CN104841361A - 一种硅藻土/重质碳酸钙复合调湿材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种硅藻土/重质碳酸钙复合调湿材料及其制备方法，以硅藻土和重质碳酸钙为原料，采用均混—焙烧法，将硅藻土与重质碳酸钙按照1:0.5～1.5的质量比配料和均混后给入回转炉中于600～850℃下焙烧1.0～3.0h制得。该复合调湿材料的主要矿物成分为硅酸钙、氢氧钙石、方解石和脱水硅藻土等；氮吸附比表面积≥8m²/g，孔体积≥0.02cm³/g，平均孔径8～15nm。本发明方法制备的复合调湿材料，吸湿性能较纯硅藻土调湿材料显著提高，环境温度30℃、相对湿度90％、80％下最大吸湿量分别达到13％和10％以上；平衡含湿量达到13％和9％以上，较纯硅藻土提高2倍以上，而且制备工艺简单，生产成本较低，具有良好的应用前景。

Description

一种硅藻土/重质碳酸钙复合调湿材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种硅藻土/重质碳酸钙复合调湿材料及其制备方法，属于非金属矿物材料和非金属深加工领域。

背景技术

合适的室内湿度是确保人类生活舒适和健康的重要因素之一。目前，人们主要通过加湿器和空调等机械手段来调节室内空气的相对湿度。机械法调控湿度不仅要消耗能源，而且存在很多弊端。调湿材料利用材料的吸放湿特性来合理调控室内湿度，不需要借助任何人工资源和机械设备，依靠自身的吸放湿性能，感应所调空间湿度的变化，从而自动调节空气相对湿度，无需消耗电力等不可再生能源，是一种生态性调控方法。

无机多孔矿物材料具有孔结构较发达，比表面积大且吸附能力强的特点。多孔矿物材料特殊的孔道结构和较大的孔体积为其调节室内空气湿度提供了存储空间，因此无机多孔矿物具有调控相对湿度的功能。

硅藻土是一种生物成因的硅质沉积岩，高纯度的硅藻土具有发达的由微孔、介孔与大孔组成的三维孔结构，具有良好的调湿性能。且主要成分为非晶质含水二氧化硅，化学稳定性好，属于环境友好型生态材料。但是，硅藻土原矿和煅烧硅藻土，前者由于杂质含量较高，后者由于煅烧后孔体积变小及孔径变大，其平衡吸放湿量均不超过10％，其吸放湿能力难以满足高湿度地区对调湿材料高吸湿性能的要求。

重质碳酸钙是一种高白度、廉价的非金属矿物填料，也是目前市场上硅藻泥的主要组分之一。但是，重质碳酸钙的主要成分为CaCO₃，本身不具备调湿性能，只是利用其高白度和较好的遮盖力，在硅藻泥中作为普通填料使用。

发明内容

针对上述背景技术部分提到的的缺点或不足，本发明提出了一种将硅藻土与重质碳酸钙混合焙烧制备复合调湿材料的方法，制得的硅藻土/重质碳酸钙复合调湿材料吸湿能力强、平衡含湿量大。

本发明中的硅藻土/重质碳酸钙复合调湿材料的主要矿物成分有硅酸钙、氢氧钙石、方解石、脱水硅藻土、石英。

进一步，本发明中的硅藻土/重质碳酸钙复合调湿材料的氮吸附比表面积≥8m²/g，孔体积≥0.02cm³/g，平均孔径8～15nm；

本发明还提供了硅藻土/重质碳酸钙复合调湿材料的制备方法，其制备工艺包括下列步骤：

(1)将硅藻土与重质碳酸钙按1:0.5～1.5的质量比配料，并搅拌混合均匀，得到混合物；

(2)将步骤(1)中所得的混合物在回转炉进行焙烧，焙烧温度为600～850℃，焙烧时间1.0～3.0h，焙烧后的产物排出回转窑后冷却，即制得硅藻土/重质碳酸钙复合调湿材料。

进一步，上述硅藻土/重质碳酸钙复合调湿材料的制备方法中所用的硅藻土的粒度D₉₇≤75μm、非晶质SiO₂含量≥75％；所用的重质碳酸钙为方解石、大理石或石灰石粉体，CaCO₃含量≥97％，粒度D₉₀≤45μm。

