CN110759691B - 一种环保的相变石膏板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种环保的相变石膏板，所述相变石膏板包括石膏和相变微胶囊材料，所述相变微胶囊材料包括芯材和包裹在所述芯材外面的无机壁材，所述芯材为相变石蜡，所述无机壁材选自SiO₂、TiO₂和CaSiO₃中的任意一种或更多种。本申请的相变石膏板采用无机壁材包裹芯材，在使用过程中没有有机物释放，实现了环保的目的；同时使用复合增强剂来增强石膏板的强度。

Description

一种环保的相变石膏板及其制备方法

技术领域

本申请涉及但不限于建筑材料技术领域，尤其涉及但不限于一种环保的相变石膏板及其制备方法。

背景技术

相变储能材料是利用物质发生相变时吸收或释放相变潜热，从而实现能量储存和释放的一类材料。相变储能材料在现代农业温室、太阳能利用、生物医药制品及食品的冷藏和运输、物理医疗(热疗)、电子设备散热、运动员降温(保暖)服饰、特殊控温服装、航天科技、军事红外伪装、电力调峰应用、工业余热储存利用等诸多领域均有应用前景。

根据相变温度，相变储能材料可分为高温、常温和低温相变储能材料。在建筑中应用的主要是常温相变储能材料。按照储能介质，可将相变储能材料分为无机储能材料、有机储能材料和混合储能材料。无机储能材料的储能介质主要是包含结晶水的盐类，其特点是价格较便宜、导热系数大、储能密度大，但是过冷度大、易析出以及腐蚀性大等缺点也限制了其应用。有机储能材料的储能介质主要为石蜡、脂肪酸、聚乙二醇和糖醇等，它们具有热稳定性好、过冷度较小、无腐蚀等优点。适合于建筑中应用的常温相变储能材料大多在熔融时会发生固液相转化，因此需要进行封装后进行使用。按照封装类型不同，将相变储能材料分为定形相变储能材料和微胶囊相变储能材料。定形相变储能材料成本低、换热效率较好，但是易渗漏；为了解决固液相变过程中的渗漏问题，主要采用微胶囊技术。微胶囊相变储能材料解决了固液相变时引起的流动和挥发等问题。

发明内容

以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。

本申请的申请人在将有机壁材的相变微胶囊应用于建材的过程中深入地发现，目前用于相变微胶囊的壁材主要是三聚氰胺-甲醛、三聚氰胺树脂、聚苯乙烯、聚氨酯等有机壁材。在有机壁材的合成过程中不可避免地有单体存在，将其应用于建材中时，在建材的生产和使用过程中会存在有机物挥发，这将影响人们的健康。

在对现有的有机壁材的相变微胶囊存在的问题进行了深入研究的基础上，本申请的发明人创造性地提出了一种环保的具有相变功能的石膏板。本申请的相变石膏板采用无机壁材包裹芯材，在使用过程中没有有机物释放，实现了环保的目的；同时使用复合增强剂来增强石膏板的强度。

具体地，本申请提供一种环保的相变石膏板，所述相变石膏板可以包括石膏和相变微胶囊材料，所述相变微胶囊材料可以包括芯材和包裹在所述芯材外面的无机壁材，所述芯材可以为相变石蜡，所述无机壁材可以选自SiO₂、TiO₂和CaSiO₃中的任意一种或更多种。

在本申请中，所述相变微胶囊材料：所述石膏的重量比可以为5～30:100。

在本申请中，所述环保的相变石膏板还可以包括复合增强剂，所述复合增强剂可以包括碱性物质和超细粉末，所述碱性物质可以选自石灰、水泥和氢氧化钙中的任意一种或更多种，所述超细粉末可以选自矿粉、粉煤灰和硅灰中的任意一种或更多种。在本申请中，所述矿粉和粉煤灰的比表面积可以不小于800m²/kg，所述硅灰的比表面积可以不小于20000m²/kg。将无机壁材的相变微胶囊加入纸面石膏板中后，微胶囊与石膏水化产物之间存在缝隙，在相变石膏板配方中加入石灰、水泥和氢氧化钙等碱性物质可以解决这个问题：碱性物质可以与SiO₂反应形成凝胶状的物质，该凝胶状的物质能够增强相变微胶囊与石膏浆体基底之间的结合。在配方中加入超细硅灰等粉体填充在石膏水化产物和微胶囊之间，以便提高相变石膏板的强度。

