CN109320161B - 一种发泡水泥保温材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发泡水泥保温材料及其制备方法，发泡水泥保温材料所用的发泡剂由交联羧甲基纤维素接枝丙烯酰胺、甲基纤维素醚、偏高领土、钙基膨润土组成。本发明的保温材料不需要特殊设备进行急速机械搅拌，制备工艺简单，成本低；所使用的发泡剂自身稳定性好，只在遇到碱性物质的情况下才会发生反应，易于储存和运输，在使用过程中通过体积收缩形成闭合气泡，不会产生任何危险气体，也不需要使用稳泡剂，发泡工艺简单，使用方便。本发明保温材料气泡产生温和、均匀，所得发泡材料气孔尺寸均匀，连通气孔率较低，保温性能好。

Description

一种发泡水泥保温材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种发泡保温材料，具体涉及一种发泡水泥保温材料及其制备方法，属于建筑保温材料技术领域。

背景技术

随着我国建设资源节约型社会的要求的提出和国家节能降耗政策的相继出台，节能型建筑材料势成为新型建材的主要发展方向之一。传统的保温材料主要为有机保温材料，但有机保温材料存在易开裂、耐久性差、易燃且燃烧生成有毒气体等缺点，不适于推广应用。发泡水泥为无机保温材料，具有质量轻、导热系数低、保温性能好、隔音降噪、耐久性好和无毒无害等优点。因此，发泡水泥保温材料成为建筑保温材料领域的研究热点。

现有的发泡水泥保温材料的制备主要是通过在水泥浆体中引入发泡剂、并配合使用特定的搅拌工艺和稳泡剂等外加剂实现的。按照形成气孔方式的差异，发泡剂又包括物理发泡剂和化学发泡剂。物理发泡剂主要为具有两亲结构的蛋白质，其在水泥浆体中表现出较强的界面活性，蛋白质溶胶受到急速机械搅拌时，会有大量气体混入，形成相当量水-空气界面，溶液中蛋白分子吸附到这些界面上来，降低界面张力，促进界面形成；同时由于蛋白质部分肽链在界面上伸展开来，并通过肽链间（包括分子内和分子间）相互作用，形成一个二维保护网络，使界面膜得以加强，这样就能够促进泡沫的形成，并且泡沫形成以后能保持一定的时间，并具有一定的抗破坏能力。化学发泡剂是指可以与水泥浆料中的物质发生化学反应，并产生气体的物质，现今应用最广泛、工艺最成熟的化学发泡剂是铝粉，其次是双氧水。铝粉的作用机理为：2Al + 2NaOH + 2H₂O = 2NaAlO₂ + 3H₂，双氧水的作用机理为：2H₂O₂ = 2H₂O + O₂。现有的发泡水泥保温材料中发泡剂均具有一定的缺点，物理发泡剂的缺点为：需要特殊设备进行急速机械搅拌、需要使用稳泡剂、成本较高。化学发泡剂的缺点为：铝粉在反应过程中生成易爆气体氢气，造成了一定的安全隐患；双氧水为强氧化性危险化学药品，其储存和使用条件较为复杂；需要使用稳泡剂。这些缺点严重制约了发泡水泥保温材料的推广应用。

发明内容

为了解决上述发泡水泥保温材料存在的问题，本发明提供了一种发泡水泥保温材料，该保温材料所采用的发泡剂稳定性较好，易于储存和使用，无安全隐患，使用方便，该保温材料的气孔尺寸均匀性较好、连通气孔率较低、保温性能较好。

本发明还提供了上述发泡水泥保温材料的制备方法，该保温材料制备简单，不需要特殊设备进行急速机械搅拌、无需使用稳泡剂，便于工业化推广应用。

本发明具体技术方案如下：

本发明提供了一种发泡剂，该发泡剂由以下重量份的组分组成：交联羧甲基纤维素接枝丙烯酰胺10~15份、甲基纤维素醚1~5份、偏高领土55~75份、钙基膨润土10~30份。

进一步的，该发泡剂优选由以下重量份的组分组成：交联羧甲基纤维素接枝丙烯酰胺12份、甲基纤维素醚3份、偏高领土61份、钙基膨润土24份。

进一步的，该发泡剂具有核壳结构，以交联羧甲基纤维素接枝丙烯酰胺和甲基纤维素醚的混合物制成的球形颗粒为核，以偏高领土和钙基膨润土的混合物为外壳，所述外壳均匀包裹在球形颗粒表面。球形颗粒的尺寸对发泡材料气泡的尺寸有重要影响影响，球形颗粒的尺寸优选为0.8~5.0mm，更优选为3.6mm。外壳的厚度对球形颗粒的体积稳定性和发泡材料孔的球形度有影响，外壳的厚度优选为0.2~0.6mm，更优选为0.5mm。

