CN104445136B - 一种节能建筑保温材料用泡沫炭及其制备方法 - Google Patents

一种节能建筑保温材料用泡沫炭及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种节能建筑保温材料用泡沫炭的制备方法，包括以下过程：（1）先采用空气氧化法，将中温煤沥青置于磁力搅拌反应釜中，制得高软化点沥青。（2）将步骤（1）所制的高软化点沥青破碎至粒径5～1000μm，将该高软化点沥青颗粒置于有机溶剂中，在25～100℃下，进行磁力搅拌2～10h，然后进行过滤、干燥处理。（3）将所制的改性高软化点沥青与一定量的发泡剂、增强剂进行机械混合。（4）将步骤（3）所制的高软化点沥青混合物置于反应器内，然后进行密封。（5）将步骤（4）中装有高软化点沥青混合物的反应器置于反应炉中，以1～20℃/min的升温速度升温至300～500℃，并恒温0.5～10h，之后进行快速卸压。根据本发明，可以实现在近常压下发泡，这样就可大大降低发泡设备的材质成本。

Description

一种节能建筑保温材料用泡沫炭及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种用作节能建筑保温材料的制备方法。所述节能建筑保温材料属于一种密度为0.1～0.4g/cm3、吸水率低于5%、导热系数低于0.1W/(m.k)、压缩强度高于1.5MPa的泡沫炭的制备方法。
背景技术
随着煤炭、石油等一次能源的日益枯竭，开发新能源及节能减排已成为国家乃至全球有效解决能源危机和环境恶化的主要途径。其中，建筑节能更具有其现实紧迫性与重要的战略意义。
2010年，我国建筑隔热材料的市场容量为500万吨，且近3年来，每年以27%的速度快速增长。在我国节能隔热材料蓬勃发展的同时，易燃/可燃外保温节能建筑材料也成为一类新的火灾隐患。近年来，各种因节能建筑材料造成的火灾频频发生，并呈多发势头，造成严重的人员伤亡和财产损失。对此，为深刻吸取火灾事故教训，公安部、住房和城乡建设部于2011年3月14日正在下达了“关于进一步明确民用建筑外保温材料消防监督管理有关要求的通知”（公消[2011]65号）。该文件明确规定：民用建筑外保温材料必须采用燃烧性能为A级的材料！即，民用建筑外保温材料必须是不燃材料，且材料的密度、隔热性能、力学性能、吸水性能、施工性能等都必须满足GB8624-2006规定的A级标准！显然，根据此文件，现在占有市场95%的有机隔热材料都将被禁止使用！无疑，在有机隔热材料面受巨大市场冲击的同时，无机隔热材料正面临一个前所未有的市场契机。
目前，市场上或正在研制的性能能够达到或接近A级标准的节能建筑保温材料主要有玻化微珠无机保温砂浆、矿岩棉、泡沫玻璃、泡沫水泥、泡沫陶瓷、泡沫SiO2。这些材料的共同优势是不易燃烧，但也存在一定的不足。一方面，这些无机隔热材料在节能建筑材料中的比例或市场份额非常低（＜5%），总产能不到25万吨/年；另一方面，上述无机隔热材料的综合性能（包括密度、机械强度、烧蚀率、吸水性能、施工性能等）仍不能完全达到国家规定的A级标准。
泡沫炭作为一种三维有序的蜂窝状碳质功能材料，不仅具有强度高、密度低及热膨胀系数低等优异特性,而且具有很好地可成型性、可加工行和可施工性能，因此将是一种极具潜力和竞争力的优质A级节能建筑保温材料。泡沫炭，是由碳质前驱体经发泡、后续热处理而制得，其中，发泡工艺是泡沫炭孔结构控制的关键，而碳质前躯体的性质又是决定发泡条件和最终泡沫炭物化性质的主要因素。目前，高压渗氮和高压自发泡法是制备泡沫炭的两种主要发泡方法，该技术都是在500～800℃/7～10MPa条件下进行发泡，对发泡设备的材质及结构设计要求非常苛刻，更为重要的是该技术只能采用间歇式生产，难以实现泡沫炭的连续化工业生产。另外，现在所用的碳质前躯体主要是中间相沥青或酚醛树脂，原材料成本较高。对此，本专利结合现有制备泡沫炭在碳质前躯体以及发泡技术上存在的不足，开发一种以煤沥青为原料，通过对煤沥青进行改性和簇组成控制，采用自升压-自发泡法，在近常压下制备泡沫炭，最终用作节能建筑A级保温材料。
