CN107188535B - 多孔结构材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种多孔结构材料及其制备方法和应用。所述多孔结构材料包括重量份如下的原料组分：水泥20～60份；碱渣300～500份；纤维0.5～1.0份；废弃陶瓷淤泥500～750份；铝粉.3～0.8份；水80～160份；其中，所述原料组分经过烧制而成多孔结构材料。本发明的材料容重为400～700kg/m3，抗压强度≥8MPa，抗折强度≥3MPa，导热系数≤0.11W/(m.K)，抗冻性能好，适用于建筑物隔热隔音中。

Description

多孔结构材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及工业废弃物资源化技术领域，尤其涉及一种多孔结构材料及其制备方法和应用。
背景技术
近几年，国家对节能减排的要求不断提高，外墙、屋面等围护结构传热系数限值进一步降低，而且国家居住建筑、公共建筑节能设计标准、农村居住建筑节能设计标准均已修编，各省市建筑节能设计标准也在相应修编。其中北京、天津已出台了更高的节能要求，居住建筑节能率要达到75％、公共建筑节能率要达到65％的节能设计标准。
综合上述可见，建筑节能的总趋势是使用具有良好的保温隔热性能、与建筑相容性好的保温材料。
基于以上的发展趋势和要求，近年来，外墙外保温系统的防火要求越来越受到重视，尤其是高层建筑以及公共建筑，均对外墙外保温系统提出更高的防火要求。市面上涌现了大量的无机保温材料，但是这些无机保温材料存在导热系数高、耐久性差等缺点，极大的限制了无机保温材料的推广和应用。
因此，研制和开发隔热保温性能良好、耐久性能良好的无机多孔结构材料是墙体材料改革的当务之急。
建筑陶瓷厂的固体废弃物主要包括生产过程中产生的废料、废泥、废坯、废渣和粉尘等。这些废料侵占土地，还污染土壤、水质、大气，对生态环境造成了严重的危害。所以如何对其合理开发利用，是陶瓷企业及政府相关职能部门的当务之急。
碱渣是氨碱法生产纯碱过程中产生的工业废渣，其固相主要成分是碳酸钙，并含有硫酸钙及铝、铁、硅的氧化物，液相主要成分是氯化钙等可溶盐。我国年产碱渣达300万吨，但是碱渣综合利用率不到20％，主要用于工程土、锅炉脱硫剂等领域，大量碱渣只能堆存或者排海。随着我国对环境保护的日益重视，提高碱渣的综合利用水平已成为关系我国纯碱工业生存和发展的关键问题。
谢代义等研究表明：陶瓷废料由于含有有机物和无机盐，可作为成孔剂。研制以陶瓷抛光废料为主要原料、在1200℃烧制的多孔陶瓷轻质砖。但是陶瓷抛光废料利用率低，制作工艺较为复杂，耗时、耗能。查阅文献表明：碱渣中的碳酸钙成分在高于825℃时就热分解，可以作为成孔剂。
申请号为CN03132276.X的发明专利公开了一种轻质、隔热、隔音环保型陶瓷制品及其制造工艺方法，具体是将废淤泥和/或废矿渣和/或废陶瓷碎片(上釉或不上釉)50％～80％、具有膨胀性能的原生矿物的混合物20～50％、烧结改性剂0.1～2％搅拌均匀后，破碎混合球磨16～24小时，成型干燥，经过1100～1250℃烧制，冷加工后，生成高粘度的且产生均匀的封闭微气孔并形成完全烧结的玻璃相轻质陶瓷制品。
该工艺制得的陶瓷制品容重小于0.6kg/m3，抗折强度大于6MPa。但是在操作工程中，坯体容易产生夹层，在烧结中出现鼓泡、开裂等现象，同时成型过程比较复杂，需要压机、干燥等设备，投资费用大。
申请号为CN200610132308.7的发明专利公开一种具有隔热保温功能陶瓷砖及其制备方法，其烧成温度为1120～1250℃，烧成时间12～18小时，需消耗大量能源；其容重在1220～1470kg/m3，密度过大，隔音保温性能较差。
发明内容
针对现有陶瓷制品制作中存在的容重过小或过大，烧结过程中存在鼓泡、开裂以及隔音保温性能差等问题，本发明实施例提供了一种多孔结构材料及其制备方法。
以及，本发明实施例还提供了该多孔结构材料的应用。
为了达到上述发明目的，本发明实施例采用了如下的技术方案：
一种多孔结构材料，包括重量份如下的原料组分：
其中，所述原料组分经过烧制而成多孔结构材料。