在本申请中，所述复合增强剂：所述石膏的重量比可以不超过3:100；所述复合增强剂中的超细粉末与碱性物质的重量比可以不超过60:100。

在本申请中，所述环保的相变石膏板还可以包括表面活性剂和增稠剂，所述相变微胶囊材料：所述表面活性剂：所述增稠剂的重量比可以为100:0.1～0.3:0.05～0.1；

所述表面活性剂可以选自三聚磷酸钠和六偏磷酸钠中的任意一种或更多种；所述增稠剂可以选自羧甲基纤维素钠和羟乙基纤维素中的任意一种或更多种。

在本申请中，可以将所述相变微胶囊材料、所述表面活性剂和所述增稠剂制成相变微胶囊材料乳液后再加入所述相变石膏板中，所述相变微胶囊材料乳液的制备方法包括：

将所述相变微胶囊材料与水混合，并向其中加入表面活性剂和增稠剂，高速搅拌，得到所述相变微胶囊材料乳液；

其中，所述相变微胶囊材料在所述相变微胶囊材料乳液中的质量分数为10％～50％，任选地为20％～40％。

在本申请中，所述相变微胶囊材料可以采用现有技术中的方法制备得到，例如，参照“罗瑞涟，《二氧化硅壁材微胶囊相变储能材料制备与性能研究》【D】.广州，华南理工大学”中公开的方法制备得到。

本申请使用的无机壁材的相变微胶囊的比重较小，在石膏料浆中容易上浮。将相变微胶囊材料与水1:1混合，并在其中加入水量(0.1％～0.3％)的表面活性剂和(0.05％～0.1％)的增稠剂，高速搅拌后，制成均匀的微胶囊相变材料乳液。高速搅拌是为了更好的分散，因为相变微胶囊比水轻，而且易结块，高速搅拌有利于形成乳液，并防止微胶囊颗粒密度较石膏浆体小而导致的不均匀分布。同时，在实验过程中，还观察到添加增稠剂能够增加微胶囊乳液稳定性。

在本申请中，所述环保的相变石膏板还可以包括促凝剂，所述促凝剂：所述石膏的重量比可以不超过0.3:100。

相变微胶囊加入石膏板芯后，石膏水化放热使石膏硬化浆体温度升高，超过相变温度后，相变材料发生相变，使石膏料浆的温度缓慢上升，水化浆体温度低于不添加相变微胶囊时的温度。因此，与不添加相变微胶囊的情况相比，促凝剂的用量应适当下降。

在本申请中，所述促凝剂可以选自磨细生石膏、硫酸钾、硫酸钠和硫酸镁中的任意一种或更多种；所述磨细生石膏的平均粒度可以为<1μm，BET比表面积可以大于10000g/cm²。如本域技术人员了解的，粒度细，缺陷多(与表面面积有关)的生石膏作为促凝剂加速熟石膏水化。

在本申请中，所述环保的相变石膏板还可以包括减水剂、改性淀粉和任选地发泡剂，所述减水剂：所述改性淀粉：所述发泡剂：所述石膏的重量比可以为0.01～0.2:0.4～0.8:0～0.06:100。

本申请还提供一种环保的相变石膏板的制备方法，所述方法包括：将制备相变石膏板的各原料混合，搅拌均匀制成料浆，将所述料浆成型，切割和干燥，得到所述环保的相变石膏板。

本申请的环保的相变石膏板采用无机壁材的微胶囊相变材料，解决了有机壁材的微胶囊相变材料用于建材时的环保性问题，同时无机壁材的相变微胶囊材料与熟石膏的相容性更好，且无机壁材的微胶囊相变材料的对热传导性能优于有机壁材的微胶囊相变材料。

进一步地，将相变微胶囊加入石膏板芯后，导致单位体积石膏板内石膏量减少，板芯强度明显下降，本申请通过如下方式来提高板芯强度：在相变石膏板中加入由碱性物质与超细粉体组成的复合增强剂，碱性物质能与微胶囊的壁材、超细粉体反应形成凝胶状的水化产物，增强了微胶囊相变材料与石膏基体的结合力，并可填充在石膏水化浆体和相变微胶囊颗粒之间，同时能降低水膏比，提高石膏板的板芯强度。