发明内容
为解决上述问题，本发明目的在于，提供一种用作A级节能建筑保温材料的泡沫炭及其制备方法。
按本发明的方法制备的用作A级节能建筑保温材料的泡沫炭技术方案如下：
一种节能建筑保温材料用泡沫炭的制备方法，其特征在于，包括以下过程：
（1）先采用空气氧化法，将中温煤沥青置于磁力搅拌反应釜中，以5～10℃/min的升温速度升温至200～300℃，并恒温搅拌0.5～10h制得高软化点沥青，其中搅拌速度为100～300转/min，空气流量为100～1000mL/min，
（2）将步骤（1）所制的高软化点沥青破碎至粒径5～1000μm，将该高软化点沥青颗粒置于有机溶剂中，在25～100℃下，进行磁力搅拌2～10h，然后进行过滤、干燥处理，其中，高软化点沥青在有机溶剂中的含量为1～5000g/L，
（3）将步骤（2）所制的改性高软化点沥青与一定量的发泡剂、增强剂进行机械混合，其中发泡剂与高软化点沥青的重量比为1～20：100，增强剂与高软化点沥青的重量比为2～20：100，
（4）将步骤（3）所制的高软化点沥青混合物置于一定形状的反应器内，然后进行密封，其中反应器的内腔体积为0.5－5L，混合物的重量为10～500g，
（5）将步骤（4）中装有高软化点沥青混合物的反应器置于反应炉中，以1～20℃/min的升温速度升温至300～500℃，并恒温0.5～10h，之后进行快速卸压。
根据本发明所述的节能建筑保温材料用泡沫炭的制备方法，其特征在于，在步骤（5）后，在绝氧状态下继续升温至500～1000℃，并恒温0.5～10h，自然降温，即得到节能建筑保温材料用泡沫炭。
根据本发明所述的节能建筑保温材料用泡沫炭的制备方法，其特征在于，上述所用的中温煤沥青，其软化点为50～120℃、喹啉不溶物含量为10～80%。
根据本发明所述的节能建筑保温材料用泡沫炭的制备方法，其特征在于，上述所用的有机溶剂为甲苯、正庚烷、石油醚、喹啉、吡啶中的一种或由这些有机溶剂构成的混合溶液。
根据本发明所述的节能建筑保温材料用泡沫炭的制备方法，其特征在于，上述所用的发泡剂为碳酸氢钠、碳酸钠、氮化硅、异丁烷、偶氮二异丁脒盐酸盐、偶氮二异戊腈、偶氮二异庚腈、偶氮二异丁酸二甲酯中的一种。
根据本发明所述的节能建筑保温材料用泡沫炭的制备方法，其特征在于，上述所用的增强剂为粘土、沥青基碳纤维、黏胶基碳纤维、中间相碳微球、碳黑、水滑石中的一种。
根据本发明所述的节能建筑保温材料用泡沫炭的制备方法，其特征在于，上述所用反应器的形状为选自方形、长方形、圆柱形、梯形之一种。
根据本发明所述的节能建筑保温材料用泡沫炭的制备方法，其特征在于，上述所用反应器的形状为不规则形状。
根据本发明所述的方法制备的节能建筑保温材料用泡沫炭，其特征在于，
所述泡沫密度为0.1～0.4g/cm3、吸水率低于5%、导热系数低于0.09W/(m.k)、压缩强度高于1.5MPa。
本发明的优点在于：1）相对中间相沥青而言，由煤沥青制备的高软化点沥青其生产成本较低；2）结合高软化点沥青和发泡剂的特点，可以实现在近常压下发泡，这样就可大大降低发泡设备的材质成本；3）因发泡压力低，生产过程中的安全性可大为提高；4）由于采用近常压发泡，在发泡过程中，可以采用隧道窑式加热设备实现泡沫炭的连续化生产；5）可以通过对反应器的结构设计，生产任何外形结构的泡沫炭；6）可以根据需要，直接先生产尺寸较大的泡沫炭块体材料，然后利用其良好的可加工性特点，制成不同规格尺寸的泡沫炭以满足在节能建筑保温方面的应用。
具体实施方式
【实施例一】
