CN108207604A

CN108207604A - 具有高蓄水能力且可持续供水的轻质泡沫复合材料

Info

Publication number: CN108207604A
Application number: CN201710846606.0A
Authority: CN
Inventors: 吴雪莲; 黄为民; 吴振刚; 邬英; 田建杰
Original assignee: Jian Heng Engineering Co Ltd; Kin Heng Garden Engineering (tianjin) Co Ltd
Current assignee: Jian Heng Engineering Co Ltd; Kin Heng Garden Engineering (tianjin) Co Ltd
Priority date: 2017-09-19
Filing date: 2017-09-19
Publication date: 2018-06-29
Anticipated expiration: 2037-09-19
Also published as: CN108207604B

Abstract

本发明涉及适宜植物生长的建筑或墙体材料，具体是一种具有高蓄水能力且可持续供水的轻质泡沫复合材料。其成分包含聚合物、水凝胶颗粒、纤维素和硬质纤维中的两种或两种以上，材料由各组成成分混合发泡制成；材料发泡形成的孔隙及吸水后溶胀的水凝胶或纤维素形成输水通道；吸水后，材料的整体体积膨胀率小于5%。本发明蓄水能力强、强度高、吸水后外形膨胀小、水分流通性好、适于植物生长。

Description

具有高蓄水能力且可持续供水的轻质泡沫复合材料

技术领域

本发明涉及适宜植物生长的建筑或墙体材料，具体是一种具有高蓄水能力且可持续供水的轻质泡沫复合材料。

背景技术

目前，为提高城市的绿化覆盖率来缓解日趋严重的热岛效应、噪音污染等众多环境恶化因素，设置垂直绿化墙体及绿化屋顶以提高空间绿化率是目前开始流行的方法。墙体绿化技术在实际的工程应用中，需要考虑多方面的因素。首要的是安全性，这在很大程度上取决于墙体绿化装置的强度和重量，过低的强度和过高的重量，都存在严重的安全隐患；其次是装置储存植物生长所需营养物质的能力，例如墙体土壤种植现已有应用，但其突出缺陷是土壤随时间的延长容易流失，另外现有的墙体无土栽培技术又涉及到营养液的储存和供给既要满足植物生长需求，同时又不外溢的要求；再者，还要考虑到墙体的稳固性、防潮性、隔音性、保温性及防火性等因素。

现有的墙体绿化技术无法全面地满足上述工程应用需求。现有技术中的绿化墙面，通常结构都比较复杂，重量相对较大，例如包括安装架、绿化模块、滴灌系统及排水系统等；远不能满足墙体绿化工程的实用性和安全性，尤其涉及较高的办公楼层及居民居住楼层等，因人流密集，使得楼层的安全性也显得格外重要。因此，针对性地改善现有墙体绿化技术，实现安全应用和营养液的高储存能力是最为重要的技术需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种蓄水能力强、强度高、吸水后外形膨胀小、水分流通性好、适于植物生长的具有高蓄水能力且可持续供水的轻质泡沫复合材料。

本发明的具有高蓄水能力且可持续供水的轻质泡沫复合材料，其成分包含聚合物、水凝胶颗粒、纤维素和硬质纤维中的两种或两种以上，材料由各组成成分混合发泡制成；材料发泡形成的孔隙及吸水后溶胀的水凝胶或纤维素形成输水通道；吸水后，材料的整体体积膨胀率小于5%；当材料包含聚合物、水凝胶颗粒和纤维素三种成分时，聚合物的质量百分含量为5% - 90%，水凝胶颗粒的质量百分含量5% - 30%，纤维素的质量百分含量为5%- 90%；当材料包含聚合物和水凝胶颗粒两种成分时，聚合物的质量百分含量为70% - 90%，水凝胶颗粒的质量百分含量为10% - 30%；当材料包含聚合物和纤维素两种成分时，聚合物的质量百分含量为10% - 70%，纤维素的质量百分含量为30% - 90%；当材料包含纤维素和水凝胶颗粒两种成分时，纤维素的质量百分含量为70% - 95%、水凝胶颗粒的质量百分含量为5% - 30%；当材料包含纤维素和硬质纤维两种成分时，纤维素的质量百分含量为90% -99.5%、硬质纤维的质量百分含量为0.5% - 10%。