本发明还公开了上述发泡剂的制备方法，该方法包括以下步骤：

（1）将交联羧甲基纤维素接枝丙烯酰胺和甲基纤维素醚混合均匀，然后将该混合物料与水混合，吸水膨胀后制粒，得球形颗粒；

（2）将偏高领土和钙基膨润土混合均匀，所得混合物与步骤（1）的球形颗粒均匀混合，使偏高领土和钙基膨润土的混合物均匀包裹在球形颗粒表面，形成核壳结构的球形颗粒；

（3）将上述核壳结构的球形颗粒干燥，使其外壳硬化，得发泡剂。

进一步的，步骤（1）中，水的用量为交联羧甲基纤维素接枝丙烯酰胺和甲基纤维素醚总质量的90~100倍，以便这两者能够充分吸水膨胀并能够制成颗粒。一般的，加入水后静置30min左右能实现这两者的吸水膨胀，然后可以进行制粒。优选的，球形颗粒的尺寸一般为0.8~5.0mm，优选为3.6mm。

进一步的，步骤（1）中，制粒可以采用现有技术中报道的制粒设备进行，例如成球机。

进一步的，步骤（2）中，交联羧甲基纤维素接枝丙烯酰胺和甲基纤维素醚吸水后制得的球形颗粒是含有大量水分的，所以偏高领土和钙基膨润土粉末很容易粘附在其表面，并且在粘附过程中水分会由内向外渗透，因此可以不断的粘附粉末，直到达到所需的外壳厚度。

进一步的，步骤（3）中，将核壳结构的球形颗粒在105~120℃下进行干燥，使其外壳迅速硬化，即得发泡剂。

本发明发泡剂的发泡机理为：交联羧甲基纤维素接枝丙烯酰胺和甲基纤维素醚饱和吸水后体积膨胀，使用制粒设备将饱和吸水后的交联羧甲基纤维素接枝丙烯酰胺和甲基纤维素醚制成颗粒并在颗粒表面包裹一层钙基膨润土和偏高领土的混合物外壳，形成“核壳结构”的发泡剂。该发泡剂与水泥浆体均匀拌合后，钙基膨润土和偏高领土在水泥水化产生的碱性物质（氢氧化钾、氢氧化钠和氢氧化钙）的作用下结构破坏，进而暴露出内部的交联羧甲基纤维素接枝丙烯酰胺和甲基纤维素醚。在碱性环境下交联羧甲基纤维素接枝丙烯酰胺和甲基纤维素醚会发生水解，结构失效，水分被释放，体积收缩。因此在发泡剂原先占据的空间形成闭合气泡，进而达到发泡的目的。

本发明发泡剂制备简单，成本低，自身稳定性好，只在遇到碱性物质的情况下才会发生反应，易于储存和运输，在使用过程中通过体积收缩形成闭合气泡，不会产生任何危险气体，也不需要特殊搅拌装置进行急速搅拌和稳泡剂，发泡工艺简单，使用方便。

本发明提供了一种发泡水泥保温材料，该发泡水泥保温材料的原料包括上述发泡剂。本发明发泡水泥保温材料使用上述发泡剂后，制备过程简便，无须稳泡剂，也无须急速搅拌，所得保温材料气泡产生温和、均匀，气孔尺寸均匀，连通气孔率较低，保温性能好。

进一步的，本发明发泡水泥保温材料由以下重量份的原料组成：水泥40~60份、粉煤灰10~30份、醋酸乙烯-乙烯共聚物乳液0.5~1.5份、减水剂0.4~1.0份、聚丙烯纤维0.1~0.4份、发泡剂4~8份、水20~30份。

优选的，本发明发泡水泥保温材料由以下重量份的原料组成：水泥50份、粉煤灰20份、醋酸乙烯-乙烯共聚物乳液1.0份、减水剂0.7份、聚丙烯纤维0.3份、发泡剂6份、水22份。

进一步的，上述发泡水泥保温材料中，所述水泥可以是现有技术中报道的任意水泥，例如普通硅酸盐水泥等。所述粉煤灰可以是任意细度的粉煤灰，优选为

级粉煤灰。所述醋酸乙烯-乙烯共聚物乳液为醋酸乙烯和乙烯的共聚物，其粘度为800-1000mPa·s，其固含量在50wt%以上，例如50-70wt%。所述减水剂可以是现有技术中报道的任意减水剂，例如聚羧酸高效减水剂。所述聚丙烯纤维为聚丙烯短纤维，其长度为毫米级。 本发明还提供了上述发泡水泥保温材料的制备方法，该方法包括以下步骤：