将200g中温煤沥青置于磁力搅拌反应釜中，以5℃/min的升温速度升温至280℃，在搅拌过程中，通入空气，其中，空气流量、搅拌速度和搅拌时间分别为200mL/min、200转/min、2h。将所制高软化点沥青的平均粒径破碎至400μm左右，然后将100g高软化点沥青粉末置于200mL的喹啉溶液中，磁力搅拌2h。将60g改性高软化点沥青与2g碳酸氢钠、10g沥青基碳纤维在常温下进行机械混合，然后将上述混合物置于圆柱形的反应器中。反应器密封后，直接置于烘箱中，先以10℃/min的升温速度升温至600℃并恒温2h，然后以10℃/min的升温速度升温至800℃并恒温1h，即制得节能建筑用圆柱状泡沫炭。该泡沫炭的密度为0.15g/cm3，吸水率为2.1%，导热系数为0.07W/(m.k)，压缩强度为1.5MPa。
【实施例二】
将500g煤焦油置于磁力搅拌反应釜中，以5℃/min的升温速度升温至280℃，在搅拌过程中，通入空气，其中，空气流量、搅拌速度和搅拌时间分别为200mL/min、200转/min、2h。将所制高软化点沥青的平均粒径破碎至400μm左右，然后将100g高软化点沥青粉末置于200mL的喹啉溶液中，磁力搅拌2h。将60g改性高软化点沥青与2g碳酸氢钠、10g沥青基碳纤维在常温下进行机械混合，然后将上述混合物置于圆柱形的反应器中。反应器密封后，直接置于烘箱中，先以10℃/min的升温速度升温至600℃并恒温2h，然后以10℃/min的升温速度升温至800℃并恒温1h，得到没有任何泡孔的圆柱状碳块。该材料不能称之为泡沫炭。
【实施例三】
将200g中温煤沥青置于磁力搅拌反应釜中，以5℃/min的升温速度升温至280℃，在搅拌过程中，通入空气，其中，空气流量、搅拌速度和搅拌时间分别为200mL/min、200转/min、2h。将所制高软化点沥青的平均粒径破碎至400μm左右，然后将60g改性高软化点沥青与2g碳酸氢钠、10g沥青基碳纤维在常温下进行机械混合，然后将上述混合物置于圆柱形的反应器中。反应器密封后，直接置于烘箱中，先以10℃/min的升温速度升温至600℃并恒温2h，然后以10℃/min的升温速度升温至800℃并恒温1h，制得仅有部分超大孔的圆柱状碳。该材料虽有部分大孔，但孔密度非常低，不能称之为泡沫炭。
【实施例四】
将200g中温煤沥青置于磁力搅拌反应釜中，以5℃/min的升温速度升温至280℃，在搅拌过程中，通入空气，其中，空气流量、搅拌速度和搅拌时间分别为200mL/min、200转/min、2h。将所制高软化点沥青的平均粒径破碎至400μm左右，然后将100g高软化点沥青粉末置于200mL的喹啉溶液中，磁力搅拌2h。将60g改性高软化点沥青与2g偶氮二异丁酸二甲酯、10g沥青基碳纤维在常温下进行机械混合，然后将上述混合物置于圆柱形的反应器中。反应器密封后，直接置于烘箱中，先以10℃/min的升温速度升温至600℃并恒温2h，然后以10℃/min的升温速度升温至800℃并恒温1h，制得仅有部分超大孔的圆柱状炭材料。该材料虽有部分大孔，但孔密度非常低，不能称之为泡沫炭。
【实施例五】
将200g中温煤沥青置于磁力搅拌反应釜中，以5℃/min的升温速度升温至280℃，在搅拌过程中，通入空气，其中，空气流量、搅拌速度和搅拌时间分别为200mL/min、200转/min、2h。将所制高软化点沥青的平均粒径破碎至400μm左右，然后将100g高软化点沥青粉末置于200mL的喹啉溶液中，磁力搅拌2h。将60g改性高软化点沥青与2g碳酸氢钠、10g中间相碳微球在常温下进行机械混合，然后将上述混合物置于圆柱形的反应器中。反应器密封后，直接置于烘箱中，先以10℃/min的升温速度升温至600℃并恒温2h，然后以10℃/min的升温速度升温至800℃并恒温1h，即制得节能建筑用圆柱状泡沫炭。该泡沫炭的密度为0.18g/cm3，吸水率为1.9%，导热系数为0.09W/(m.k)，压缩强度为2.1MPa。
【实施例六】
