CN107721451A - 保温材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种保温材料及其制备方法。该保温材料包括水泥基砌块骨架和石墨烯改性聚苯乙烯，所述水泥基砌块骨架具有多个空腔，所述石墨烯改性聚苯乙烯填充在所述多个空腔中；所述石墨烯改性聚苯乙烯是通过重量配比为1:1～5的石墨烯和聚苯乙烯树脂在烷烃发泡剂的存在下熔融挤出至所述多个空腔而形成的。本发明的保温材料的强度和保温性能得到进一步提高。

Description

保温材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种保温材料及其制备方法，尤其是一种填充式自保温砌块及其制备方法。
背景技术
面对能源日益紧缺，建筑节能逐渐受到社会的关注和重视，结构节能一体化成为建材发展和应用的重要方向。现有的保温体系存在裂缝、脱落、施工工艺复杂、不易粘结合外墙等各种问题。自保温砌块是一种集承重和保温于一体的新型墙体材料，兼具结构材料和保温材料的特点，具有导热系数低、保温、质轻、强度高、防火等优点。提高自保温砌块的热工性能的主要措施包括优化砌块材料成分和砌块孔结构，做含有不同空腔结构的砌块，在空腔结构中填充保温材料，采用组合结构复合保温材料。
一方面，保温材料在强度和保温性能等方面仍然需要进一步的提高。另一方面，目前改进保温材料热工性能的主要措施仍然较为复杂，较难实现工业化生产。
石墨烯是一种纯碳原子组成的超薄纳米材料，具有超大的比表面积，其层状结构赋予其具有优越的反射红外线性能、卓越的力学性能和机械性能。利用石墨烯的特殊性能，可以改善保温材料性能。例如，CN106280264A公开了一种具有优异力学性能的外墙板保温材料，包括：可发性聚苯乙烯30～60重量份，聚氨酯改性环氧树脂25～35重量份，有机硅改性酚醛树脂35～45重量份，改性石墨粉8～12重量份，双三丁基酚聚氧乙烯醚1.5～2.5重量份，环氧大豆油3～4重量份，云母粉4～8重量份，石墨烯纳米片8～12重量份，硅酸钙6～10重量份，氧化铝2～4重量份，硅酸钠3～5重量份，氧化镁2～3重量份，煅烧陶土4～12重量份，磷酸1.5～2.5重量份，对甲磺酸1.5～2.5重量份，物理发泡剂2～3重量份，水35～55重量份。但是上述材料将有机材料和无机材料完全混合在一起，无法将石墨烯的作用充分发挥，从而使得该材料的阻燃性能较差、力学强度也不高。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种保温材料，其具有较低的导热系数和较高的抗压强度。
本发明的另一个目的在于提供一种保温材料的制备方法，其利于工业规模化生产，并能够获得具有较低的导热系数和较高的抗压强度的保温材料。
本发明提供一种保温材料，其包括水泥基砌块骨架和石墨烯改性聚苯乙烯，所述水泥基砌块骨架具有多个空腔，所述石墨烯改性聚苯乙烯填充在所述多个空腔中；所述石墨烯改性聚苯乙烯是通过重量配比为1:1～5的石墨烯和聚苯乙烯树脂在烷烃发泡剂的存在下熔融挤出至所述多个空腔而形成的。
根据本发明的保温材料，优选地，所述石墨烯改性聚苯乙烯与所述水泥基砌块骨架的重量配比为1:5～10。
根据本发明的保温材料，优选地，所述石墨烯的纯度不小于98％，宽度小于等于15μm，厚度为1～3nm。
根据本发明的保温材料，优选地，所述水泥基砌块骨架采用包括如下组分的原料制得：
水泥50～100重量份，
粉煤灰30～60重量份，
水50～100重量份，
