CN107311546A - 一种地质聚合物基泡沫材料及其制备方法 - Google Patents

一种地质聚合物基泡沫材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及建筑功能材料技术领域，尤其涉及一种地质聚合物基泡沫材料及其制备方法。该地质聚合物基泡沫材料以重量份数计，包括以下组分：粉煤灰180‑220份、碱激发剂35‑110份、调凝剂0.1‑50份、发泡剂0.2‑2份和功能性助剂0‑1。该地质聚合物基泡沫材料原料来源广泛、无需二次加工，以工业废弃物粉煤灰为主要原料，对环境友好；同时，本发明的泡沫材料具有高强度、隔热性能好、不易开裂等优异性能；此外，本发明所采用的制备方法简便快捷易操作，对工艺条件的要求不苛刻。

Description

一种地质聚合物基泡沫材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及建筑功能材料技术领域，尤其涉及一种地质聚合物基泡沫材料及其制备方法。
背景技术
粉煤灰是火力发电的产物，目前我国每年粉煤灰产量非常高，如若不能妥善治理，会对环境和公众健康产生巨大威胁。因此，粉煤灰的综合利用已迫在眉睫。
另外，传统的波特兰水泥泡沫材料具有材料强度低、粘结力差、不耐高温、热稳定性差等缺点，而且对工业废弃物的利用率低(例如粉煤灰)，因此有必要开发出性能更加优越、同时更环保的泡沫材料。
地质聚合物(Geopolymer)，指的是天然或人工的硅铝材料，在碱激发剂的作用下，聚合形成的具有Si、Al、O三维网状键接结构的无机胶凝材料，其结构包括三种类型，-Si-Al-O-(PS)，-Si-O-Al-O-Si-O-(PSS)，和-Si-O-Al-O-Si-O-Si-O-(PSDS)。由于其独特的结构，地质聚合物具有高强度、快硬早强、耐高温、隔热、热稳定性良好等特征，因此地质聚合物基泡沫材料可作为替代波特兰水泥泡沫材料的优选。但是目前的地质聚合物基泡沫材料所采用的制备方法存在工艺条件复杂的问题，需要经过高温养护(60-90℃)，或者使用碱性较强的低模数水玻璃，严重影响机械和人力施工的安全性，后期还存在返碱的可能性。因此，急需开发一种加工条件简单、性能优异的地质聚合物泡沫材料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种地质聚合物基泡沫材料及其制备方法，以解决传统泡沫材料强度低、热稳定性差等问题，以及地质聚合物基泡沫材料加工条件复杂的问题。
第一个方面，本发明提供一种地质聚合物基泡沫材料，以重量份数计，包括以下组分：
可选地，所述粉煤灰的重量份数为200份，所述粉煤灰为F类灰、C类灰中的一种或两种的混合，且所述F类灰包括一级灰和/或二级灰，所述C类灰包括一级灰和/或二级灰。
进一步地，所述粉煤灰的化学组成包括：
其中，在所述粉煤灰中，还包括其它含量较少的化学组成。
进一步地，在所述粉煤灰中，SiO2中的Si元素与Al2O3中的Al元素的质量百分数之比为3.0-4.0:1。
进一步地，在所述粉煤灰中，当SiO2中的Si元素与Al2O3中的Al元素的质量百分数之比小于3.0:1时，所述地质聚合物基泡沫材料还包括无定型二氧化硅，所述无定型二氧化硅的添加量使SiO2中的Si元素与Al2O3中的Al元素的质量百分数之比为3.0-4.0:1。在本发明中，当SiO2中的Si元素与Al2O3中的Al元素的质量百分数之比小于3:1时，添加无定型二氧化硅的作用是为了增加SiO2的含量，使SiO2中Si元素的质量百分数提高，从而满足SiO2中的Si元素与Al2O3中的Al元素的质量百分数之比为3.0-4.0:1的要求，也即调节硅铝比为3.0-4.0:1。
