CN106082780A - 纳米硅溶胶改性低密度保温板及其制备方法 - Google Patents

纳米硅溶胶改性低密度保温板及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种纳米硅溶胶改性低密度无机保温板及其制备方法，由重量份数的以下原材料制成：水性树脂或水性改性树脂3‑40份、纳米硅溶胶1‑5份、有机硅类憎水剂0.1‑8份、膨胀珍珠岩或玻化微珠60‑120份。本发明生产得到的保温板，其密度小于200kg/m3，较市场同类产品密度大大降低，常温导热系数为0.035～0.055w/m.k，保温性能优异。憎水性优良，拉拔强度达到0.2MPa左右，抗压强度≥0.50MPa，抗折抗压强度高，遇潮湿或冻融强度不损失。防火阻燃、不泛碱、耐久性好、憎水效果好、稳定性好且成本合理，防火等级达到A级标准。

Description

纳米硅溶胶改性低密度保温板及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种纳米硅溶胶改性低密度无机保温板，本发明还涉及该种低密度无机保温板的制备方法。
背景技术
随着国民经济的快速发展，人民生活水平的不断提高，对能源的消耗也越来越大，在我国的总能耗中，建筑能耗是我国能耗的主要方面之一。根据有关报道，我国每年新增房屋建筑面积中大部分为高耗能建筑，既有建筑近90％为高能耗建筑。全国建筑物每年用电量占我国发电量的20％以上，单位建筑面积耗电是发达国家的数倍。其中主要原因是我国建筑保温功能不完善和相关技术相对落后造成的。
为了节能减排，降低建筑能源消耗，目前最普遍的方法是在外墙加装保温隔热层。现有保温材料大多采用的是低密度疏松多孔材料，因为内部填充和封闭的空气对热量的对流和传导起到很大的阻挡作用，从而实现保温隔热的效果。
我国现阶段使用的主要是有机保温材料，如：发泡聚苯板EPS、挤塑聚苯板XPS、聚苯颗粒、喷涂聚氨酯SPU及聚氨酯PU硬泡等。有机保温材料具有重量轻、保温隔热效果好、施工简便的特点。但是现有有机保温材料也有其无法避免的缺点：易燃，虽然已有相应技术提高有机材料的防火性能达到阻燃效果，然而在火势较大的情况下，阻燃处理材料仍能被点燃，有些材料还可能产 生大量含毒烟雾，增加火灾发生时逃生人员被毒死或被窒息的可能性。另外有机材料在火灾中受热后力学性能迅速降低还可能增加其脱落的风险，造成不必要的损失。而无机保温材料就不存在这样的缺点，它耐火等级为A1级，不燃烧、不发烟而且热稳定性好，也不会因为高温而损失强度。
因此，从建筑节能的大局和人民生命财产安全出发，用优秀的无机保温材料替代有机保温材料成为迫在眉睫的事情。
无机保温材料以岩棉、发泡水泥、膨胀珍珠岩板为主，他们具有耐酸碱、耐腐蚀、稳定性高，施工简便，适用范围广，适用于各种墙体基层材质和各种形状复杂墙体的保温，最重要的是其防火阻燃安全性好，可广泛用于密集型住宅、公共建筑、大型公共场所、易燃易爆场所等其他对防火等级要求严格场所。然而，现有无机保温材料的保温和憎水性能相对较差，抗压、抗折强度不高，耐久性不好，在相对潮湿环境下易溃散，用于外墙保温长期来看，存在重大安全隐患。
如现有的岩棉板生产能耗高，且强度差、易吸水、不易施工、用于外墙外保温易空鼓开裂。
发泡水泥板强度差、易吸水、现场损耗大、用于外墙外保温易空鼓开裂。
普通珍珠岩板或着使用水玻璃做为粘结材料，其耐水性差、易返碱、经过反复的干湿或冻融循环易垮塌。
普通珍珠岩板或着使用水泥做为粘结材料，其容重高，保温性能差，吸水率高。总之，在A级防水保温材料中，目前市场上的材料均有所不足，不能较好的满足市场需求。
中国专利文献CN102787670A公开了一种防火保温板及其制造方法，以改 性酚醛树脂、无机微珠保温填料为原料，改性酚醛树脂与表面活性剂、固化剂和发泡剂搅拌均匀制成改性酚醛树脂胶粘剂，然后再加入无机微珠保温填料，搅拌均匀，在50-70℃发泡板，然后固化定型得到。该工艺制备的保温板，隔热保温，防水防湿，密度小于200kg/m3。但是其酚醛树脂添加量大，原料成本高，且需要添加固化剂、发泡剂发泡成型，对生产设备要求高，成本高。
