CN107383441B - 海藻酸钙/硼酸钙有机-无机杂化耐火海绵体及制备方法 - Google Patents
海藻酸钙/硼酸钙有机-无机杂化耐火海绵体及制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种海藻酸钙/硼酸钙有机‑无机杂化耐火海绵体及制备方法,属于耐火材料制备技术领域。其首先将海藻酸钠和过硼酸盐水溶液混合,然后向其中加入二氧化锰,搅拌均匀后室温下静置发泡完全;最后,将反应料液倒入成型设备并制成所需形状,然后进入凝固浴中定形,至离子交换反应完全、清水洗净、烘干即得海藻酸钙/硼酸钙有机‑无机杂化耐火海绵体。本发明制备得到的海藻酸钙/硼酸钙有机‑无机杂化耐火海绵体限氧指数≥60,其兼具阻燃、隔热、减震、吸音、吸附、保温等功能。特别适用于敬老院、幼儿园、娱乐场合、高层建筑、军事装备、汽车等场合的阻燃隔热装饰材料。
Description
技术领域
本发明涉及耐火材料制备技术领域,具体涉及一种海藻酸钙/硼酸钙有机-无机杂化耐火海绵体及制备方法。
背景技术
21世纪是海洋的世纪,海洋资源的开发和利用得到世界许多国家,特别是发达国家的重视。我国海岸线漫长、海域辽阔,海洋资源丰富,同样重视海洋资源开发。例如,作为海洋植物海带来讲,每年的再生量超过1500万吨。我国海藻资源丰富,年产量达700多万吨,占世界总产量的一半以上。其中,2015年我国海带产量达到132万吨,占世界总产量的90%以上,有着巨大的资源优势。但是目前对海带的利用主要是直接用作食品或提取食品添加剂,吨价为数千元至数万元不等。如何利用海带资源优势转化为高附加值产业优势是我国已于2012年启动的蓝色经济中的重要目标之一。
海藻酸钙材料是一种本体阻燃材料,由于属于环境友好材料而成为研究热点。然而,它是一种多糖材料,遇热发生焦糖化反应,热分解温度仅有150℃,这样低耐热温度在工程材料应用上受到很大限制。因此,研究工作者一直在寻找提高海藻酸钙材料耐热性能的方法,但目前研究进展并不理想,耐温超过200℃仍然存在困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种海藻酸钙/硼酸钙有机-无机杂化耐火海绵体及制备方法,采用绿色发泡技术制备限氧指数(LOI)≥60、最高能耐250℃的阻燃耐热环境友好材料。
本发明的任务之一在于提供一种海藻酸钙/硼酸钙有机-无机杂化耐火海绵体的制备方法,依次包括以下步骤:
a、配制质量百分数为1~20%的海藻酸钠和0.1~10%的过硼酸盐的水溶液;
b、向步骤a所得混合溶液中加入二氧化锰,搅拌均匀后室温下静置发泡10~60min,至发泡完全;
c、将步骤b发泡完全的溶液加入到成型设备并制成所需形状,然后进入凝固浴中定形,至离子交换反应完全、清水洗净、烘干即得海藻酸钙/硼酸钙有机-无机杂化耐火海绵体。
优选的,步骤a中的过硼酸盐选取过硼酸钠或过硼酸钾。
优选的,步骤a中的过硼酸盐选取过硼酸钠。
优选的,所述二氧化锰的加入量为过硼酸盐质量的0.1%~0.3%。
优选的,步骤c中,所述凝固浴工艺为:一级凝固浴为1%浓度的氯化钙溶液,处理时间为0.5~3h;二级凝固浴为4%浓度的氯化钙溶液,处理时间为0.5~5h;三级凝固浴为7%浓度的氯化钙溶液,处理时间为1~8h。
优选的,发泡完全的溶液加入到成型设备中制成块状、板状、球粒状、条状、丝线状或膜状。
本发明的另一任务在于提供一种上述制备方法制备得到的海藻酸钙/硼酸钙有机-无机杂化耐火海绵体,其限氧指数≥60,在190℃~250℃保持热稳定性且不会热分解。