水泥发泡剂3～8重量份，
稳泡剂1～5重量份，
早强剂0.3～2重量份，和
减水剂0.5～3重量份。
根据本发明的保温材料，优选地，所述水泥选自硫氧镁水泥、氯氧镁水泥、硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥、磷酸盐水泥中的一种或多种；所述水泥发泡剂选自双氧水、碳酸氢钠、碳酸铵、偶氮甲酰胺或偶氮二异丁腈中的一种或多种；所述稳泡剂选自硅酮酰胺、十二烷基二甲基氧化胺、烷基醇酰胺、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、纤维素、蛋白质中的一种或多种；所述早强剂选自氯化钙、氯化钾、硫酸钠、硫代硫酸钙、三乙醇胺或三异丙醇胺中的一种或多种；所述减水剂选自木质素磺酸镁、木质素磺酸钠、三聚氰胺甲醛树脂、含萘减水剂中的一种或多种。
根据本发明的保温材料，优选地，所述水泥为硫氧镁水泥；所述水泥发泡剂为双氧水；所述稳泡剂选自硅酮酰胺、十二烷基二甲基氧化胺、烷基醇酰胺、聚丙烯酰胺或聚乙烯醇；所述早强剂为三乙醇胺；且所述减水剂为木质素磺酸镁或木质素磺酸钠。
根据本发明的保温材料，优选地，所述保温材料的容重400～700kg/m3，抗压强度为4～9MPa，导热系数为0.035～0.045W/m·K，体积吸水率≤10％，防火级别为A1级。
本发明还提供上述保温材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将水泥、粉煤灰、水泥发泡剂、稳泡剂、早强剂、减水剂和水混合均匀得到料浆，将所述料浆浇筑至模具中成型、静置发泡、脱模和养护，从而形成具有多个空腔的水泥基砌块骨架；
(2)将聚苯乙烯树脂和石墨烯经过熔融共混，然后加入烷烃发泡剂，挤出注入至水泥基砌块骨架的多个空腔，加压成型。
根据本发明的制备方法，优选地，在步骤(1)中，所述静置发泡的时间为10～30h，所述养护的时间为7～28天。
根据本发明的制备方法，优选地，在步骤(2)中，所述的熔融共混采用双螺杆挤出机进行，熔融共混温度为120～150℃。
本发明将石墨烯与聚苯乙烯树脂熔融共混发泡，从而使得石墨烯均匀分散于聚苯乙烯颗粒中。石墨烯作为有效成核剂，促进泡孔成核，有效控制聚苯乙烯的泡孔稳定性。石墨烯对红外线的镜面反射作用降低了聚苯乙烯发泡颗粒的导热系数，而且石墨烯有效增强了聚苯乙烯发泡颗粒的强度。石墨烯改性聚苯乙烯直接注入到具有空腔的水泥基砌块中，有效提高了水泥砌块的保温性并保证水泥砌快具有较高强度。
附图说明
图1、本发明的一种保温材料的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
本发明的保温材料具有一定的强度，可以为填充式自保温砌块等。本发明的保温材料包括骨架和填充物，填充物中包括石墨烯。本发明的石墨烯可以采用常规方法获得。例如，将可膨胀鳞片石墨经Hummers法获得石墨烯。本发明的石墨烯不限于Hummers法石墨烯，还可以是化学气相沉积、SiC外延生长、电化学、机械剥离等方法获得的石墨烯。
<保温材料>
本发明的保温材料包括水泥基砌块骨架和石墨烯改性聚苯乙烯。水泥基砌块骨架具有多个空腔，所述石墨烯改性聚苯乙烯填充在所述多个空腔中。空腔的数量并没有特别限制，根据具体的保温要求而定。空腔的形状也没有特别限制，例如为长方体形、圆柱形等。至少一部分空腔中填充有述石墨烯改性聚苯乙烯，优选为全部空腔中填充有石墨烯改性聚苯乙烯。本发明的石墨烯改性聚苯乙烯是通过重量配比为1:1～5的石墨烯和聚苯乙烯树脂在烷烃发泡剂的存在下熔融挤出至所述多个空腔而形成的。这样石墨烯改性聚苯乙烯在所述多个空腔内原位发泡，从而将空腔至少部分填充，优选为将空腔填充满。烷烃发泡剂可以为C3～C8的烷烃，优选为戊烷发泡剂。例如，可以采用正戊烷和异戊烷组成的戊烷发泡剂。聚苯乙烯树脂可以为阻燃型聚苯乙烯，纯度≥97％。