将200g中温煤沥青置于磁力搅拌反应釜中，以5℃/min的升温速度升温至280℃，在搅拌过程中，通入空气，其中，空气流量、搅拌速度和搅拌时间分别为200mL/min、200转/min、2h。将所制高软化点沥青的平均粒径破碎至400μm左右，然后将100g高软化点沥青粉末置于200mL的喹啉溶液中，磁力搅拌2h。将60g改性高软化点沥青与2g碳酸氢钠、10g中间相碳微球在常温下进行机械混合，然后将上述混合物置于圆柱形的反应器中。反应器密封后，直接置于烘箱中，以10℃/min的升温速度升温至600℃并恒温2h，即制得圆柱状泡沫炭。该泡沫炭的密度为0.23g/cm3，吸水率为3.9%，导热系数为0.12W/(m.k)，压缩强度为1.3MPa。
本发明的优点在于：1）相对中间相沥青而言，由煤沥青制备的高软化点沥青其生产成本较低；2）结合高软化点沥青和发泡剂的特点，可以实现在近常压下发泡，这样就可大大降低发泡设备的材质成本；3）因发泡压力低，生产过程中的安全性可大为提高；4）由于采用近常压发泡，在发泡过程中，可以采用隧道窑式加热设备实现泡沫炭的连续化生产；5）可以通过对反应器的结构设计，生产任何外形结构的泡沫炭；6）可以根据需要，直接先生产尺寸较大的泡沫炭块体材料，然后利用其良好的可加工性特点，制成不同规格尺寸的泡沫炭以满足在节能建筑保温方面的应用。

Claims (7)

1.一种节能建筑保温材料用泡沫炭的制备方法，其特征在于包括以下过程：
(1)先采用空气氧化法，将中温煤沥青置于磁力搅拌反应釜中，所述中温煤沥青，其软化点为50～120℃、喹啉不溶物含量为10～80％，以5～10℃/min的升温速度升温至200～300℃，并恒温搅拌0.5～10h制得高软化点沥青，其中搅拌速度为100～300转/min，空气流量为100～1000mL/min，
(2)将步骤(1)所制的高软化点沥青破碎至粒径5～1000μm，将该高软化点沥青颗粒置于有机溶剂中，在25～100℃下，进行磁力搅拌2～10h，然后进行过滤、干燥处理，其中，高软化点沥青在有机溶剂中的含量为1～5000g/L，
(3)将步骤(2)所制的改性高软化点沥青与一定量的发泡剂、增强剂进行机械混合，其中发泡剂与高软化点沥青的重量比为1～20：100，增强剂与高软化点沥青的重量比为2～20：100，
(4)将步骤(3)所制的高软化点沥青混合物置于一定形状的反应器内，然后进行密封，其中反应器的内腔体积为0.5－5L，混合物的重量为10～500g，
(5)将步骤(4)中装有高软化点沥青混合物的反应器置于反应炉中，以1～20℃/min的升温速度升温至300～500℃，并恒温0.5～10h，之后进行快速卸压，
在步骤(5)后，在绝氧状态下继续升温至500～1000℃，并恒温0.5～10h，自然降温，即得到节能建筑用泡沫炭。
2.如权利要求1所述的节能建筑保温材料用泡沫炭的制备方法，其特征在于，
上述所用的有机溶剂为甲苯、正庚烷、石油醚、喹啉、吡啶中的一种或由这些有机溶剂构成的混合溶液。
3.如权利要求1所述的节能建筑保温材料用泡沫炭的制备方法，其特征在于，上述所用的发泡剂为碳酸氢钠、碳酸钠、氮化硅、异丁烷、偶氮二异丁脒盐酸盐、偶氮二异戊腈、偶氮二异庚腈、偶氮二异丁酸二甲酯中的一种。
4.如权利要求1所述的节能建筑保温材料用泡沫炭的制备方法，其特征在于，上述所用的增强剂为粘土、沥青基碳纤维、黏胶基碳纤维、中间相碳微球、碳黑、水滑石中的一种。
5.如权利要求1所述的节能建筑保温材料用泡沫炭的制备方法，其特征在于，上述所用反应器的形状为选自方形、圆柱形、梯形之一种。
6.如权利要求1所述的节能建筑保温材料用泡沫炭的制备方法，其特征在于，上述所用反应器的形状为不规则形状。
7.一种按权利要求1所述的方法制备的节能建筑保温材料用泡沫炭，其特征在于，
所述泡沫密度为0.1～0.4g/cm3、吸水率低于5％、导热系数低于0.09W/(m·k)、压缩强度高于1.5MPa。
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