本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的目的和其他优点可通过在说明书以及权利要求书中所特别指出的结构来实现和获得。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将对本申请的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

以下实施例中的相变微胶囊材料通过“罗瑞涟，《二氧化硅壁材微胶囊相变储能材料制备与性能研究》【D】.广州，华南理工大学”中描述的方法制备得到。制备方法如下：称取乳化剂CTAB 10.2重量份和OP-10 12.3重量份于锥形瓶中，倒入100mL 1mol/l的盐酸。待乳化剂完全溶解后加入77.5重量份的熔化石蜡，并在恒温水浴锅中以2000rpm的转速均质乳化半小时，获得水包油(O/W)乳液。将制备好的乳液转移到500mL的三口圆底烧瓶中，并逐滴加入100mL 0.4mol/L的Na₂SiO₃·9H₂O溶液，在260rpm搅拌速度下反应2h。反应完成后取出并自然冷却至室温。将所得的固液混合物进行抽滤，并用石油醚和温水洗涤数次，以除去杂质，得到以相变石蜡为芯材、以SiO₂为无机壁材的相变微胶囊材料的乳液，备用。

实施例1

一种环保的相变纸面石膏板(含15重量％干基二氧化硅壁材的相变微胶囊材料)，所述相变纸面石膏板通过下述方法制备：

将100重量份脱硫建筑熟石膏粉、0.6重量份改性淀粉、0.01重量份发泡剂、3重量份复合增强剂、0.05重量份减水剂、0.1重量份促凝剂、30重量份相变微胶囊材料乳液和55重量份水加入混合机内搅拌均匀，制成浆料，在料浆的上、下表面附护面纸，经过成型、切割、干燥后得到相变石膏板。

其中，所述复合增强剂由水泥和硅灰组成，它们的重量比为100:30。

所述相变微胶囊材料乳液的制备方法为：根据需要向预先制备的相变微胶囊材料的乳液中加水，使相变微胶囊材料在相变微胶囊材料乳液中的质量分数为50％，并在其中加入水的重量的0.1％三聚磷酸钠和0.08％羟乙基纤维素，高速搅拌后，得到均匀的相变微胶囊材料乳液。

其中，所述发泡剂为十二烷基磺酸钠；所述减水剂为萘系减水剂；所述促凝剂为磨细生石膏，所述磨细生石膏的平均粒度<1μm，BET比表面积大于10000g/cm²。

实施例2

一种环保的相变纸面石膏板(含5重量％干基二氧化硅壁材的相变微胶囊材料)，所述相变纸面石膏板通过下述方法制备：

将100重量份脱硫建筑熟石膏粉、0.4重量份改性淀粉、0.04重量份发泡剂、1重量份复合增强剂、0.02重量份减水剂、0.3重量份促凝剂、17.5重量份相变微胶囊材料乳液和62.5重量份水加入混合机内搅拌均匀，制成浆料，在料浆的上、下表面附护面纸，经过成型、切割、干燥后得到相变石膏板。

其中，所述复合增强剂由石灰和粉煤灰组成，它们的重量比为100:50

所述相变微胶囊材料乳液的制备方法为：根据需要向预先制备的相变微胶囊材料的乳液中加水，使相变微胶囊材料在相变微胶囊材料乳液中的质量分数为28％，并在其中加入水的重量的0.1％三聚磷酸钠和0.05％羟乙基纤维素，高速搅拌后，得到均匀的相变微胶囊材料乳液。

其中，所述发泡剂为十二烷基磺酸钠；所述减水剂为萘系减水剂；所述促凝剂为磨细生石膏，所述磨细生石膏的平均粒度<1μm，BET比表面积大于10000g/cm²。

实施例3

一种环保的相变纸面石膏板(含30重量％干基二氧化硅壁材的相变微胶囊材料)，所述相变纸面石膏板通过下述方法制备：

将100重量份脱硫建筑熟石膏粉、0.8重量份改性淀粉、0.01重量份发泡剂、3重量份复合增强剂、0.1重量份减水剂、0.05重量份促凝剂、80重量份相变微胶囊材料乳液和28重量份水加入混合机内搅拌均匀，制成浆料，在料浆的上、下表面附护面纸，经过成型、切割、干燥后得到相变石膏板。