在本发明中，优选地，石墨烯和聚苯乙烯树脂的重量配比优选为1:2～3。将二者配比控制在上述范围，可以使得石墨烯的作用充分发挥。石墨烯颗粒作为成核剂，可以促进聚苯乙烯树脂泡孔成核，有效控制泡孔稳定性，从而改善保温材料的抗压强度。石墨烯具有层状结构，可以有效降低保温材料的导热系数，起到良好的保温效果。
在本发明中，所述石墨烯改性聚苯乙烯与所述水泥基砌块骨架的重量配比可以为1:5～10，优选为1:6～9。这样可以兼顾保温材料的保温性能和力学性能。
在本发明中，石墨烯的纯度可以不小于98％，宽度可以小于等于15μm，厚度可以为1～3nm。根据本发明的一个实施方式，本发明的石墨烯的纯度为99％以上，宽度为3～8μm，厚度为2nm。这样的石墨烯更加有利于改善保温材料的强度和保温性能。
在本发明中，所述水泥基砌块骨架采用包括如下组分的原料制得：
水泥50～100重量份，优选为60～80重量份；
粉煤灰30～60重量份，优选为30～35重量份；
水50～100重量份，优选为60～80重量份；
水泥发泡剂3～8重量份，优选为3～5重量份；
稳泡剂1～5重量份，优选为1.5～3重量份；
早强剂0.3～2重量份，优选为0.8～2重量份；和
减水剂0.5～3重量份，优选为0.6～1重量份。
本发明将形成水泥基砌块骨架的原料中的各个组分控制在上述范围，可以进一步改善基体的强度，并改善保温性能。
根据本发明的一个具体实施方式，本发明的水泥基砌块骨架采用包括如下组分的原料制得：水泥60重量份，粉煤灰30重量份，水泥发泡剂3重量份，稳泡剂1.6重量份，早强剂0.8重量份，和减水剂0.6重量份。
在本发明中，所述水泥选自硫氧镁水泥、氯氧镁水泥、硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥、磷酸盐水泥中的一种或多种。作为优选，本发明的水泥选自硫氧镁水泥或铝酸盐水泥。本申请发现，将硫氧镁水泥等和石墨烯配合使用，可以显著改善保温材料的综合性能。
在本发明中，水泥发泡剂可以选自双氧水、碳酸氢钠、碳酸铵、偶氮甲酰胺或偶氮二异丁腈中的一种或多种；优选为双氧水。本发明的稳泡剂可以选自硅酮酰胺、十二烷基二甲基氧化胺、烷基醇酰胺、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、纤维素、蛋白质中的一种或多种。本发明的蛋白质可以为动物蛋白或植物蛋白。本发明的稳泡剂优选自硅酮酰胺、十二烷基二甲基氧化胺、聚乙烯醇；更优选为硅酮酰胺。本发明的早强剂可以选自氯化钙、氯化钾、硫酸钠、硫代硫酸钙、三乙醇胺或三异丙醇胺中的一种或多种；优选为三乙醇胺。本发明的减水剂可以选自木质素磺酸镁、木质素磺酸钠、三聚氰胺甲醛树脂、含萘减水剂中的一种或多种；优选为木质素磺酸镁、木质素磺酸钠。采用上述组分，有利于改善保温材料的强度和保温性能。
根据本发明的一个具体实施方式，所述水泥为硫氧镁水泥；所述水泥发泡剂为双氧水；所述稳泡剂选自硅酮酰胺、十二烷基二甲基氧化胺、烷基醇酰胺、聚丙烯酰胺或聚乙烯醇；所述早强剂为三乙醇胺；且所述减水剂为木质素磺酸镁或木质素磺酸钠。采用上述原料，可以使得保温材料的综合性能更好。