（1）按照上述发泡剂的制备方法制得发泡剂；

（2）制备发泡水泥保温材料：

2.1将水泥和粉煤灰混合均匀，备用；

2.2将水、减水剂和聚丙烯纤维搅拌混合均匀，然后加入醋酸乙烯-乙烯共聚物乳液搅拌混合均匀，再加入发泡剂搅拌混合均匀，最后向混合物中缓慢加入上述2.1中的物料，搅拌均匀，得混合物料；

2.3将2.2所得的混合物料置于模具中成型，然后养护，得发泡水泥保温材料。

进一步的，本发明发泡剂无须急速剧烈搅拌，采用常规搅拌即可。上述步骤2.2中，各物料在搅拌机中搅拌混合，搅拌转速小于等于50r/min，例如30-50r/min。

本发明的保温材料不需要特殊设备进行急速机械搅拌，制备工艺简单，成本低，便于工业化推广应用；所使用的发泡剂自身稳定性好，只在遇到碱性物质的情况下才会发生反应，易于储存和运输，在使用过程中通过体积收缩形成闭合气泡，不会产生任何危险气体，也不需要使用稳泡剂，发泡工艺简单，使用方便。本发明保温材料气泡产生温和、均匀，气孔尺寸均匀，连通气孔率较低，保温等性能好。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明进行进一步说明，下述说明仅是示例性的，并不对其内容进行限制。

下述实施例中，所用交联羧甲基纤维素接枝丙烯酰胺的吸水倍率为350~450 g/g,细度为过120目方孔筛筛余量5~9%。

下述实施例中，所用甲基纤维素醚的细度为过100目方孔筛晒余量为1~5%，其粘度（2%水溶液，即2g甲基纤维素醚溶于100g水中）为120~150 Pa·S。

下述实施例中，所用偏高领土细度为过325目方孔筛晒余量5~10%。

下述实施例中，所用钙基膨润土细度为过325目方孔筛晒余1~5%。

下述实施例中，所用水泥为普通硅酸盐水泥，标号为PO 52.5 R型。

下述实施例中，所用粉煤灰为

级粉煤灰。

下述实施例中，所用醋酸乙烯-乙烯共聚物乳液固含量为58%，粘度为850 mPa·s，最低成膜温度为5℃，pH值为7.5。

下述实施例中，所用减水剂为聚羧酸高效减水剂，固含量为35%，减水率为27%。

下述实施例中，所用聚丙烯纤维长度为2.5 mm。

制备发泡剂

实施例1

发泡剂配方为（重量份）：交联羧甲基纤维素接枝丙烯酰胺12份、甲基纤维素醚3份、偏高领土61份、钙基膨润土24份。

制备方法为：

1、将交联羧甲基纤维素接枝丙烯酰胺和甲基纤维素醚混合均匀，记为A料，备用；

2、将偏高领土和钙基膨润土混合均匀，记为B料，备用；

3、将A料与其质量100倍的自来水混合均匀，静置30分钟，使交联羧甲基纤维素接枝丙烯酰胺和甲基纤维素醚充分吸水膨胀，得到糊状混合物；

4、将步骤3中静置后的混合物置于成球机中制粒，得到球形颗粒；

5、将配方量的B料均匀撒入成球机中，使B料均匀包裹在球形颗粒表面，再进行成球，得到“核壳结构”的球形颗粒；

6.将上述“核壳结构”的球形颗粒置于120℃干燥环境中，使其外壳迅速硬化，制得发泡剂。该发泡剂的球形核的尺寸为3.6 mm，外壳的厚度为0.5 mm，发泡剂的尺寸为4.6mm。

实施例2

发泡剂配方为（重量份）：交联羧甲基纤维素接枝丙烯酰胺10份、甲基纤维素醚5份、偏高领土55份、钙基膨润土30份。制备方法同实施例1。

实施例3

发泡剂配方为（重量份）：交联羧甲基纤维素接枝丙烯酰胺15份、甲基纤维素醚1份、偏高领土74份、钙基膨润土10份。制备方法同实施例1。

实施例4

发泡剂配方为（重量份）：交联羧甲基纤维素接枝丙烯酰胺11份、甲基纤维素醚4份、偏高领土75份、钙基膨润土10份。制备方法同实施例1。

实施例5

按照实施例1的方法制备发泡剂，不同的是：水的用量为A料质量的90倍。所得发泡剂的球形核的尺寸为3.6 mm，外壳的厚度为0.5 mm，发泡剂的尺寸为4.6 mm。