专利文献CN103483767B公开了一种复合保温板，原材料为废旧轻质耐火材料30-60％、酚醛树脂40-70％。0＜助剂≤10％，废旧轻质耐火材料指用用于隔热保温的炉衬或炉壁废旧构件，酚醛树脂为各种经过阻燃改性的酚醛树脂。酚醛树脂的添加量大，成本高，制得的保温板密度大于300kg/m3，密度大。
申请号为201410341475.7的专利文献公开了一种纳米改性酚醛泡沫保温板及其制备方法，原料为酚醛树脂50－65份；反应性聚酰胺树脂20－25份；气相二氧化硅2-8份；液体丁腈橡胶5-15份；改性表面活性剂4-8.5份；韧性改性剂9-18份；发泡剂4-10份；固化剂6-8份；催化促进剂1-5.5份。该保温板为B1级防火的有机为主的发泡保温板，其气相二氧化硅主要作用为增加泡沫强度，避免出现易脆和掉粉的现象。并且，气相硅的成本高。
因此，研究开发一稳种密度低、强度高、粘结胶加量小，成本低，易施工、耐久性好、定性好、保温性能优良、制作工艺简单、设备要求小的不燃保温材料成为当前亟需解决的实际问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的第一目的在于提供一种粘结胶加量小，成本低，密度低、强度高、弹性模量大、憎水性能优良，耐水强度高，保温性能好的纳米硅溶胶改性低密度无机保温板。本发明的第二目的在于提供该种无 机保温板的制备方法，制作工艺简单，设备要求小。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种纳米硅溶胶改性低密度无机保温板，其特征在于由重量份数的以下原材料制成：水性树脂或水性改性树脂3-40份、纳米硅溶胶1-5份、有机硅类憎水剂0.1-8份、膨胀珍珠岩或玻化微珠60-120份。
在上述方案中：所述水性树脂或水性改性树脂为：水性聚氨酯树脂、水性聚酯树脂、水性脲醛树脂、水性环氧树脂、水性酚醛树脂、水性萜烯树脂中的一种及一种以上，或者为各种经过改性后得到水性改性聚氨酯树脂、水性改性聚酯树脂、水性改性脲醛树脂、水性改性环氧树脂、水性改性酚醛树脂、水性改性萜烯树脂中的一种及一种以上。
在上述方案中：所述膨胀珍珠岩或玻化微珠的容重为60-120kg/m3，常温导热系数为0.03～0.04w/m.k。
本发明使用纳米硅溶胶对水性树脂或水性改性树脂进行了改性并制备保温板，红外光谱分析表明水性树脂的羟基和硅溶胶的Si－OH发生了缩聚反应，正是因为有机相和无机相之间存在着新生成的化学结合键，它的力学性能与一般混合复合材料有着较大的区别，其粘结机械强度(包括弯曲强度和拉伸强度)比改性前大幅增加约50％－400％。
硅溶胶为二氧化硅胶体在水中均匀扩散形成的胶体溶液，由于硅溶胶中的SiO2含有大量的水及羟基，故硅溶胶也可以表述为SiO2.nH2O。，不同于纳米二氧化硅和气相二氧化硅。本发明采用硅溶胶改性水性树脂制得的保温板的拉伸剪切强度有大幅度提高(提高50％-400％)，而按照同样的方法用气相二氧化硅或纳米二氧化硅改性的水性树脂制得的保温板的拉伸剪切强度只提高25％左右。主 要是因为：
(1)水性树脂或水性改性树脂和硅溶胶发生共缩聚反应，生成了Si－O－Si和Si－O－C的交联网络结构，可以有效地增加分子间的联系，使分子链不易发生相对滑移，比通常的用无机纳米粉末填充聚合物和通过分子间氢键作用来增强聚合物效果更明显。
(2)硅溶胶中的SiO2已经扩散为胶体溶液，粒径小，比表面积大，表面层内原子所占比例大，与聚合物基体接触面积增大，故可以与聚合物充分地吸附、键合，当受到拉力作用时，这些粒子可以起到多向分散负荷的作用，阻碍分子链段间的滑移，从而使材料的力学性能得以提高。附着在固体表面的二氧化硅胶粒还可增大摩擦系数。