本发明中硅藻土/重质碳酸钙复合调湿材料的制备原理如下：硅藻土与重质碳酸钙在高温焙烧过程中发生以下化学反应：

(1)CaCO₃→CaO+CO₂(g)

(2)SiO₂·nH₂O(硅藻土)→SiO₂(脱水硅藻土)+nH₂O(g)

(3)SiO₂+CaO→CaSiO₃(s)

(4)CaO+H₂O→Ca(OH)₂(s)

(5)Ca(OH)₂+CO₂→CaCO₃(s)+H₂O(g) 

碳酸钙微粉在高温下分解生成氧化钙；硅藻土在高温下脱出结构水生成非晶质二氧化硅，即脱水硅藻土；部分氧化钙与硅藻土中脱出的水生产氢氧化钙，即氢氧钙石；部分非晶质二氧化硅与氧化钙反应生成硅酸钙；少量氢氧化钙与碳酸钙分解产生的二氧化碳反应生产碳酸钙，即方解石；石英是与硅藻土原料伴生的晶质二氧化硅组分。

采用本发明方法制备的硅藻土/重质碳酸钙复合调湿材料，其调湿性能，特别吸湿性能较纯硅藻土调湿材料显著提高，环境温度30℃、相对湿度90％、80％条件下其最大吸湿量分别达到13％和10％以上；平衡含湿量达到13％和9％以上， 较纯硅藻土提高2倍以上，而且制备工艺简单，生产成本较低，具有良好的应用前景。

附图说明

图1为硅藻土的XRD衍射图。

图2为重质碳酸钙的XRD衍射图

图3为硅藻土/重质碳酸钙复合调湿材料的XRD衍射图。

图4为硅藻土与硅藻土/重质碳酸钙复合调湿材料的氮气吸附-脱附等温曲线。

图5为硅藻土与硅藻土/重质碳酸钙复合调湿材料的孔径分布曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的复合调湿材料作进一步的说明。

对比图1、图2和图3可见，硅藻土的物相分析结果表明其主要成分为无定型二氧化硅，同时含有少量的石英杂质；重质碳酸钙的物相为方解石，未发现其他矿物成分；复合材料的主要物相为硅酸钙、氢氧钙石、方解石、石英等。其中，硅酸钙、氢氧钙石、方解石是焙烧过程中生成的产物；石英是与硅藻土原料伴生的晶质二氧化硅组分；同时从衍射曲线可以看出复合材料中仍存在非晶质SiO₂，即脱水硅藻土。结合图4、图5可见，复合材料相比较于硅藻土的氮气吸附-脱附等温曲线的平衡吸附量减小，表明复合材料的比表面积减小，而复合材料的孔径分布曲线的峰值相对硅藻土的孔径分布曲线的峰值右移，表明复合材料的平均孔径大于硅藻土的平均孔径。

下面结合具体实施例对本发明复合调湿材料的制备方法作进一步的说明。

实施例1：

原料介绍：硅藻土来自临江北峰硅藻土有限公司，主要化学成分及含量为SiO₂86.97％，Al₂O₃3.76％，Fe₂O₃2.13％，MgO 0.23％，CaO 0.35％，粒度200目筛余2.0％；重质碳酸钙来自张家界恒亮新材料科技有限公司，CaCO₃含量98.26％,粒度325目筛余3.0％，其主要矿物成分为方解石。

制备工艺步骤如下：

将硅藻土与重质碳酸钙按1:1的质量比配料、混合均匀后给入实验室回转 炉，以15℃/min升温至700℃，在700℃下焙烧2.0h，制备硅藻土/重质碳酸钙复合调湿材料。

采用东莞市科文试验设备有限公司制造的KW-TH-225Z型可程式恒温恒湿试验箱测定实施例样品的吸湿性能。测试步骤如下：

(1)样品预处理：称取10g样品加蒸馏水浸湿，摇匀后放入105℃的烘箱中干燥，烘至连续一小时称取样品质量前后变化达到0.1％以下，在干燥器中冷却至室温后称重，并记录质量；