根据本发明的一个具体实施方式，本发明的水泥基砌块骨架采用包括如下组分的原料制得：硫氧镁水泥60重量份，粉煤灰30重量份，水50重量份，双氧水3重量份，硅酮酰胺1.6重量份，三乙醇胺0.8重量份，和木质素磺酸钠0.6重量份。
在本发明中，所述水泥基砌块骨架可以不含有高分子树脂，例如聚苯乙烯类树脂、聚氨酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂等。尽管这些高分子树脂常用于保温材料，但是其会影响保温材料的强度提高。
本发明的保温材料的容重400～700kg/m3，抗压强度为4～9MPa，导热系数为0.035～0.045W/m·K，体积吸水率≤10％，防火级别为A1级。优选地，本发明的保温材料的容重600～700kg/m3，抗压强度为7～9MPa，导热系数为0.035～0.040W/m·K，体积吸水率≤9％，防火级别为A1级。容重具有本领域熟知的含义，这里不再赘述。
<制备方法>
本发明的保温材料的制备方法包括水泥基砌块骨架形成步骤和填充成型步骤。
本发明的水泥基砌块骨架形成步骤为：将水泥、粉煤灰、水泥发泡剂、稳泡剂、早强剂、减水剂和水混合均匀得到料浆，将所述料浆浇筑至模具中成型、静置发泡、脱模和养护，从而形成具有多个空腔的水泥基砌块骨架。上述原料的种类和用量如前所述，这里不再赘述。混合的方式并没有特别限定。例如，将这些原料在高速搅拌机中进行搅拌，从而形成料浆。模具根据实际需要而定，但需要能够形成多个空腔。静置发泡的时间可以控制在10～30h，优选为12～20h。养护的时间可以控制在7～28天，优选为10～15天。这样的条件控制可以改善水泥基砌块骨架的强度。
本发明的填充成型步骤为：将聚苯乙烯树脂和石墨烯经过熔融共混，然后加入烷烃发泡剂，挤出注入至水泥基砌块骨架的多个空腔，加压成型。本申请发现，烷烃发泡剂特别适合于改善保温性能和强度。根据本发明的一个实施方式，熔融共混采用双螺杆挤出机进行，熔融共混温度为120～150℃，优选为130～135℃。这样的条件有利于石墨烯均匀分散在聚苯乙烯树脂中，从而提高强度和保温性能。
以下实施例和对比例中的“重量份”表示重量份，除非特别声明。
以下实施例中的石墨烯的纯度不小于98％、宽度小于等于15μm、厚度1～3nm，水泥为镁氧硫水泥，水泥发泡剂为双氧水，稳泡剂为硅酮酰胺，早强剂为三乙醇胺，减水剂为木质素磺酸钠，烷烃发泡剂为戊烷发泡剂。
以下实施例和对比例中的成品采用如下方法进行测试：
砌块容重采用GB/T 29060-2012附录A测定；抗压强度采用GB/T 4111-2013进行测定；导热系数采用GB/T 13475-2008进行测定；体积吸水率采用JC/T 641-2008进行测定；燃烧性能采用GB/T 8624-2012进行测定。
实施例1
(1)将水泥60重量份和粉煤灰30重量份用高速搅拌机搅拌混合，加入水泥发泡剂3重量份、稳泡剂1.6重量份、早强剂0.8重量份、减水剂0.6重量份和水50重量份形成的混合溶液，高速搅拌得到料浆，浇筑入各种形状砌块成型模具中静置发泡12h、脱模、养护10天，得到具有空腔的水泥基砌块骨架。养护期间须保持产品表面潮湿，确保产品达到最终强度。
(2)将聚苯乙烯树脂10重量份和石墨烯5重量份经过双螺杆挤出机在135℃熔融共混，加入烷烃发泡剂，高压挤出注入水泥基砌块骨架的空腔中，加压成型，室温冷却，得到保温材料(填充式自保温砌块)，参见图1。
该保温材料砌块的容重为600kg/m3，抗压强度为7MPa，导热系数为0.040W/m·k，体积吸水率8.9％，防火级别为A1级。