而采用粉体纳米二氧化硅或气相纳米二氧化硅，SiO2含量过大，纳米粒子很易团聚。此外，由于“团聚”粒子的表面缺陷，一则容易引起聚合物基体损伤而产生应力集中，二则在外力作用时，团聚粒子产生相互滑移，引起材料中产生较大的开裂，从而导致材料的塑性下降。
同时，硅溶胶的加入提高了保温板保温性能，相比保温性能明显优于同类产品，从而大副提高了保温板的建筑安全性，同时提供了该种无机保温板的制备方法。
(3)、采用硅溶胶水性树脂制备保温板，无需固化剂，自身可牢固地附着在固体表面并形成坚固的膜，同时成膜温度很低；改性后高分子材料的特殊性能是由纳米粒子的表面效应、体积效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应综合作用的结果。实验结果表明加入固化剂对硅溶胶提高粘结胶强度产生了负面效果，故本发明中没有添加常用的固化剂。
(4)硅溶胶通过干燥或烧结可形成固态凝胶，因而具有一定的耐久性。
(5)硅溶胶既可形成具有表面积大且均匀细孔的凝胶，又可均匀分散粉料，增加悬浮体的稳定性。
(6)、通过形成的Si－OH基和吸附水，可提高润湿性和防带电性能；
(7)硅溶胶可浸入填充到多孔性物质中，使表面平滑。
(8)溶胶是液状体系，能进行均相反应，通过均匀混合微粒，可使有机树脂在机械、光学及电性能方面的改性增强。
由此可以看出以硅溶胶代替纳米二氧化硅或气相二氧化硅作原料对保温板进行改性，可提高反应速度同时能使纳米SiO2粒子很好的分散在水性树脂基体中，发挥更好的水性树脂的力学性能。所以本发明使用硅溶胶而不使用纳米SiO2粒子进行改性，能有效的解决纳米SiO2粒子的团聚问题。
并且本发明采用的硅溶胶其成本仅为纳米二氧化硅的十分之一，材料储存及使用也很方便。
最后，本发明采用水性树脂或水性改性树脂代替目前无机保温板中使用的树脂，可将较大程度的用水稀释，因此添加量大大降低，且无论是对环境或对生产工人都更加环保，无毒无害。同时，本发明无需添加固化剂和发泡剂，生产工艺中无需发泡，直接将各原料混合后压制成型，工艺简单，对生产设备要求低，设备清洗方便，成本低，无污染。在烘干后，树脂成膜，其憎水性能良好。
本发明的第二目的是这样实现的：一种如权利要求1-3任一项所述纳米硅溶胶改性低密度无机保温板的制备方法，其特征在于：将水性树脂或水性改性树脂、有机硅类憎水剂、纳米硅溶胶、膨胀珍珠岩或玻化微珠混合，加水搅拌均 匀，然后压制成型，烘干得到。
在上述方案中：加水的量为水性树脂或水性改性树脂的100％-300％。
有益效果：本发明生产得到的保温板，其密度小于200kg/m3，较市场同类产品强度、韧性、保温性及耐水性大大提高，成本降低，常温导热系数为0.035～0.055w/m.k，保温性能优于同类产品，憎水性优良。拉拔强度达到0.2MPa左右，抗压强度≥0.50MPa，抗折抗压强度高，遇潮湿或冻融强度不损失。防火阻燃、不泛碱、耐久性好、憎水效果好、稳定性好且成本合理，防火等级达到A级标准。另外本发明的保温板其制备工艺简单，对设备的要求低，成本大大降低。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明：
实施例1
水性酚醛树脂12份，有机硅憎水剂0.2份，气相二氧化硅2份，膨胀珍珠岩86份，膨胀珍珠岩的容重为60-120kg/m3，常温导热系数为0.03～0.04w/m.k。
将以上各原料混合后，加水搅拌混合均匀，按照重量加水的量为树脂的200％。然后压制成型，最后烘干得到保温板。
实施例2
水性酚醛树脂12份，有机硅憎水剂0.2份，纳米硅溶胶2份，膨胀珍珠岩86份，膨胀珍珠岩的容重为60-120kg/m3，常温导热系数为0.03～0.04w/m.k。
将以上各原料混合后，加水搅拌混合均匀，按照重量加水的量为树脂的200％。然后压制成型，最后烘干得到保温板，由于加水量多，烘干的时间稍微长一些。
实施例3
水性酚醛树脂12份，有机硅憎水剂0.2份，膨胀珍珠岩80份，膨胀珍珠岩的容重为60-120kg/m3，常温导热系数为0.03～0.04w/m.k。