本发明提供的多孔结构材料，容重在400～700kg/m3，抗压强度≥8MPa，抗折强度≥3MPa，导热系数≤0.11W/(m.K)，在-20℃下冻6小时后放入20℃水中融化5h，经过50次冻融循环，质量损失小于5％，抗冻性能好。
进一步地，所述多孔结构材料的制备方法，至少包括以下步骤：
按照如上所述的配方组分称取水泥、碱渣、陶瓷淤泥、纤维、铝粉及水；
将所述水泥、碱渣、陶瓷淤泥、纤维进行干混处理，得到第一物料；
将所述水与所述第一物料进行湿混处理，得到第二物料；
将所述铝粉与所述第二物料进行混料处理，得到第三物料；
将所述第三物料进行烧制处理，烧制时升温至150℃～220℃，保温15min～30min，然后继续升温至850℃～950℃，保温25min～50min，随后冷却至室温，得到所述多孔结构材料。
本发明提供的多孔结构材料的制备方法，以利用工业废弃物为原料，工业废弃物占85％以上，烧制的多孔结构材料容重在400～700kg/m3，抗压强度≥8MPa，抗折强度≥3MPa，导热系数≤0.11W/(m.K)，在-20℃下冻6小时后放入20℃水中融化5h，经过50次冻融循环，质量损失小于5％，抗冻性能好，而且整个烧制工艺简单，烧制时间短，可以降低能耗，适合大规模生产。
以及相应地，如上方法制备的多孔结构材料在建筑保温和隔音材料领域中的应用。
本发明提供的多孔结构材料，由于容重在400～700kg/m3，抗压强度≥8MPa，抗折强度≥3MPa，导热系数≤0.11W/(m.K)，在-20℃下冻6小时后放入20℃水中融化5h，经过50次冻融循环，质量损失小于5％，抗冻性能好，非常适合用于建筑保温、建筑隔音中。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明施例5提供的多孔结构材料空气声隔声频率特征曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供一种多孔结构材料。
所述多孔结构材料，包括重量份如下的原料组分：
其中，所述原料组分经过烧制而成多孔结构材料。
优选地，所述水泥平均粒径为30μm～60μm，强度等级≥42.5；
所述纤维为碳纤维或玄武岩纤维，所述纤维长度为3mm～5mm；
所述碱渣的平均粒径为45μm～80μm；所述陶瓷淤泥的平均粒径为1μm～100μm。
优选地，所述水泥、碱渣、废弃陶瓷淤泥、铝粉和水的含量如下：
优选配方相对第一次提到的配方，多孔结构材料的综合性能要优于第一次提到的配方。
上述实施例提供的孔结构材料，容重在400～700kg/m3，抗压强度≥8MPa，抗折强度≥3MPa，导热系数≤0.11W/(m.K)，在-20℃下冻6小时后放入20℃水中融化5h，经过50次冻融循环，质量损失小于5％，抗冻性能好。
与此同时，本发明还提供该多孔结构材料的烧制方法，也就是制备方法。
在一实施例中，该多孔结构材料的制备方法至少包括以下步骤：
按照如上所述的配方组分称取水泥、碱渣、陶瓷淤泥、纤维、铝粉及水；
将所述水泥、碱渣、陶瓷淤泥、纤维进行干混处理，得到第一物料；
将所述水与所述第一物料进行湿混处理，得到第二物料；
将所述铝粉与所述第二物料进行混料处理，得到第三物料；
将所述第三物料进行烧制处理，烧制时升温至150℃～220℃，保温15min～30min，然后继续升温至850℃～950℃，保温25min～50min，随后冷却至室温，得到所述多孔结构材料。
下面对上述制备方法做进一步详细的说明。
优选地，所述水泥平均粒径为30μm～60μm，强度等级≥42.5；所述纤维为碳纤维或玄武岩纤维，所述纤维长度为3mm～5mm；所述碱渣的平均粒径为45μm～80μm；所述陶瓷淤泥的平均粒径为1μm～100μm，采用这些参数的原料使第三物料混合更均匀，使多孔结构材料发泡更均匀，性能更优异。
优选地，第一物料的干混处理时间为1～3min，即可获得混合均匀的第一物料。
优选地，第二物料的湿混处理时间为2～5min，湿混的难度相对于干混大，为了使得干物料和水混合均匀，适当延长混合时间。
优选地，铝粉与所述第二物料的混合时间为20s～40s，铝粉在碱性环境在会反应产生氢气，若混合时间过长，搅拌过程中会影响气泡大小的均匀性。