本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员可以想到的任何变形、改进、替换均落入本发明的范围。

Claims (10)

1.一种保温材料，其特征在于，其包括水泥基砌块骨架和石墨烯改性聚苯乙烯，所述水泥基砌块骨架具有多个空腔，所述石墨烯改性聚苯乙烯填充在所述多个空腔中；所述石墨烯改性聚苯乙烯是通过重量配比为1:1～5的石墨烯和聚苯乙烯树脂在烷烃发泡剂的存在下熔融挤出至所述多个空腔而形成的。
2.根据权利要求1所述的保温材料，其特征在于，所述石墨烯改性聚苯乙烯与所述水泥基砌块骨架的重量配比为1:5～10。
3.根据权利要求1所述的保温材料，其特征在于，所述石墨烯的纯度不小于98％，宽度小于等于15μm，厚度为1～3nm。
4.根据权利要求1所述的保温材料，其特征在于，所述水泥基砌块骨架采用包括如下组分的原料制得：
水泥50～100重量份，
粉煤灰30～60重量份，
水50～100重量份，
水泥发泡剂3～8重量份，
稳泡剂1～5重量份，
早强剂0.3～2重量份，和
减水剂0.5～3重量份。
5.根据权利要求4所述的保温材料，其特征在于：
所述水泥选自硫氧镁水泥、氯氧镁水泥、硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥、磷酸盐水泥中的一种或多种；
所述水泥发泡剂选自双氧水、碳酸氢钠、碳酸铵、偶氮甲酰胺或偶氮二异丁腈中的一种或多种；
所述稳泡剂选自硅酮酰胺、十二烷基二甲基氧化胺、烷基醇酰胺、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、纤维素、蛋白质中的一种或多种；
所述早强剂选自氯化钙、氯化钾、硫酸钠、硫代硫酸钙、三乙醇胺或三异丙醇胺中的一种或多种；和
所述减水剂选自木质素磺酸镁、木质素磺酸钠、三聚氰胺甲醛树脂、含萘减水剂中的一种或多种。
6.根据权利要求4所述的保温材料，其特征在于，所述水泥为硫氧镁水泥；所述水泥发泡剂为双氧水；所述稳泡剂选自硅酮酰胺、十二烷基二甲基氧化胺、烷基醇酰胺、聚丙烯酰胺或聚乙烯醇；所述早强剂为三乙醇胺；且所述减水剂为木质素磺酸镁或木质素磺酸钠。
7.根据权利要求1～6任一项所述的保温材料，其特征在于，所述保温材料的容重400～700kg/m3，抗压强度为4～9MPa，导热系数为0.035～0.045W/m·K，体积吸水率≤10％，防火级别为A1级。
8.根据权利要求4～6任一项所述的保温材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将水泥、粉煤灰、水泥发泡剂、稳泡剂、早强剂、减水剂和水混合均匀得到料浆，将所述料浆浇筑至模具中成型、静置发泡、脱模和养护，从而形成具有多个空腔的水泥基砌块骨架；
(2)将聚苯乙烯树脂和石墨烯经过熔融共混，然后加入烷烃发泡剂，挤出注入至水泥基砌块骨架的多个空腔，加压成型。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述静置发泡的时间为10～30h，所述养护的时间为7～28天。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述的熔融共混采用双螺杆挤出机进行，熔融共混温度为120～150℃。
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