其中，所述复合增强剂由水泥和粉煤灰组成，它们的重量比为100:20。

所述相变微胶囊材料乳液的制备方法为：根据需要向预先制备的相变微胶囊材料的乳液中加水，使相变微胶囊材料在相变微胶囊材料乳液中的质量分数为37.5％，并在其中加入水的重量的0.25％三聚磷酸钠和0.1％羟乙基纤维素，高速搅拌后，得到均匀的相变微胶囊材料乳液。

其中，所述发泡剂为十二烷基磺酸钠；所述减水剂为萘系减水剂；所述促凝剂为磨细生石膏，所述磨细生石膏的平均粒度<1μm，BET比表面积大于10000g/cm²。

实施例4

一种环保的相变纸面石膏板(含30重量％干基二氧化硅壁材的相变微胶囊材料，不含复合增强剂)，所述相变纸面石膏板通过下述方法制备：

将100重量份脱硫建筑熟石膏粉、0.8重量份改性淀粉、0.01重量份发泡剂、0.1重量份减水剂、0.05重量份促凝剂、60重量份相变微胶囊材料乳液和42重量份水加入混合机内搅拌均匀，制成浆料，在料浆的上、下表面附护面纸，经过成型、切割、干燥后得到相变石膏板。

所述相变微胶囊材料乳液的制备方法为：根据需要向预先制备的相变微胶囊材料的乳液中加水，使相变微胶囊材料在相变微胶囊材料乳液中的质量分数为50％，并在其中加入水的重量的0.25％三聚磷酸钠和0.1％羟乙基纤维素，高速搅拌后，得到均匀的相变微胶囊材料乳液。

其中，所述发泡剂为十二烷基磺酸钠；所述减水剂为萘系减水剂；所述促凝剂为磨细生石膏，所述磨细生石膏的平均粒度<1μm，BET比表面积大于10000g/cm²。

对比例1

一种不含相变微胶囊材料的纸面石膏板，所述纸面石膏板通过下述方法制备：将100重量份脱硫建筑熟石膏粉、0.6重量份改性淀粉、0.04重量份发泡剂、0.05重量份减水剂、0.3重量份促凝剂和68重量份水加入混合机内搅拌均匀，制成浆料，在料浆的上、下表面附护面纸，经过成型、切割、干燥后得到相变石膏板。

其中，所述发泡剂为十二烷基磺酸钠；所述减水剂为萘系减水剂；所述促凝剂为磨细生石膏，所述磨细生石膏的平均粒度<1μm，BET比表面积大于10000g/cm²。

对比例2

一种含有有机壁材的相变微胶囊材料的纸面石膏板(含15重量％的有机壁材的相变微胶囊材料)，所述纸面石膏板通过下述方法制备：

将100重量份脱硫建筑熟石膏粉、0.6重量份改性淀粉、0.01重量份发泡剂、3重量份复合增强剂、0.05重量份减水剂、0.1重量份促凝剂、15重量份有机壁材的相变微胶囊材料和70重量份水加入混合机内搅拌均匀，制成浆料，在料浆的上、下表面附护面纸，经过成型、切割、干燥后得到相变石膏板。

其中，所述发泡剂为十二烷基磺酸钠；所述减水剂为萘系减水剂；所述促凝剂为磨细生石膏。

其中，所述复合增强剂由水泥和硅灰组成，它们的重量比为100:30。有机壁材相变微胶囊材料的壁材为三聚氰胺-甲醛树脂。

性能测试

根据JC/T 2111-2012《建筑材料相变调温性能测试方法》和GB/T16129-2008《居住区大气中甲醛卫生检验标准方法分光光度法》测试实施例1和对比例2的含有相变微胶囊的石膏板的相变蓄热的性能，测试结果请见表1。