进一步地，所述调凝剂为富含钙的材料，所述调凝剂的重量份数为10-50份。
可选地，所述富含钙的材料选自矿渣、水泥熟料、赤泥、水泥中的一种或几种的混合物。
优选地，所述调凝剂是水泥或水泥熟料，所述调凝剂的重量份数为30份。
优选地，所述水泥的化学组成包括：
进一步地，所述碱激发剂为碱金属硅酸盐溶液、碱金属氢氧化物溶液中的一种或几种混合液，所述碱激发剂的固含量为30％-50％。
优选地，所述碱激发剂为模数为2.2-2.4的水玻璃，所述水玻璃的固含量为35.0-50.0％。
优选地，所述发泡剂为铝粉，所述发泡剂的重量份数为0.3-0.5份。
进一步地，所述功能性助剂选自早强剂、缓凝剂、减水剂、稳泡剂、防冻剂、着色剂中的一种或几种的混合物。
其中，所述早强剂选自氯化钙、硫酸盐类和有机胺中的一种或几种的混合物。所述缓凝剂选自羟基羧酸及其盐类、含糖碳水化合物类、无机盐类、木质素磺酸盐类中的一种或几种的混合物。所述减水剂选自木质素系减水剂、萘系高效减水剂、聚羧酸盐系高效减水剂中的一种或几种的混合物。所述稳泡剂选自硬脂酸盐、聚丙烯酰、多肽类大分子稳泡剂、十二烷基二甲基氧化胺中的一种或几种的混合物。所述防冻剂选自氯盐、亚硝酸盐或醇类有机化合物中的一种或几种的混合物。
第二个方面，本发明提供一种上述地质聚合物基泡沫材料的制备方法，包括以下步骤：
混合搅拌：将所述粉煤灰、所述碱激发剂、所述调凝剂、所述发泡剂、所述功能性助剂按照重量份数混合搅拌，并加水搅拌均匀，得到浆料混合物；
注模养护：将所述浆料混合物注模，常温条件养护成型；
脱模：成型后脱模，得到所述地质聚合物基泡沫材料。
进一步地，在所述混合搅拌步骤中，采用搅拌机混合搅拌，混合搅拌的转速为20-100rpm；加水搅拌时间为1-10min；在所述注模养护步骤中，先等待3-5min，再将得到的所述浆料混合物注模；在所述脱模步骤中，所述脱模时间为5-24h。
优选地，在所述混合搅拌步骤中，混合搅拌的转速为50-60rpm；加水搅拌时间为2-3min；在所述脱模步骤中，所述脱模时间为8-10h。
可选地，所述粉煤灰的重量份数为200份，所述粉煤灰为F类灰、C类灰中的一种或两种的混合，且所述F类灰包括一级灰和/或二级灰，所述C类灰包括一级灰和/或二级灰。
进一步地，所述粉煤灰中各组分的化学组成波动范围包括：
其中，在所述粉煤灰中，还包括其它含量较少的化学组成。
进一步地，在所述粉煤灰中，SiO2中的Si元素与Al2O3中的Al元素的质量百分数之比为3.0-4.0:1。
进一步地，在所述粉煤灰中，当SiO2中的Si元素与Al2O3中Al元素的质量百分数之比小于3.0:1时，所述地质聚合物基泡沫材料还包括无定型二氧化硅，所述无定型二氧化硅的添加量使SiO2中的Si元素与Al2O3中的Al元素的质量百分数之比为3.0-4.0:1。在本发明中，当SiO2中的Si元素与Al2O3中的Al元素的质量百分数之比小于3:1时，添加无定型二氧化硅的作用是为了增加SiO2的含量，使SiO2中Si元素的质量百分数提高，从而满足SiO2中的Si元素与Al2O3中的Al元素的质量百分数之比为3.0-4.0:1的要求，也即调节硅铝比为3.0-4.0:1。
进一步地，所述调凝剂为富含钙的材料，所述调凝剂的重量份数为10-50份。
可选地，所述富含钙的材料选自矿渣、水泥熟料、赤泥、水泥中的一种或几种的混合物。