将以上各原料混合后，加水搅拌混合均匀，按照重量加水的量为树脂的200％。然后压制成型，最后烘干得到保温板。
实施例4
水性聚酯树脂40份，有机硅憎水剂8份，纳米硅溶胶5份，膨胀珍珠岩120份，膨胀珍珠岩的容重为60-120kg/m3，常温导热系数为0.03～0.04w/m.k。
将以上各原料混合后，加水搅拌混合均匀，加水的量为树脂的150％。然后压制成型，最后烘干得到保温板。
实施例5
水性改性脲醛树脂20份，水性酚醛树脂15份，有机硅憎水剂2.5份，硅溶胶1.25份，玻化微珠60份，玻化微珠的容重为60-120kg/m3，常温导热系数为0.03～0.04w/m.k。
将以上各原料混合后，加水搅拌混合均匀，按照重量加水的量为树脂的300％。然后压制成型，最后烘干得到保温板。
实施例6
水性改性脲醛树脂20份，水性酚醛树脂15份，有机硅憎水剂2.5份，硅溶胶1.25份，六亚甲基四胺0.5份(固化剂)，玻化微珠60份，玻化微珠的容重为60-120kg/m3，常温导热系数为0.03～0.04w/m.k。
将以上各原料混合后，加水搅拌混合均匀，按照重量加水的量为树脂的300％。然后压制成型，最后烘干得到保温板。
实施例7
水性改性环氧树脂25份，水性酚醛树脂12份，有机硅憎水剂0.1份，硅溶胶5份，玻化微珠88份，玻化微珠的容重为60-120kg/m3，常温导热系数为0.03～0.04w/m.k。
将以上各原料混合后，加水搅拌混合均匀，按照重量加水的量为树脂的250％。然后压制成型，最后烘干得到保温板。
实施例8
水性萜烯树3份，有机硅憎水剂0.1份，硅溶胶1份，玻化微珠60份，玻化微珠的容重为60-120kg/m3，常温导热系数为0.03～0.04w/m.k。
将以上各原料混合后，加水搅拌混合均匀，加水的量为树脂的100％。然后压制成型，最后烘干得到保温板。
对实施例1-5得到的保温板做性能测试，其结果见表1
表1
从表1中可以看出，本发明制得的无机保温板其密度在200kg/m3以下，导热系数低，隔热性能好，抗压强度和抗拉强度好。
从上表可以看出，本发明采用纳米硅溶胶改性水性树脂制备的保温板，其抗压强度和抗拉伸强度明显优于采用纳米二氧化硅改性水性树脂制备的保温板。在本发明中加入固化剂和不加固化剂对性能的影响是相当大的。因此本发明选择不加入固化剂，取得了良好的效果。
本发明不局限于上述实施例，应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种纳米硅溶胶改性低密度无机保温板，其特征在于由重量份数的以下原材料制成：水性树脂或水性改性树脂3-40份、纳米硅溶胶1-5份、有机硅类憎水剂0.1-8份、膨胀珍珠岩或玻化微珠60-120份。
2.根据权利要求1所述纳米硅溶胶改性低密度无机保温板，其特征在于：所述水性树脂或水性改性树脂为：水性聚氨酯树脂、水性聚酯树脂、水性脲醛树脂、水性环氧树脂、水性酚醛树脂、水性萜烯树脂中的一种及一种以上，或者为各种经过改性后得到水性改性聚氨酯树脂、水性改性聚酯树脂、水性改性脲醛树脂、水性改性环氧树脂、水性改性酚醛树脂、水性改性萜烯树脂中的一种及一种以上。
3.根据权利要求1或2所述纳米硅溶胶改性低密度无机保温板，其特征在于：所述膨胀珍珠岩或玻化微珠的容重为60-120kg/m3，常温导热系数为0.03～0.04w/m.k。
4.一种如权利要求1-3任一项所述纳米硅溶胶改性低密度无机保温板的制备方法，其特征在于：将水性树脂或水性改性树脂、有机硅类憎水剂、纳米硅溶胶、膨胀珍珠岩或玻化微珠混合，加水搅拌均匀，然后压制成型，烘干得到。
5.根据权利要求4所述纳米硅溶胶改性低密度无机保温板的制备方法，其特征在于：加水的量为水性树脂或水性改性树脂的100％-300％。
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