优选地，所述升温至150℃～220℃的升温速率为5～10℃/min，一方面可以防止第三物料因升温速率过快而发生开裂，影响多孔结构材料的强度；另一方面，可以使第三物料均匀陶化，提高多孔结构材料的力学性能。
优选地，温度由150℃～220℃升温至850℃～950℃的升温速率为5～10℃/min，若升温速率过大，会影响第三物料陶化的均匀性，从而影响多孔结构材料的性能。
在一实施例中，第三物料进行烧制时，盛放于耐火模具中，避免发生其他副反应，而且烧制处理采用窑烧。
优选地，烧制结束后，采用自然冷却的方式进行冷却处理。如果采用其他急冷方式，会使多孔结构材料在冷却过程中因温度应力产生裂纹，从而降低多孔结构材料的强度。
本发明实施例提供的多孔结构材料的制备方法，以利用工业废弃物为原料，工业废弃物占85％以上，烧制的多孔结构材料容重在400～700kg/m3，抗压强度≥8MPa，抗折强度≥3MPa，导热系数≤0.11W/(m.K)，在-20℃下冻6小时后放入20℃水中融化5h，经过50次冻融循环，质量损失小于5％，抗冻性能好，而且整个烧制工艺简单，烧制时间短，可以降低能耗，适合大规模生产。
进一步地，本发明上述实施例提供的多孔结构材料，由于材料的容重为400～700kg/m3，抗压强度≥8MPa，抗折强度≥3MPa，导热系数≤0.11W/(m.K)，在-20℃下冻6h后放入20℃水中融化5h，经过50次冻融循环，质量损失小于5％，抗冻性能好，非常适用于建筑保温和隔音材料领域。
为了更好的体现本发明实施例提供的多孔结构材料及其制备方法，下面通过多个实施例进一步说明。
实施例1
一种多孔结构材料，包括重量份如下的原料组分：
其中，水泥的平均粒径为30μm～60μm，强度等级不小于42.5；
碱渣的平均粒径45μm～80μm；
纤维的平均长度为3mm～5mm；
陶瓷淤泥的平均粒径为1μm～100μm。
上述多孔结构材料，需要将原料采用如下的制备方法制备得到：
步骤S01、称取如上分量的水泥、碱渣、陶瓷淤泥、纤维，加入搅拌机搅拌1～3分钟得均匀的第一物料；
步骤S02、将上述分量的水及所述第一物料一起加入搅拌机搅拌2min～5min至均匀，得到第二物料；
步骤S03、将上述分量的铝粉加入所述第二物料中搅拌20s～40s，得到第三物料；
步骤S04、将所述第三物料装入耐火模具中，刮平；
步骤S05、将所述第三物料和耐火模具转移至窑中进行烧制处理；其中，烧制处理的温度为，常温下升温至200℃，保温(预热)20min，继续升温至950℃，保温30min、随窑冷却至室温，得到所述多孔结构材料。
实施例2
一种多孔结构材料，包括重量份如下的原料组分：
其中，水泥的平均粒径为30μm～60μm，强度等级不小于42.5；
碱渣的平均粒径45μm～80μm；
纤维的平均长度为3mm～5mm；
陶瓷淤泥的平均粒径为1μm～100μm。
上述多孔结构材料，需要将原料采用如下的制备方法制备得到：
步骤S01、称取如上分量的水泥、碱渣、陶瓷淤泥、纤维，加入搅拌机搅拌3mim得均匀的第一物料；
步骤S02、将上述分量的水及所述第一物料一起加入搅拌机搅拌5min至均匀，得到第二物料；
步骤S03、将上述分量的铝粉加入所述第二物料中搅拌30s，得到第三物料；
步骤S04、将所述第三物料装入耐火模具中，刮平；
步骤S05、将所述第三物料和耐火模具转移至窑中进行烧制处理；其中，烧制处理的温度为，常温下升温至250℃，保温(预热)20min，继续升温至900℃，保温30min、随窑冷却至室温，得到所述多孔结构材料。
实施例3
一种多孔结构材料，包括重量份如下的原料组分：
其中，水泥的平均粒径为30μm～60μm，强度等级不小于42.5；
碱渣的平均粒径为45μm～80μm；
纤维的平均长度为3mm～5mm；
陶瓷淤泥的平均粒径为1μm～100μm。
上述多孔结构材料，需要将原料采用如实施例1所描述的制备方法制备得到。
实施例4
一种多孔结构材料，包括重量份如下的原料组分：
其中，水泥的平均粒径为30μm～60μm，强度等级不小于42.5；
碱渣的平均粒径为45μm～80μm；
纤维的平均长度为3mm～5mm；
陶瓷淤泥的平均粒径为1μm～100μm。
上述多孔结构材料，需要将原料采用如实施例1所描述的制备方法制备得到。