本发明的再一任务在于提供上述海藻酸钙/硼酸钙有机-无机杂化耐火海绵体在阻燃装饰材料中的应用。
本发明所带来的有益技术效果:
以海洋生物资源海藻酸钠为原料,通过催化产气反应发泡,梯度钙离子交换反应,制备了能满足在190℃-250℃保持热稳定性的兼具减震、吸音、吸附、隔热保温性能的阻燃海绵体材料,而且适用于敬老院、幼儿园、娱乐场合、军事装备、汽车等场合的装饰材料等对兼具减震、吸音、吸附、保温性能的阻燃海绵体材料的功能需求。
本发明所带来的有益技术效果:
一、本发明通过原位法制备了海藻酸钙/硼酸钙有机无机杂化海绵体材料。这比在海藻酸钠或者海藻酸钙中直接添加硼酸钙粉体不仅大大简化了工艺,省却了偶联剂、分散剂,避免了污染,而且获得了微观上均相的杂化材料。因为硼酸钙的热分解温度超过900℃,使得海藻酸钙热分解温度由150℃提高到190℃以上,最高可在250℃保持热稳定性。反应式如下:
NaBO3·H2O(aq)→NaBO2(aq)+H2O2(aq)——(1)
NaBO2(aq)+Ca2+(aq)→xCaOyB2O3nH2O(s)——(2)
xCaOyB2O3nH2O(s)→CaO(s)+B2O3(s)+H2O(g)——(3)
H2O2(aq)→H2O(l)+O2(g)——(4)
NS(海藻酸钠凝胶)+Ca2+(aq)→CaNS(s)——(5)
反应(1)产生形成硼酸钙晶体的BO2 -晶座;反应(2)是在海藻酸钙凝胶中原位生成非水溶性硼酸钙晶体xCaOyB2O3nH2O(x=1~5,Y=1~11,n=1~6);反应(3)是硼酸钙晶体热分解吸热反应;反应(4)是常温催化分解产气反应,气体在胶体内原位发泡。反应(5)是海藻酸钠凝胶经过Na+—Ca2+离子交换反应由水溶性变为非水溶性的CaNS(海藻酸钙)从而形成CaNS/xCaOyB2O3nH2O有机无机杂化海绵体材料。
二、过硼酸盐的使用的突出效果是实现了四重目的:
(1)海藻酸钠溶液属于高分子胶体,3%浓度的粘度已经很大,使得制备高浓度非常困难,由于硼酸盐水解呈碱性,能显著降低海藻酸钠溶液的浓度,使得能容易制备超过10%的海藻酸钠溶液,更有利于材料的制备加工,并且减少废水处理、排放量;
(2)过硼酸盐含有双氧键,分子具有良好稳定性,只有在催化条件下才能分解逸出氧气而使海藻酸钠高分子胶体发泡,并且通过控制催化剂的量控制发泡速率,使得孔隙率和孔径大小变为按材料性能需要人为控制。从而避免了直接添加双氧水通过氧化作用使海藻酸钠高分子链断裂,产品机械强力下降的缺陷;碱性条件下发泡,双氧水氧化性弱,也起到保护海藻酸钠高分子链避免氧化降解的作用。
(3)过硼酸盐原位产生气体发泡的同时,原位产生BO2 -,为有机无机杂化材料中的硼酸钙晶体的形成提供了晶座,并且能均匀的分布在海藻酸盐大分子胶体之中,使得材料的均一性好。
(4)发泡后形成多空隙海绵体有利增加弹性,同时节约了价格较贵的海藻酸钠,降低了产品成本。
三、大分子胶体被发泡后,气体随着时间逐渐逸出,泡泡会逐渐消失,所以尽快的将泡泡定形很重要。然而,高浓度的凝固浴离子交换反应很快,会使材料形成硬壳,Ca2向内部渗透迁移受阻,内部Na+—Ca2+离子交换反应则很难为继,材料海绵体不均一,性能均一性受到影响。梯度钙离子交换反应技术,使用浓度由低到高的三级凝固浴,使得离子交换反应从外到内的迁移速率逐渐增大,解决了一级凝固浴存在的上述问题。