(2)测试准备：打开可程式恒温恒湿试验箱，在恒定30℃(保护温度50℃)的条件下调节目标湿度。打开电子天平的控制软件系统，设置端口参数；

(3)测试：在设定的温湿度环境下，样品进行吸湿试验，每隔10min通过电子天平称量的质量数据传送至电脑控制软件中，当样品质量连续一小时不再变化，样品已达饱和吸湿，吸湿过程结束。

材料的吸湿量计算公式如下：

$W_a=\frac{(m_a-m_0)}{m_0}\×100\%$

式中：W_a—吸湿过程结束时的吸湿量，单位为％；

m_a—吸湿过程结束时样品的质量，单位为g；

m₀—样品初始质量，单位为g。

表1所示为实施例1样品在环境温度30℃、相对湿度90％、80％条件下其最大吸湿量和平衡含湿量，其中硅藻土原料及实施例复合调湿材料样品的比表面积、孔体积和孔径分布采用北京精微高博科学技术有限公司制造的JW-BK型静态氮吸附仪测定。

实施例2：

与实施例1中的原料和工艺步骤相同，不同之处在于硅藻土与重质碳酸钙按1:1的质量比配料、混合均匀后给入实验室回转炉，以15℃/min升温至800℃，在800℃下焙烧1.5h。

样品的调湿性能及比表面积、孔体积和孔径分布测定方法同实施例1，结果列于表1。

实施例3：

与实施例1中的原料和工艺步骤相同，不同之处在于硅藻土与重质碳酸钙按1:1的质量比配料、混合均匀后给入实验室回转炉，以15℃/min升温至650℃，在650℃下焙烧2.5h。

样品的调湿性能及比表面积、孔体积和孔径分布测定方法同实施例1，结果列于表1。

实施例4：

与实施例1中的原料和工艺步骤相同，不同之处在于硅藻土与重质碳酸钙按1:0.7的质量比配料、混合均匀后给入实验室回转炉，以15℃/min升温至700℃，并在700℃下焙烧1.5h。

样品的调湿性能及比表面积、孔体积和孔径分布测定方法同实施例1，结果列于表1。

实施例5：

与实施例1中的原料和工艺步骤相同，不同之处在于硅藻土与重质碳酸钙按1:1.3的质量比配料、混合均匀后给入实验室回转炉，以15℃/min升温至700℃并在700℃下焙烧1.5h。

样品的调湿性能及比表面积、孔体积和孔径分布测定方法同实施例1，结果列于表1。

表1

最后需要说明的是，上面虽然结合实施例对本发明做了详细的说明，但是，所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明宗旨的前提下，在权利要求保护范围内，还可以对上述实施例进行变更和改变。

Claims (4)

1.一种硅藻土/重质碳酸钙复合调湿材料，其特征是：所述复合调湿材料的主要矿物成分有硅酸钙、氢氧钙石、方解石、脱水硅藻土。

2.根据权利要求1所述的一种硅藻土/重质碳酸钙复合调湿材料，其特征是：所述复合调湿材料的氮吸附比表面积≥8m²/g，孔体积≥0.02cm³/g，平均孔径8～15nm。

3.一种制备如权利要求1所述硅藻土/重质碳酸钙复合调湿材料的方法，其制备工艺包括下列步骤：

(1)将硅藻土与重质碳酸钙按1:0.5～1.5的质量比配料，并搅拌混合均匀，得到混合物；

(2)将步骤(1)中所得的混合物在回转炉进行焙烧，焙烧温度为600～850℃，焙烧时间为1.0～3.0h，焙烧后的产物排出回转窑后冷却，即制得硅藻土/重质碳酸钙复合调湿材料。

4.根据权利要求3所述的一种制备硅藻土/重质碳酸钙复合调湿材料的方法，其特征是：制备方法中所用的硅藻土的粒度D₉₇≤75μm、非晶质SiO₂含量≥75％；制备方法中所用的重质碳酸钙为方解石、大理石或石灰石粉体，CaCO₃含量≥97％，粒度D₉₀≤45μm。