实施例5
一种多孔结构材料，包括重量份如下的原料组分：
其中，水泥的平均粒径为30μm～60μm，强度等级不小于42.5；
碱渣的平均粒径为45μm～80μm；
纤维的平均长度为3mm～5mm；
陶瓷淤泥的平均粒径为1μm～100μm。
上述多孔结构材料，需要将原料采用如实施例1所描述的制备方法制备得到。
对比例1
一种多孔结构材料，包括重量份如下的原料组分：
其中，水泥的平均粒径为30μm～60μm，强度等级不小于42.5；
碱渣的平均粒径为45μm～80μm；
纤维的平均长度为3mm～5mm；
陶瓷淤泥的平均粒径为1μm～100μm。
上述对比例1的多孔结构材料，需要将原料采用如实施例1所描述的制备方法制备得到。
对比例2
一种多孔结构材料，包括重量份如下的原料组分：
其中，水泥的平均粒径为30μm～60μm，强度等级不小于42.5；
碱渣的平均粒径45μm～80μm；
纤维的平均长度为3mm～5mm；
陶瓷淤泥的平均粒径为1μm～100μm。
上述多孔结构材料，需要将原料采用如下的制备方法制备得到：
步骤S01、称取如上分量的水泥、碱渣、陶瓷淤泥、纤维，加入搅拌机搅拌1～3分钟得均匀的第一物料；
步骤S02、将上述分量的水及所述第一物料一起加入搅拌机搅拌2min～5min至均匀，得到第二物料；
步骤S03、将上述分量的铝粉加入所述第二物料中搅拌20s～40s，得到第三物料；
步骤S04、将所述第三物料装入耐火模具中，刮平；
步骤S05、将所述第三物料和耐火模具转移至窑中进行烧制处理；其中，烧制处理的温度为，常温下升温至200℃，保温(预热)20min，继续升温至950℃，保温80min、随窑冷却至室温，得到对比例2的多孔结构材料。
对比例3
一种多孔结构材料，包括重量份如下的原料组分：
其中，水泥的平均粒径为30μm～60μm，强度等级不小于42.5；
碱渣的平均粒径45μm～80μm；
纤维的平均长度为3mm～5mm；
陶瓷淤泥的平均粒径为1μm～100μm。
上述多孔结构材料，需要将原料采用如下的制备方法制备得到：
步骤S01、称取如上分量的水泥、碱渣、陶瓷淤泥、纤维，加入搅拌机搅拌1～3分钟得均匀的第一物料；
步骤S02、将上述分量的水及所述第一物料一起加入搅拌机搅拌2min～5min至均匀，得到第二物料；
步骤S03、将上述分量的铝粉加入所述第二物料中搅拌20s～40s，得到第三物料；
步骤S04、将所述第三物料装入耐火模具中，刮平；
步骤S05、将所述第三物料和耐火模具转移至窑中进行烧制处理；其中，烧制处理的温度为，常温下升温至200℃，保温(预热)20min，继续升温至950℃，保温10min、随窑冷却至室温，得到对比例3的多孔结构材料。
对比例4
一种多孔结构材料，包括重量份如下的原料组分：
其中，水泥的平均粒径为30μm～60μm，强度等级不小于42.5；
碱渣的平均粒径45μm～80μm；
纤维的平均长度为3mm～5mm；
陶瓷淤泥的平均粒径为1μm～100μm。
上述多孔结构材料，需要将原料采用如下的制备方法制备得到：
步骤S01、称取如上分量的水泥、碱渣、陶瓷淤泥、纤维，加入搅拌机搅拌1～3分钟得均匀的第一物料；
步骤S02、将上述分量的水及所述第一物料一起加入搅拌机搅拌2min～5min至均匀，得到第二物料；
步骤S03、将上述分量的铝粉加入所述第二物料中搅拌20s～40s，得到第三物料；
步骤S04、将所述第三物料装入耐火模具中，刮平；
步骤S05、将所述第三物料和耐火模具转移至窑中进行烧制处理；其中，烧制处理的温度为，常温下升温至200℃，保温(预热)20min，继续升温至800℃，保温30min、随窑冷却至室温，得到对比例4的多孔结构材料。
除了升温到800℃保温30分钟外，其他条件同实施例1。
对比例5
除升温到1200℃保温30min外，其他条件同实施例1。
对比例6
除铝粉0份外，其他条件同实施例1。
对实施案例1～5、对比案例1～6所述利用工业废弃物烧制的多孔结构材料切割成标准试件，对多孔结构材料进行容重、抗压强度、抗折强度、导热系数、抗冻性能测试，测试方法按照常规的方式进行，具体实验数据见表1。
表1工业废弃物烧制多孔结构材料检测数据