四、本发明除获得耐火海藻酸钙阻燃材料的同时获得海绵体,故兼具减震、吸音、吸附、隔热保温等多重功能,应用范围更加广泛。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明:
图1为本发明实施例1所制备的海藻酸钙/硼酸钙有机无机杂化海绵体材料的TG/DTG曲线图;
图2为本发明实施例1制备的海藻酸钙/硼酸钙有机无机杂化耐火海绵体横断面的SEM图片;
图3为本发明实施例1所制备的海藻酸钙/硼酸钙有机无机杂化耐火海绵体的微观形貌SEM图片。
具体实施方式
本发明公开了一种海藻酸钙/硼酸钙有机-无机杂化耐火海绵体及制备方法,为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确,下面结合具体实施例对本发明做详细说明。
本发明所需原料可通过商业渠道购买得到。
实施例1:
(1)配置含有质量百分数为10%的海藻酸钠和5%过硼酸钠的水溶液;
(2)在上述溶液中加入占过硼酸钠质量分数为0.2%的二氧化锰,搅拌均匀后倒入设备中室温下静置发泡30min,至发泡完全;
(3)将发泡完全的反应液倒入成型设备,按应用需要成型为块、板、粒、条、丝线、膜等形状,并进入三级梯度浓度凝固浴中定形泡泡,至离子交换反应完全;清水洗净、烘干为产品。
三级梯度浓度凝固浴及其工艺为:一级凝固浴为1%浓度的氯化钙溶液,处理时间为1.5h;二级凝固浴为4%浓度的氯化钙溶液,处理时间为2h;三级凝固浴为7%浓度的氯化钙溶液,处理时间为4h。
按上述方法制备的海藻酸钙/硼酸钙有机无机杂化海绵体热分解温度为250℃,比普通海藻酸钙样品热分解温度提高了100℃,限氧指数≥60。由于具有海绵体结构,产品兼具减震、吸音、吸附、阻燃、隔热保温性能。
从图1可以明确地看到材料在120℃开始失去结晶水,200℃二次失去结晶水。250℃海藻酸钙才开始分解,比纯海藻酸钙材料的热分解温度150℃提高了100℃,耐热性能大幅度提高,实用性提升显著。
由此可见,本技术获得的耐火样品比普通海藻酸钙样品热分解温度可以提高100℃。结构决定性质,由于本发明材料的微观结构与纯海藻酸钙相比发生的很大的变化,所以耐热性能差异性大,热降解机理也不相同。
图2为实施例1所制备的海藻酸钙/硼酸钙有机无机杂化耐火海绵体横断面的SEM图片。从图片可以看出,材料呈蜂窝状海绵体形貌。
图3为实施例1所制备的海藻酸钙/硼酸钙有机无机杂化耐火海绵体的微观形貌SEM图片。从图片可以看出,海藻酸钙呈层状结构,镶嵌在层状结构中的硼酸钙为纳米或者微米级立方体或长方体晶体。
实施例2:
与实施例1不同之处在于:将10%的海藻酸钠换成1%,5%过硼酸钠换成0.1%。
按上述方法制备的海藻酸钙/硼酸钙有机无机杂化海绵体热分解温度为170℃,比普通海藻酸钙样品热分解温度提高了20℃,限氧指数35.1。
实施例3:
与实施例1不同之处在于:将10%的海藻酸钠换成20%,5%过硼酸钠换成10%。
按上述方法制备的海藻酸钙/硼酸钙有机无机杂化海绵体热分解温度≥250℃,比普通海藻酸钙样品热分解温度提高了100℃,限氧指数≥60。
实施例4:
与实施例1不同之处在于:将占过硼酸钠质量分数为0.2%的二氧化锰换成0.1%。
按上述方法制备的海藻酸钙/硼酸钙有机无机杂化海绵体热分解温度为220℃,比普通海藻酸钙样品热分解温度提高了70℃,限氧指数43.8。
实施例5:
与实施例1不同之处在于:将占过硼酸钠质量分数为0.2%的二氧化锰换成0.3%。
按上述方法制备的海藻酸钙/硼酸钙有机无机杂化海绵体热分解温度为222℃,比普通海藻酸钙样品热分解温度提高了72℃,限氧指数44.5。
