔型石膏板表面喷涂磷酸盐溶液，再进行第二次干燥；第二次干燥后将多孔型石膏板浸入有机硅防水剂中，再进行第三次干燥，得到所述防水保温轻质高强石膏板材；

其中，以重量份计，各组分的含量如下：

磷酸盐溶液的喷涂量为0.1～5L/m²；所述的发泡剂为天然茶皂素或皂角苷；步骤(1)中搅拌发泡时的搅拌速度为1500r/min，搅拌时间为0.5～2min；

多孔型石膏板浸入有机硅防水剂中的时间为0.5-168h。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述凝结时间调节剂为硫酸盐。

3.一种如权利要求1～2任一所述制备方法制备得到的防水保温轻质高强石膏板材。