优选地，所述调凝剂是重量份数为30份的水泥或水泥熟料。
优选地，所述水泥的化学组成包括：
进一步地，所述碱激发剂为碱金属硅酸盐溶液、碱金属氢氧化物溶液中的一种或几种混合液，所述碱激发剂的固含量为30％-50％。
优选地，所述碱激发剂是模数为2.2-2.4的水玻璃，所述水玻璃的固含量为35.0-50.0％。
优选地，所述发泡剂为铝粉，所述发泡剂的重量份数为0.3-0.5份。
进一步地，所述功能性助剂选自早强剂、缓凝剂、减水剂、稳泡剂、防冻剂、着色剂中的一种或几种的混合物。
其中，所述早强剂选自氯化钙、硫酸盐类和有机胺中的一种或几种的混合物。所述缓凝剂选自羟基羧酸及其盐类、含糖碳水化合物类、无机盐类、木质素磺酸盐类中的一种或几种的混合物。所述减水剂选自木质素系减水剂、萘系高效减水剂、聚羧酸盐系高效减水剂中的一种或几种的混合物。所述稳泡剂选自硬脂酸盐、聚丙烯酰、多肽类大分子稳泡剂、十二烷基二甲基氧化胺中的一种或几种的混合物。所述防冻剂选自氯盐、亚硝酸盐或醇类有机化合物中的一种或几种的混合物。
与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：
首先，本发明的地质聚合物基泡沫材料及其制备方法具有环保的优点。本发明的原料来源广泛，不需要进行二次加工，尤其是可以大批量使用粉煤灰作为原料，既能提高粉煤灰作为工业废弃物的利用价值，又能降低生产能耗、减少二氧化碳的排放量，对于环保十分有利。
其次，本发明合成地质聚合物基泡沫材料具有高强度、隔热性能好、不易开裂等优异性能。传统的波特兰水泥泡沫材料具有强度低、粘结力差、不耐高温、热稳定性差等一系列缺点，而本发明的泡沫材料以地质聚合物为基础，其独特的三维立体网状结构使得本发明的泡沫材料可具有强度高、不易开裂且隔热性能良好等特点。
尤为重要的，本发明所采用制备方法简便快捷易操作，对工艺条件的要求不苛刻。在发明中，可在碱激发剂的碱性较低情况下，制备地质聚合物基泡沫材料，由于不需要强碱条件的碱激发剂，因此本发明方法更适合常规条件的加工操作；另外，在本发明中，通过室温条件就能固化脱模，实现常温养护，而无需高温养护，故整个工艺所需设备仪器更少、工艺操作更简单快捷。因此本发明能够以更简便的工艺操作、更常规的工艺条件得到一种具有高强度、隔热性能好、不易开裂等优异性能的地质聚合物基泡沫材料。
附图说明
图1是实施例一的地质聚合物基泡沫材料的实物图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明实施例的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
实施例一
本实施例提供一种地质聚合物基泡沫材料及其制备方法，以重量份数计，该地质聚合物基泡沫材料包括以下组分：
其中，粉煤灰的化学组成包括：
在上述粉煤灰中，SiO2中的Si元素的质量百分数与Al2O3中的Al元素的质量百分数之比在3.0-4.0:1的范围内，因此本实施例中无需添加无定型二氧化硅来调节硅铝含量比。上述粉煤灰的化学组成通过ICP全元素分析测定。
其中，碱激发剂为水玻璃，具体是利用氢氧化钠将40份干粉水玻璃调节至模数为2.2，该干粉水玻璃为120目，可通过商业购买获得。
其中，水泥作为调凝剂，可通过商业购买获得，本实施例采用的水泥标号为52.5。
其中，铝粉作为发泡剂，其粒度大于500目。
上述地质聚合物基泡沫材料的制备方法包括以下步骤：