优选的，材料以聚合物为主体，混合干水凝胶颗粒和纤维素后，经发泡而成；发泡处理后材料为闭孔泡沫，干水凝胶颗粒和纤维素弥散的分布在发泡聚合物中；干水凝胶颗粒吸水后体积膨胀率为100% - 1000%，从而打通闭合孔间的内壁，既形成有效的水流通道，并增强和稳定轻质泡沫复合材料的蓄水能力和缓慢释放水的功能，又有益于植物根系的生长；所述纤维素增强水在泡沫复合材料中的流通能力，促进高吸水膨胀率的干水凝胶吸水膨胀。

优选的，材料以纤维素材料为主体，添加干水凝胶颗粒和聚合物中的一种或两种经发泡而成；所述纤维素在干燥的复合材料中的质量百分含量为30% - 80%；所述材料中还含有硬质纤维成分，所述硬质纤维在干燥的复合材料中的添加量为材料总质量的0.5% -5%；所述干水凝胶颗粒、聚合物及硬质纤维分布在发泡的纤维素材料中。聚合物和硬质纤维在发泡复合材料中起到约束其吸水后体积膨胀的作用；干水凝胶颗粒吸水后膨胀，增强水在泡沫复合材料中的流通性，并可稳定其蓄水和缓慢释放水的功能。

优选的，所述聚合物为聚氨酯泡沫、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯泡沫、聚乳酸泡沫、环氧泡沫、聚苯乙烯泡沫、聚酯泡沫、聚乙烯泡沫、聚丙烯泡沫、聚氯乙烯泡沫、聚对苯二甲酸乙二酯泡沫、聚碳酸酯泡沫、甲基丙烯酸甲酯泡沫、聚醚醚酮和脲醛树脂泡沫及纸泡沫中的一种或多种的组合。

优选的，具有高蓄水能力且可持续供水的轻质泡沫复合材料成分还包含营养土、阻燃剂、防紫外助剂几种成分中的一种或多种；所述营养土的添加量为干燥的复合材料总质量的0.5% - 8%,阻燃剂的添加量为泡沫复合材料总质量的0.5% - 10%, 防紫外助剂的添加量为干燥的复合材料总质量的0.5% - 5%；阻燃剂、防紫外线助剂等成分用来提高材料的阻燃性、防紫外抗老化等能力；所述营养土可以为木炭、泥炭土、草炭土、培养土、腐叶土、马铃薯淀粉等中的一种或多种组合而成。

优选的，具有高蓄水能力且可持续供水的轻质泡沫复合材料在吸水前后的杨氏模量为0.5 MPa – 1.5 GPa。

优选的，高蓄水泡沫复合吸水后材料的弹性系数为0. 5 kPa – 10 kPa。

优选的，具有高蓄水能力且可持续供水的轻质泡沫复合材料的蓄水量为单位复合材料的10% - 90%。

优选的，所述水凝胶颗粒为聚乙烯醇水凝胶、聚丙烯酰胺水凝胶、聚乙烯吡咯烷酮、聚氧化乙烯凝胶、聚磷腈水凝胶、N-异丙基丙烯酰胺水凝胶、聚（丙烯酸）聚（N-异丙基丙烯酰胺）水凝胶中的一种多种组合；干水凝胶颗粒直径为0.05 mm - 1 mm。