从表1可知，对比例1碱渣600份，与实施例1对比，导热系数、容重、抗压抗折强度均下降较大，冻融循环15次的质量损失增加较多；
对比例2升温到950℃保温80min，与实施例1对比，导热系数增加较少，容重降低较少，但抗压抗折强度降低较多，冻融循环15次的质量损失增加较多；
对比例3升温到950℃保温10min，与实施例1对比，导热系数增加较少，容重基本没变化，但抗压抗折强度下降较多，冻融循环15次的质量损失增加较多；
对比例4升温到800℃保温30min，与实施例1对比，导热系数、容重、冻融循环15次的质量损失增加较多，抗压抗折强度下降较多；
对比例5升温到1200℃保温30min，与实施例1对比，导热系数、冻融循环15次的质量损失增加较多，容重、抗压抗折强度下降较多；
对比例6没有添加铝粉，与实施例1对比，容重、抗压强度、导热系数、抗冻性能基本没变化，抗折强度降低较多。
从表1数据可知，多孔结构材料的导热系数越小，保温性能越好。
上述试验证明，在本发明所选取的碱渣、烧制温度、烧制时间为最优；添加铝粉可以提高多孔结构材料的韧性，从而增加多孔结构材料的抗折强度。
对实施例5烧制的多孔结构材料切割成2cm厚的板材，对多孔结构材料进行隔音性能检测，实验数据见图1。
从图1可知，在100～5000Hz范围内，多孔结构材料的平均空气声隔声量为45分贝，当频率大于400Hz时，随着频率的增长，多孔结构材料的隔声效果提高。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多孔结构材料，其特征在于：包括重量份如下的原料组分：
所述原料组分经过烧制而成多孔结构材料；
所述多孔结构材料采用如下方法制备：
所述水泥、碱渣、陶瓷淤泥、纤维进行干混处理，得到第一物料；
将所述水与所述第一物料进行湿混处理，得到第二物料；
将所述铝粉与所述第二物料进行混料处理，得到第三物料；
将所述第三物料进行烧制处理，烧制时按照升温速率为(5～10)℃/min升温至150℃～220℃，保温15min～30min，然后继续按照升温速率为(5～10)℃/min升温至850℃～950℃，保温25min～50min，随后冷却至室温，得到所述多孔结构材料。
2.如权利要求1所述的多孔结构材料，其特征在于：所述水泥平均粒径为30μm～60μm，强度等级≥42.5；
所述纤维为碳纤维或玄武岩纤维，所述纤维长度为3mm～5mm；所述碱渣的平均粒径为45μm～80μm；所述陶瓷淤泥的平均粒径为1μm～100μm。
3.如权利要求1所述的多孔结构材料，其特征在于：所述多孔结构材料的容重为400～700kg/m3，抗压强度≥8MPa，抗折强度≥3MPa，导热系数≤0.11W/(m.K)。
4.如权利要求1～2任一项所述的多孔结构材料，其特征在于：所述水泥、碱渣、废弃陶瓷淤泥、铝粉和水的含量如下：
5.如权利要求1～4任一项所述的多孔结构材料的制备方法，其特征在于：至少包括以下步骤：
按照权利要求1～4任一项所述的配方组分称取水泥、碱渣、陶瓷淤泥、纤维、铝粉及水；
将所述水泥、碱渣、陶瓷淤泥、纤维进行干混处理，得到第一物料；
将所述水与所述第一物料进行湿混处理，得到第二物料；
将所述铝粉与所述第二物料进行混料处理，得到第三物料；
将所述第三物料进行烧制处理，烧制时升温至150℃～220℃，保温15min～30min，然后继续升温至850℃～950℃，保温25min～50min，随后冷却至室温，得到所述多孔结构材料。
6.如权利要求5所述的多孔结构材料的制备方法，其特征在于：所述升温速率均为5℃/min～10℃/min。
7.如权利要求5所述的多孔结构材料的制备方法，其特征在于：所述铝粉和所述第二物料混料处理的时间为20s～40s。
8.如权利要求5所述的多孔结构材料的制备方法，其特征在于：所述烧制处理为窑烧。
9.如权利要求5所述的多孔结构材料的制备方法，其特征在于：所述冷却方式为自然冷却。
10.如权利要求1～4任一项所述的多孔结构材料或如权利要求5～9任一项多孔结构材料的制备方法制备的多孔材料在建筑保温和隔音材料领域的应用。
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