混合搅拌：以重量份数计，将200份粉煤灰、100份碱激发剂、30份水泥、2份铝粉、0.8份硬脂酸盐稳泡剂通过搅拌机以50-60rpm的转速混合搅拌，并加水搅拌3min至搅拌均匀，得到浆料混合物；
注模养护：等待5min后，将浆料混合物注模，常温条件养护成型；
脱模：成型后脱模，脱模时间为10h，得到上述地质聚合物基泡沫材料，如图1所示为本实施例得到的地质聚合物基泡沫材料的实物图。脱模后的地质聚合物基泡沫材料可经自然养护、切割成型后包装销售。
实施例二
本实施例提供一种地质聚合物基泡沫材料及其制备方法，以重量份数计，该地质聚合物基泡沫材料包括以下组分：
其中，粉煤灰为F类灰的一级灰，其经全元素分析所得化学组成包括：
在上述粉煤灰中，SiO2中的Si元素的质量百分数与Al2O3中的Al元素的质量百分数之比小于3.0:1的范围内，因此本实施例的地质聚合物基泡沫材料还包括无定型二氧化硅，其添加量使SiO2中的Si元素与Al2O3中的Al元素的质量百分数之比为3.0-4.0:1。在本发明中，当SiO2中的Si元素与Al2O3中的Al元素的质量百分数之比小于3:1时，添加无定型二氧化硅的作用是为了增加SiO2的含量，使SiO2中Si元素的质量百分数提高，从而满足SiO2中的Si元素与Al2O3中的Al元素的质量百分数之比为3.0-4.0:1的要求，也即硅铝比为3.0-4.0:1。
其中，碱激发剂为水玻璃，具体是利用氢氧化钠将35份干粉水玻璃调节至模数为2.4，该干粉水玻璃为120目，可通过商业购买获得。
其中，水泥作为调凝剂，该水泥的化学组成包括：
其中，铝粉作为发泡剂，其粒度大于500目。
上述地质聚合物基泡沫材料的制备方法包括以下步骤：
混合搅拌：以重量份数计，将180份粉煤灰、100份碱激发剂、40份水泥、1.5份铝粉、0.8份硬脂酸盐稳泡剂、10份无定型二氧化硅通过搅拌机以50-60rpm的转速混合搅拌，并加水搅拌3min至搅拌均匀，得到浆料混合物；
注模养护：等待5min后，将浆料混合物注模，常温条件养护成型；
脱模：成型后脱模，脱模时间为8h，得到上述地质聚合物基泡沫材料。脱模后的地质聚合物基泡沫材料可经自然养护、切割成型后包装销售。
在本发明中，制备地质聚合物基泡沫材料的原理是：由于粉煤灰是富含硅铝的材料，其在水和强亲核试剂的作用下，能够发生Si-O和Al-O共价键的断裂，因此可以认为在水溶液中生成硅酸和氢氧化铝的混合溶胶，溶胶颗粒之间部分脱水缩合生成正铝硅酸，然后正铝硅酸分子进一步脱水缩合形成聚铝硅氧大分子链，即形成地质聚合物。接着，作为发泡剂的铝粉利用地质聚合物的碱性环境，于浆料混合物中产生均匀的气泡，地质聚合物硬化后就成为泡沫材料。
在本发明的制备方法中，通过常温养护、无需高温养护即可实现地质聚合物基泡沫材料的固化成型、脱模，关键在于本发明中采用了富含钙的调凝剂。在地质聚合物的反应原料中，增加钙的含量可以促使凝结的发展，硅酸盐与钙离子快速反应，首先生成有早强作用的硅酸钙，从而加速地质聚合物的聚合，使地质聚合物具有快硬早强的特点，在常温条件下即可达到养护效果。
此外，本发明的制备方法只需在低碱条件下，即可实现地质聚合物的生成，关键在于本发明将所采用的粉煤灰中的硅铝比控制在3.0-4.0的范围内。在此范围内时，Ca2+首先与二氧化硅形成水化硅酸盐凝胶，硅的无定型相比例较多，有足够数量的Si4+与Al3+聚合成链以形成地质聚合物结构(即PS、PSS、PSDS三种结构)，所需碱激发剂的含量相对较少，因此可实现在低碱条件下使粉煤灰发生反应。当粉煤灰中的硅铝比控制低于上述范围值时，本发明则通过添加无定型二氧化硅来调节使上述范围值达到3.0-4.0的范围值。