实施例6:
与实施例1不同之处在于:将室温下静置发泡30min,换成发泡10min。
按上述方法制备的海藻酸钙/硼酸钙有机无机杂化海绵体热分解温度为237℃,比普通海藻酸钙样品热分解温度提高了87℃,限氧指数51。
实施例7:
与实施例1不同之处在于:将室温下静置发泡30min,换成发泡60min。
按上述方法制备的海藻酸钙/硼酸钙有机无机杂化海绵体热分解温度为240℃,比普通海藻酸钙样品热分解温度提高了90℃,限氧指数52。
实施例8:
与实施例1不同之处在于:将三级梯度浓度凝固浴工艺中的一级凝固浴处理时间1.5h换成0.5h;二级凝固浴处理时间2h换成0.5h;三级凝固浴处理时间4h换成1h。
按上述方法制备的海藻酸钙/硼酸钙有机无机杂化海绵体热分解温度为241℃,比普通海藻酸钙样品热分解温度提高了91℃,限氧指数53。
实施例9:
与实施例1不同之处在于:将三级梯度浓度凝固浴工艺中的一级凝固浴处理时间1.5h换成3h;二级凝固浴处理时间2h换成5h;三级凝固浴处理时间4h换成8h。
按上述方法制备的海藻酸钙/硼酸钙有机无机杂化海绵体热分解温度为246℃,比普通海藻酸钙样品热分解温度提高了96℃,限氧指数55.9。
实施例10:
与实施例1不同之处在于:将5%过碳酸钠的水溶液替换成5%过碳酸钾的水溶液。
按上述方法制备的海藻酸钙/硼酸钙有机无机杂化海绵体热分解温度为243℃,比普通海藻酸钙样品热分解温度提高了93℃,限氧指数≥60。
在上述实施例1-10的指引下,其它组合方式本领域技术人员均可显而易见的实现。
需要说明的是:在本说明书的教导下本领域技术人员所做出的任何等同方式,或明显变型方式均应在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种海藻酸钙/硼酸钙有机-无机杂化耐火海绵体的制备方法,其特征在于,依次包括以下步骤:
a、配制质量百分数为10~20%的海藻酸钠和5~10%的过硼酸盐的水溶液;
b、向步骤a所得混合溶液中加入二氧化锰,搅拌均匀后室温下静置发泡30min,至发泡完全;所述二氧化锰的加入量为过硼酸盐质量的0.2%;
c、将步骤b发泡完全的溶液加入到成型设备并制成所需形状,然后进入凝固浴中定形,至离子交换反应完全、清水洗净、烘干即得海藻酸钙/硼酸钙有机-无机杂化耐火海绵体;
所述凝固浴工艺为:一级凝固浴为1%浓度的氯化钙溶液,处理时间为1.5h;二级凝固浴为4%浓度的氯化钙溶液,处理时间为2h;三级凝固浴为7%浓度的氯化钙溶液,处理时间为4h。
2.根据权利要求1所述的海藻酸钙/硼酸钙有机-无机杂化耐火海绵体的制备方法,其特征在于:步骤a中的过硼酸盐选取过硼酸钠或过硼酸钾。
3.根据权利要求2所述的海藻酸钙/硼酸钙有机-无机杂化耐火海绵体的制备方法,其特征在于:步骤a中的过硼酸盐选取过硼酸钠。
4.根据权利要求1所述的海藻酸钙/硼酸钙有机-无机杂化耐火海绵体的制备方法,其特征在于:发泡完全的溶液加入到成型设备中制成块状、板状、球粒状、条状、丝线状或膜状。
5.根据权利要求1~4任一项所述的制备方法制备得到的海藻酸钙/硼酸钙有机-无机杂化耐火海绵体,其特征在于:其限氧指数≥60,在190℃~250℃保持热稳定性且不会热分解。
6.根据权利要求5所述的海藻酸钙/硼酸钙有机-无机杂化耐火海绵体在阻燃装饰材料中的应用。
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