实施例6

按照实施例1的方法制备发泡剂，不同的是：发泡剂烘干温度为105℃。所得发泡剂的球形核的尺寸为3.6 mm，外壳的厚度为0.5 mm，发泡剂的尺寸为4.6 mm。

实施例7

按照实施例1的方法制备发泡剂，不同的是：所得发泡剂的球形核的尺寸为0.8mm，外壳的厚度为0.2 mm，发泡剂尺寸为1.2 mm。

实施例8

按照实施例1的方法制备发泡剂，不同的是：所得发泡剂的球形核的尺寸为5 mm，外壳的厚度为0.6 mm，发泡剂尺寸为6.2 mm。

对比例1

发泡剂配方同实施例1。

制备方法为：将交联羧甲基纤维素接枝丙烯酰胺、甲基纤维素醚、偏高领土、钙基膨润土混合均匀，加入其总质量100倍的自来水，静置30 min，然后将该混合物置于成球机中，得到球形颗粒，即为发泡剂，尺寸为4.6 mm。

对比例2

发泡剂配方为（重量份）：交联羧甲基纤维素接枝丙烯酰胺20份、甲基纤维素醚10份、偏高领土50份、钙基膨润土20份。

发泡剂制备方法同实施例1，所得发泡剂尺寸为4.6 mm，球形核的尺寸为3.6 mm，外壳厚度为0.5 mm。

对比例3

发泡剂配方为（重量份）：聚丙烯酰胺12份、乙基纤维素醚3份、高领土61份、钙基膨润土24份。

制备方法为：

1、将聚丙烯酰胺和基纤维素醚混合均匀，记为A料，备用；

2、将高领土和钙基膨润土混合均匀，记为B料，备用；

3、将A料与其质量100倍的自来水混合均匀，静置30分钟，使聚丙烯酰胺和基纤维素醚充分吸水膨胀，得到糊状混合物；

4、将步骤3中静置后的混合物置于成球机中制粒，得到球形颗粒；

5、将配方量的B料均匀撒入成球机中，使B料均匀包裹在球形颗粒表面，再进行成球，得到“核壳结构”的球形颗粒；

6.将上述“核壳结构”的球形颗粒置于120℃干燥环境中，使其外壳迅速硬化，制得发泡剂。该发泡剂的球形核的尺寸为3.6 mm，外壳的厚度为0.5 mm，发泡剂的尺寸为4.6mm。

制备发泡水泥保温材料

实施例9

发泡水泥保温材料的配方为（重量份）：水泥50份、粉煤灰20份、醋酸乙烯-乙烯共聚物乳液1.0份、减水剂0.7份、聚丙烯纤维0.3份、发泡剂6份、水22份。

制备方法为：

1、将水泥和粉煤灰混合均匀，记为A料，备用；

2、将水、减水剂和聚丙烯纤维加入UJZ-15型立式搅拌机（转速45 r/min）中搅拌1分钟；

3、将醋酸乙烯-乙烯共聚物乳液加入上述搅拌机，搅拌30秒；

4、将发泡剂加入上述搅拌机中，搅拌30秒；

5、将A料缓慢加入上述搅拌机中，加完后搅拌2分钟，得发泡材料混合物料；

6、将上述搅拌均匀的发泡材料混合物料置于模具中成型，之后置于水泥混凝土标准养护室养护3天，得发泡水泥保温材料。

按照上述配方和方法制备发泡水泥保温材料，不同的是分别采用上述实施例和对比例制得的发泡剂，所得各发泡水泥保温材料利用Xradia 520 Versa 型X射线断层扫描仪测定其气孔尺寸范围与连通气孔率，使用IMDRY3001智能型双平板导热系数测定仪测定其导热系数。所得试验数据如下表1所示：

实施例10

发泡水泥保温材料的配方为（重量份）：水泥40份、粉煤灰30份、醋酸乙烯-乙烯共聚物乳液0.5份、减水剂1.0份、聚丙烯纤维0.4份、实施例1的发泡剂8份、水30份。

制备方法同实施例9。

利用Xradia 520 Versa 型X射线断层扫描仪测定保温材料的气孔尺寸范围与连通气孔率，其气孔尺寸范围为4.4~5.0mm，连通气孔率为1.5%。使用IMDRY3001智能型双平板导热系数测定仪测定保温材料的导热系数，其导热系数为0.037 W/(m K)。

实施例11

发泡水泥保温材料的配方为（重量份）：水泥60份、粉煤灰10份、醋酸乙烯-乙烯共聚物乳液1.5份、减水剂0.4份、聚丙烯纤维0.1份、实施例1的发泡剂4份、水20份。