综上，本发明通过对原料组份的选择与配比、制备方法的工艺条件优化，最终在较简便、常规的制备方法下得到一种具有高强度、隔热性能好、不易开裂等优异性能的地质聚合物基泡沫材料。
以上对本发明实施例公开的一种地质聚合物基泡沫材料及其制备方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (13)

1.一种地质聚合物基泡沫材料，其特征在于，以重量份数计，包括以下组分：
2.根据权利要求1所述的地质聚合物基泡沫材料，其特征在于：所述粉煤灰的重量份数为200份，所述粉煤灰为F类灰、C类灰中的一种或两种的混合，且所述F类灰包括一级灰和/或二级灰，所述C类灰包括一级灰和/或二级灰。
3.根据权利要求1所述的地质聚合物基泡沫材料，其特征在于：在所述粉煤灰中，SiO2中的Si元素与Al2O3中的Al元素的质量百分数之比为3.0-4.0:1。
4.根据要求1所述的地质聚合物基泡沫材料，其特征在于：在所述粉煤灰中，当SiO2中的Si元素与Al2O3中的Al元素的质量百分数之比小于3.0:1时，所述地质聚合物基泡沫材料还包括无定型二氧化硅，所述无定型二氧化硅的添加量使SiO2中的Si元素与Al2O3中的Al元素的质量百分数之比为3.0-4.0:1。
5.根据权利要求1所述的地质聚合物基泡沫材料，其特征在于：所述调凝剂为富含钙的材料，所述调凝剂的重量份数为10-50份。
6.根据权利要求5所述的地质聚合物基泡沫材料，其特征在于：所述富含钙的材料选自矿渣、水泥熟料、赤泥、水泥中的一种或几种的混合物。
7.根据权利要求6所述的地质聚合物基泡沫材料，其特征在于：所述调凝剂是水泥或水泥熟料，重量份数为30份。
8.根据权利要求1所述的地质聚合物基泡沫材料，其特征在于：所述碱激发剂为碱金属硅酸盐溶液、碱金属氢氧化物溶液中的一种或几种混合液，所述碱激发剂的固含量为30％-50％。
9.根据权利要求8所述的地质聚合物基泡沫材料，其特征在于：所述碱激发剂是模数为2.2-2.4的水玻璃，所述水玻璃的固含量为35.0-50.0％。
10.根据权利要求1所述的地质聚合物基泡沫材料，其特征在于：所述发泡剂为铝粉，所述发泡剂的重量份数为0.3-0.5份。
11.一种如权利要求1-10任一项所述的地质聚合物基泡沫材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
混合搅拌：将所述粉煤灰、所述碱激发剂、所述调凝剂、所述发泡剂、所述功能性助剂按照重量份数混合搅拌，并加水搅拌均匀，得到浆料混合物；
注模养护：将所述浆料混合物注模，常温条件养护成型；
脱模：成型后脱模，得到所述地质聚合物基泡沫材料。
12.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于：在所述混合搅拌步骤中，采用搅拌机混合搅拌，混合搅拌的转速为20-100rpm；加水搅拌时间为1-10min；在所述注模养护步骤中，先等待3-5min，再将得到的所述浆料混合物注模；在所述脱模步骤中，所述脱模时间为5-24h。
13.根据权利要求12所述的制备方法，其特征在于：在所述混合搅拌步骤中，混合搅拌的转速为50-60rpm；加水搅拌时间为2-3min；在所述脱模步骤中，所述脱模时间为8-10h。
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