表1 实施例1-4与对比例2的相变石膏板的相变性能和环保性能

根据GB/T 9775-2008《纸面石膏板》测试实施例1和对比例1-2的石膏板的力学性能，测试结果请见表2。

表2 实施例1-4与对比例2的相变石膏板的其他性能

从表1和表2可以看出，在加入了相同重量的无机壁材的相变微胶囊材料和有机壁材的相变微胶囊材料后，实施例1和对比例2的相变石膏板具有近似的相变潜热，说明它们具有相似的相变蓄能能力。从实施例1-4的相变石膏板性能数据可以看出，随着二氧化硅壁材含量的增加，相变潜热增加，同时二氧化硅壁材含量降低，相变潜热也减小。说明相变石膏板的相变蓄能能量随着二氧化硅壁材的含量增加而增强。与普通石膏板相比，对比例2的相变石膏板的力学性能下降了，实施例1和实施例3的相变石膏板的力学性能则与普通石膏板的接近，这是因为实施例1和实施例3的相变石膏板加入了复合增强剂并且降低了发泡剂的用量，而实施例4的相变石膏板由于没有加入复合增强剂，与对比例2的相变石膏板力学性能接近。此外，从甲醛释放值来看，实施例1-4的相变石膏板比对比例2的相变石膏板更环保。

虽然本申请所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本申请而采用的实施方式，并非用以限定本申请。任何本申请所属领域内的技术人员，在不脱离本申请所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本申请的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (12)

1.一种环保的相变石膏板，所述相变石膏板包括石膏和相变微胶囊材料，所述相变微胶囊材料包括芯材和包裹在所述芯材外面的无机壁材，所述芯材为相变石蜡，所述无机壁材选自SiO₂和TiO₂中的任意一种或更多种；

其中，所述相变石膏板还包括复合增强剂，所述复合增强剂包括碱性物质和超细粉末，所述碱性物质选自石灰、水泥和氢氧化钙中的任意一种或更多种，所述超细粉末选自矿粉、粉煤灰和硅灰中的任意一种或更多种。

2.根据权利要求1所述的环保的相变石膏板，其中，所述相变微胶囊材料：所述石膏的重量比为5～30:100。

3.根据权利要求2所述的环保的相变石膏板，其中，所述矿粉和粉煤灰的比表面积不小于800m²/kg，所述硅灰的比表面积不小于20000m²/kg。

4.根据权利要求2所述的环保的相变石膏板，其中，所述复合增强剂：所述石膏的重量比不超过3:100。

5.根据权利要求4所述的环保的相变石膏板，所述复合增强剂中的超细粉末与碱性物质的重量比不超过60:100。

6.根据权利要求2所述的环保的相变石膏板，所述相变石膏板还包括表面活性剂和增稠剂，所述相变微胶囊材料：所述表面活性剂：所述增稠剂的重量比为100:0.1～0.3:0.05～0.1。

7.根据权利要求6所述的环保的相变石膏板，所述表面活性剂选自三聚磷酸钠和六偏磷酸钠中的任意一种或更多种；所述增稠剂选自羧甲基纤维素钠和羟乙基纤维素中的任意一种或更多种。

8.根据权利要求6所述的环保的相变石膏板，其中，将所述相变微胶囊材料、所述表面活性剂和所述增稠剂制成相变微胶囊材料乳液后再加入所述相变石膏板中，所述相变微胶囊材料乳液的制备方法包括：

将所述相变微胶囊材料与水混合，并向其中加入表面活性剂和增稠剂，高速搅拌，得到所述相变微胶囊材料乳液；

其中，所述相变微胶囊材料在所述相变微胶囊材料乳液中的质量分数为10％～50％，任选地为20％～40％。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的环保的相变石膏板，所述相变石膏板还包括促凝剂，所述促凝剂：所述石膏的重量比为不超过0.3:100。

10.根据权利要求9所述的环保的相变石膏板，其中，所述促凝剂选自磨细生石膏、硫酸钾、硫酸钠和硫酸镁中的任意一种或更多种；所述磨细生石膏的平均粒度<1μm，BET比表面积大于10000g/cm²。

11.根据权利要求6所述的环保的相变石膏板，所述相变石膏板还包括减水剂、改性淀粉和任选地发泡剂，所述减水剂：所述改性淀粉：所述发泡剂：所述石膏的重量比为0.01～0.2:0.4～0.8:0～0.06:100。

12.根据权利要求1-11中任一项所述的环保的相变石膏板的制备方法，所述方法包括：将制备相变石膏板的各原料混合，搅拌均匀制成料浆，将所述料浆成型，切割和干燥，得到所述环保的相变石膏板。