优选的，所述硬质纤维为碳纤维、玻璃纤维、金属纤维、玄武岩纤维、矿棉纤维、石棉纤维、针状硅灰石、麻类纤维、木浆纤维、椰壳纤维、动物鬃毛、聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、聚乙烯醇纤维、聚酯纤维、聚酰胺纤维、超高分子量聚乙烯纤维中的一种或多种。

本发明的具有高蓄水能力且可持续供水的轻质泡沫复合材料，用于制造可生长植物的墙体或屋顶。

本发明的优点体现在：

1. 材料轻质且强度可调，吸水膨胀系数小：密度小且强度高的泡沫材料，吸水后体积膨胀率几乎为零，不仅便于运输安装，而且工程应用的安全性高；而高弹性的轻质泡沫材料因为吸水膨胀系数小（低于5%），可以避免目前市面上常见仿土海绵因吸水膨胀系数过大，导致植物根系在干燥-湿润循环下断裂的问题。

2. 在水的作用下，将闭孔泡沫转变成开孔泡沫，并形成贯通的输水通道：所生产的轻质高强泡沫复合材料原来为闭孔，其中弥散地分布有高吸水膨胀率的水凝胶颗粒，水凝胶颗粒吸水后体积显著膨胀，撑开泡沫材料中闭合孔间的内壁，从而在复合材料中形成密集贯通的输水通道并有益于植物根系的生长。

3. 具有高储水能力且可持续供水：由于水凝胶的存在，所提供的泡沫复合材料具有高蓄水能力，而且可保证持续供水，适于室内/外绿化装饰。

4. 可用于已有建筑及新建建筑：所提供的轻质高强泡沫复合材料可用于制作独立的无土绿墙，也可做为已有墙体的挂/贴板。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

实施例1：一种具有高蓄水能力且可持续供水的轻质泡沫复合材料，基体材料为聚氨酯泡沫（成分为二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI）和聚醚两种成分，发泡剂为水），其中含有粒径为0.8 mm的聚丙烯酰胺水凝胶，水凝胶颗粒的质量百分比为20%；其余为基体材料；水凝胶颗粒的吸水膨胀率为500%。复合材料密度为0.2 g/cm3，压缩强度为0.6 MPa；此复合材料的蓄水量为单位体积复合材料的90%，蓄水后材料的弹性模量为30 MPa。

实施例2：一种具有高蓄水能力且可持续供水的轻质泡沫复合材料，其聚合物基体材料为聚乙烯泡沫；其中含有粒径为0.2 mm且质量百分比为10%的聚乙烯醇水凝胶颗粒，水凝胶颗粒的吸水膨胀率为300%；其中还含质量百分比为15%的泥炭土；其余为基体材料；复合材料密度为0.4 g/cm³, 压缩强度为0.5 MPa；此复合材料的蓄水量为单位体积复合材料的75%，蓄水后材料的杨氏模量为1.1 GPa。

实施例3：一种具有高蓄水能力且可持续供水的轻质泡沫复合材料，聚合物基体材料为环氧泡沫，其中含有50%的纤维素，其余为基体材料；复合材料密度为0.7 g/cm³，压缩强度为1.2 MPa；此复合材料的蓄水量为单位体积复合材料的70%，蓄水后材料的杨氏模量为800 MPa。

实施例4：一种具有高蓄水能力且可持续供水的轻质泡沫复合材料，聚合物基体材料为聚氨酯泡沫（成分为二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI）和聚醚两种成分，发泡剂为水），其中含有30%的纤维素；其余为基体材料；复合材料密度为0.55 g/cm³，压缩强度为0.6 MPa；此复合材料的蓄水量为单位体积复合材料的60%，蓄水后材料的杨氏模量为300 MPa。

实施例5：一种具有高蓄水能力且可持续供水的轻质泡沫复合材料，其聚合物基体材料为苯乙烯泡沫，其中含有10%的纤维素和10%的草炭土；其余为基体材料；复合材料密度为0.8 g/cm³，压缩强度为1 MPa；此复合材料的蓄水量为单位体积复合材料的15%，蓄水后材料的弹性模量为1 GPa。