制备方法同实施例9。

利用Xradia 520 Versa 型X射线断层扫描仪测定保温材料的气孔尺寸范围与连通气孔率，其气孔尺寸范围为4.1~4.4mm，连通气孔率为1.0%。使用IMDRY3001智能型双平板导热系数测定仪测定保温材料的导热系数，其导热系数为0.039 W/(m K)。

Claims (12)

1.一种发泡水泥保温材料，其特征是：原料包括发泡剂，所述发泡剂由以下重量份的组分组成：交联羧甲基纤维素接枝丙烯酰胺10~15份、甲基纤维素醚1~5份、偏高岭土55~75份、钙基膨润土10~30份；所述发泡剂按照以下方法制得：

1.1将交联羧甲基纤维素接枝丙烯酰胺和甲基纤维素醚混合均匀，然后将该混合物料与水混合，吸水膨胀后制粒，得球形颗粒；

1.2将偏高岭土和钙基膨润土混合均匀，所得混合物与步骤（1）的球形颗粒均匀混合，使偏高岭土和钙基膨润土的混合物均匀包裹在球形颗粒表面，形成核壳结构的球形颗粒；

1.3将上述核壳结构的球形颗粒干燥，使其外壳硬化，得发泡剂。

2.根据权利要求1所述的发泡水泥保温材料，其特征是：所述发泡剂由以下重量份的组分组成：交联羧甲基纤维素接枝丙烯酰胺12份、甲基纤维素醚3份、偏高岭土61份、钙基膨润土24份。

3.根据权利要求1或2所述的发泡水泥保温材料，其特征是：所述发泡剂具有核壳结构，以交联羧甲基纤维素接枝丙烯酰胺和甲基纤维素醚的混合物制成的球形颗粒为核，以偏高岭土和钙基膨润土的混合物为外壳，所述外壳均匀包裹在球形颗粒表面。

4.根据权利要求1或2所述的发泡水泥保温材料，其特征是：所述发泡水泥保温材料由以下重量份的原料组成：水泥40~60份、粉煤灰10~30份、醋酸乙烯-乙烯共聚物乳液0.5~1.5份、减水剂0.4~1.0份、聚丙烯纤维0.1~0.4份、发泡剂4~8份、水20~30份。

5.根据权利要求4所述的发泡水泥保温材料，其特征是：所述发泡水泥保温材料由以下重量份的原料组成：水泥50份、粉煤灰20份、醋酸乙烯-乙烯共聚物乳液1.0份、减水剂0.7份、聚丙烯纤维0.3份、发泡剂6份、水22份。

6.一种权利要求1-5中任一项所述的发泡水泥保温材料的制备方法，其特征是包括以下步骤：

（1）制备发泡剂

1.1将交联羧甲基纤维素接枝丙烯酰胺和甲基纤维素醚混合均匀，然后将该混合物料与水混合，吸水膨胀后制粒，得球形颗粒；

1.2将偏高岭土和钙基膨润土混合均匀，所得混合物与步骤（1）的球形颗粒均匀混合，使偏高岭土和钙基膨润土的混合物均匀包裹在球形颗粒表面，形成核壳结构的球形颗粒；

1.3将上述核壳结构的球形颗粒干燥，使其外壳硬化，得发泡剂；

（2）制备发泡水泥保温材料

2.1将水泥和粉煤灰混合均匀，备用；

2.2将水、减水剂和聚丙烯纤维搅拌混合均匀，然后加入醋酸乙烯-乙烯共聚物乳液搅拌混合均匀，再加入发泡剂搅拌混合均匀，最后向混合物中缓慢加入上述2.1中的物料，搅拌均匀，得混合物料；

2.3将2.2所得的混合物料置于模具中成型，然后养护，得发泡水泥保温材料。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征是：步骤1.1中，所得球形颗粒的尺寸为0.8~5.0mm；步骤1.3中，所得外壳的厚度为0.2~0.6mm。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征是：步骤1.1中，所得球形颗粒的尺寸为3.6mm。

9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征是：步骤1.3中，所得外壳的厚度为0.5mm。

10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征是：步骤1.1中，水的用量为交联羧甲基纤维素接枝丙烯酰胺和甲基纤维素醚总质量的90~100倍。

11.根据权利要求6所述的制备方法，其特征是：步骤1.3中，干燥温度为105~120℃。

12.根据权利要求6所述的制备方法，其特征是：步骤2.2中，各物料在搅拌机中搅拌混合，搅拌转速小于等于50r/min。