实施例6：一种具有高蓄水能力且可持续供水的轻质泡沫复合材料，其基体材料为聚氨酯泡沫，其中含有粒径为0.6 mm且质量百分比为5%的聚氧化乙烯水凝胶颗粒、其中还含有质量百分比为20%的纤维素；其余为基体材料；复合材料密度为0.3 g/cm³，压缩强度为0.3 MPa；此复合材料的蓄水量为单位体积复合材料的50%，蓄水后材料的弹性模量为60MPa。

实施例7：一种具有高蓄水能力且可持续供水的轻质泡沫复合材料，其基体材料为聚氨酯泡沫，其中含有粒径为0.4 mm且质量百分比为2%的聚氧化乙烯水凝胶颗粒，其中还含有质量百分比为10%的纤维素，并且还含有质量百分比为5%的培养土；其余为基体材料；复合材料密度为0.5 g/cm³，压缩强度为0.4 MPa；此复合材料的蓄水量为单位体积复合材料的30%，蓄水后材料的弹性模量为100 MPa。

实施例8：一种具有高蓄水能力且可持续供水的轻质泡沫复合材料，其基本成分为纤维素，内置质量百分含量为2%的碳纤维材料作为骨架对纤维素形成整体支撑；还含有质量百分含量为3%的阻燃剂成分，其余为基体材料；其密度为0.3 g/cm³；此材料的蓄水量为单位体积材料的45%，蓄水后材料的弹性模量为3 kPa。

实施例9：一种具有高蓄水能力且可持续供水的轻质泡沫复合材料，其基体材料为木浆纤维素材料，内置质量百分含量为3.5%的碳纤维材料作为骨架对纤维素形成整体支撑；其密度为0.75 g/cm³；此材料的蓄水量为单位体积复合材料的38%，蓄水后材料的弹性模量为3.5 kPa，且蓄水后材料的体积膨胀率不超过3%。

实施例10：一种具有高蓄水能力且可持续供水的轻质泡沫复合材料，其基体材料为木浆纤维素材料，内置质量百分含量为1.5%的玻璃纤维材料作为骨架对纤维素形成整体支撑；其密度为0.9 g/cm³；此材料的蓄水量为单位体积复合材料的40%，蓄水后材料的弹性模量为3.8 kPa，且蓄水后材料的体积膨胀率不超过4%。

Claims

1.一种具有高蓄水能力且可持续供水的轻质泡沫复合材料，其特征是：其成分包含聚合物、水凝胶颗粒、纤维素和硬质纤维中的两种或两种以上，材料由各组成成分混合发泡制成；材料发泡形成的孔隙及吸水后溶胀的水凝胶或纤维素形成输水通道；吸水后，材料的整体体积膨胀率小于5%；当材料包含聚合物、水凝胶颗粒和纤维素三种成分时，聚合物的质量百分含量为5% - 90%，水凝胶颗粒的质量百分含量5% - 30%，纤维素的质量百分含量为5%- 90%；当材料包含聚合物和水凝胶颗粒两种成分时，聚合物的质量百分含量为70% - 90%，水凝胶颗粒的质量百分含量为10% - 30%；当材料包含聚合物和纤维素两种成分时，聚合物的质量百分含量为10% - 70%，纤维素的质量百分含量为30% - 90%；当材料包含纤维素和水凝胶颗粒两种成分时，纤维素的质量百分含量为70% - 95%、水凝胶颗粒的质量百分含量为5% - 30%；当材料包含纤维素和硬质纤维两种成分时，纤维素的质量百分含量为90% -99.5%、硬质纤维的质量百分含量为0.5% - 10%。

2.根据权利要求1所述的具有高蓄水能力且可持续供水的轻质泡沫复合材料，其特征是：该材料以聚合物为主体，混合干水凝胶颗粒和纤维素后，经发泡而成；发泡处理后材料为闭孔泡沫，干水凝胶颗粒和纤维素弥散的分布在发泡聚合物中；干水凝胶颗粒吸水后体积膨胀率为100% - 1000%。

3.根据权利要求1所述的具有高蓄水能力且可持续供水的轻质泡沫复合材料，其特征是：该材料以纤维素材料为主体，添加干水凝胶颗粒和聚合物中的一种或两种经发泡而成；所述纤维素在干燥的复合材料中的质量百分含量为30% - 80%；所述材料中还含有硬质纤维成分，所述硬质纤维在干燥的复合材料中的添加量为材料总质量的0.5% - 5%；所述干水凝胶颗粒、聚合物及硬质纤维分布在发泡的纤维素材料中。

4.根据权利要求1-3之一所述的具有高蓄水能力且可持续供水的轻质泡沫复合材料，其特征是：所述聚合物为聚氨酯泡沫、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯泡沫、聚乳酸泡沫、环氧泡沫、聚苯乙烯泡沫、聚酯泡沫、聚乙烯泡沫、聚丙烯泡沫、聚氯乙烯泡沫、聚对苯二甲酸乙二酯泡沫、聚碳酸酯泡沫、甲基丙烯酸甲酯泡沫、聚醚醚酮和脲醛树脂泡沫及纸泡沫中的一种或多种的组合。

5.根据权利要求1-3之一所述的具有高蓄水能力且可持续供水的轻质泡沫复合材料，其特征是：高蓄水泡沫复合材料成分还包含营养土、阻燃剂、防紫外助剂几种成分中的一种或多种；所述营养土的添加量为干燥的复合材料总质量的0.5% - 8%,阻燃剂的添加量为泡沫复合材料总质量的0.5% - 10%, 防紫外助剂的添加量为干燥的复合材料总质量的0.5%- 5%；所述营养土可以为木炭、泥炭土、草炭土、培养土、腐叶土、马铃薯淀粉等中的一种或多种组合而成。

6.根据权利要求1-3之一所述的具有高蓄水能力且可持续供水的轻质泡沫复合材料，其特征是：所述水凝胶颗粒为聚乙烯醇水凝胶、聚丙烯酰胺水凝胶、聚乙烯吡咯烷酮、聚氧化乙烯凝胶、聚磷腈水凝胶、N-异丙基丙烯酰胺水凝胶、聚（丙烯酸）聚（N-异丙基丙烯酰胺）水凝胶中的一种多种组合；干水凝胶颗粒直径为0.05 mm - 1 mm。

7.根据权利要求1-3之一所述的具有高蓄水能力且可持续供水的轻质泡沫复合材料，其特征是：高蓄水泡沫复合材料的蓄水量为单位高蓄水泡沫复合材料的10% - 90%。

8.根据权利要求2所述的具有高蓄水能力且可持续供水的轻质泡沫复合材料，其特征是：高蓄水泡沫复合材料在吸水前后的杨氏模量为0.5 MPa – 1.5 GPa。

9.根据权利要求3所述的具有高蓄水能力且可持续供水的轻质泡沫复合材料，其特征是：高蓄水泡沫复合吸水后材料的弹性系数为0. 5 kPa – 10 kPa。

10.根据权利要求3所述的具有高蓄水能力且可持续供水的轻质泡沫复合材料，其特征是：所述硬质纤维为碳纤维、玻璃纤维、金属纤维、玄武岩纤维、矿棉纤维、石棉纤维、针状硅灰石、麻类纤维、木浆纤维、椰壳纤维、动物鬃毛、聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、聚乙烯醇纤维、聚酯纤维、聚酰胺纤维、超高分子量聚乙烯纤维中的一种或多种。

11.一种权利要求1至3之一的具有高蓄水能力且可持续供水的轻质泡沫复合材料在制造可生长植物的墙体或屋顶中的应用。