CN111377701A - 一种提高常温发泡珍珠岩基无机保温板性能的技术 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种提高常温发泡珍珠岩基无机保温板性能的技术，以珍珠岩、水玻璃、表面活性剂、发泡剂为主要原料，通过发泡剂发泡及特定的热处理工艺，即可得到具有毫米级、微米级和亚微米级别的三级孔径的新型无机保温材料。该方法制备的保温材料不但具有较低的密度、较低的导热系数，而且还可以显著提高保温材料的软化系数，并且同时保持了较高的强度，综合性能优异。

Description

一种提高常温发泡珍珠岩基无机保温板性能的技术
技术领域
本发明涉及无机保温材料技术领域，特别涉及一种提高常温发泡珍珠岩基无机保温板性能的技术。
背景技术
膨胀珍珠岩具有质量轻、无毒害、隔热性能好、抗蚀、不燃等优良的物理化学特性以及使用成本低廉的特点，同时具备保温隔热及吸声等多重特殊性能，在当今社会节能型工业、民用建筑上的应用日趋广泛。膨胀珍珠岩用于建筑保温材料在欧洲占珍珠岩用途50％，在北美占60％，在日本占55％，在我国占65％。
传统上，膨胀珍珠岩是将天然珍珠岩矿石，经过破碎筛选，高温煅烧，使其体积急剧膨胀制得，是多空色白的颗粒状物质。一方面，传统高温工艺对设备要求高，另一方面传统高温工艺制得的膨胀珍珠岩吸水率较高，在墙体温度变化时，珍珠岩易因为吸水膨胀产生鼓泡、开裂现象，吸水还降低了材料的保温性能。另外，由于膨胀珍珠岩保温材料多出于珍珠岩与水泥结合体，存在难以解决的强度与导热系数之间的矛盾，这些给其作为建筑保温材料带来了致命的缺陷。
利用珍珠岩粉为主要原料，有研究者利用常温化学发泡剂制备出多孔的珍珠岩保温材料，该方法的制备过程简易、耗能低，同时还可以实现珍珠岩尾砂的再利用。但是，该方法所制备的保温材料导热系数约为0.054W/(m〃K)，如能进一步降低导热系数将有效提升保温材料的隔热效果。另外，这类保温材料软化系数低，耐水性极差。软化系数是指石材在饱和水状态下的抗压强度与其干燥条件下的抗压强度之比，反映了材料的耐水性能。
因此，亟需开发一种密度低、导热系数低、软化系数高并保持较高的强度的新型基于珍珠岩的无机保温材料。
发明内容
为了解决上述问题，本发明人进行了锐意研究，结果发现：一种提高常温发泡珍珠岩基无机保温板性能的技术，通过发泡剂发泡及特定的热处理工艺，即可得到具有毫米级、微米级和亚微米级别的三级孔径的无机保温材料。该方法制备的保温材料不但具有较低的密度、较低的导热系数，而且还可以显著提高保温材料的软化系数，并且同时保持了较高的强度，综合性能优异，从而完成了本发明。
本发明的目的在于提供以下方面：
第一方面，本发明提供一种提高常温发泡珍珠岩基无机保温板性能的技术，所述方法包括以下步骤：
步骤1，将珍珠岩粉、水玻璃、表面活性剂与无机发泡剂混合，搅拌均匀；
步骤2，进行常温发泡；
步骤3，热处理再造孔、冷却，得到最终产品。
其中，步骤1中，所述珍珠岩粉选自珍珠岩、珍珠岩尾砂中的一种或两种；所述无机发泡剂选自碳酸氢钠、碳酸铵、亚硝酸铵、双氧水中的一种或多种。
进一步地，所述无机发泡剂为双氧水，优选5～50wt％双氧水。
其中，步骤1中，先将珍珠岩粉和水玻璃一起混合，所述珍珠岩粉与水玻璃的质量比为(0.4～1.2)：1，优选为(0.5～1.1)：1。
其中，步骤1中，先将珍珠岩粉与水玻璃和阳离子表面活性剂一起混合，优选为季铵盐类表面活性剂，更优选选自十四烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基溴化铵和十八烷基三甲基溴化铵中的一种或几种。
其中，步骤2中，发泡温度为20～40℃；发泡时间为4～48h，优选为5～36h。
其中，步骤3中，所述热处理再造孔包括子步骤(I)45～65℃下干燥，以及子步骤(II)150～500℃下发泡；
所述冷却为热处理再造孔完成后，自然冷却或立即(优选在0.1-1min内)取出产品降温。
进一步地，子步骤(I)中，温度为50℃，时间为12～36h；子步骤(II)中，温度为150～450℃，时间为4～50min，优选为5～45min，更优选为10～45min。
进一步地，子步骤(II)中，先将加热装置预热到所需温度。
第二方面，本发明还提供一种上述第一方面方法的用途，用于制备珍珠岩粉无机保温材料，优选该保温材料用作外墙保温材料或隔热材料。
附图说明
图1示出对比例1产品的不同放大倍数的SEM图；
图2示出实施例4产品的不同放大倍数的SEM图；
图3示出对比例2、实施例6、实施例7中制得产品的SEM图。
图4.示出热处理温度对产品密度、导热系数及软化系数的影响图(a:密度关系图；b:导热系数及软化系数图)。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
以下详述本发明。
为了解决背景技术中的问题，经过大量研究和实验，本发明人惊喜地发现，通过采用发泡剂双氧水发泡以及通过特定温度下干燥以及瞬间升温的热处理方式和150～500℃下的热处理，之后迅速从热源中取出样品迅速降温或关闭热源后不取出样品自然冷却，即而得到具有多级孔结构的珍珠岩粉无机保温材料，其不但具有较低的密度、较低的导热系数，而且具有较高的软化系数，并且同时保持了较高的强度，综合性能优异。
根据本发明的第一方面，提供一种提高常温发泡珍珠岩基无机保温板性能的技术，所述方法包括以下步骤：
步骤1，将珍珠岩粉、水玻璃、表面活性剂与无机发泡剂混合，搅拌均匀；
步骤2，进行常温发泡；
步骤3，热处理造孔、冷却，得到最终产品。
步骤1中，
在一种实施方式中，所述珍珠岩粉选自珍珠岩、珍珠岩尾砂中的一种或两种；所述无机发泡剂选自碳酸氢钠、碳酸铵、亚硝酸铵、双氧水中的一种或两种。
在一种优选的实施方式中，所述珍珠岩为珍珠岩粉末，所得到的保温材料性能更为优异。
在一种优选的实施方式中，所述无机发泡剂为双氧水，优选5～50wt％双氧水；如30wt％双氧水；
在进一步优选的实施方式中，所述双氧水与所述珍珠岩粉的质量比为(2～16)：100；
更进一步地，双氧水的质量：珍珠岩粉的质量＝(4～12)：100，如8:100。
本发明人发现，双氧水分解发泡主要形成宏观孔，孔径范围在100μm～1mm不等。
本发明人还发现，所用双氧水若太少，则形成的宏观孔偏少，而若所用双氧水太多，则不利于珍珠岩保温材料的稳定发泡，并且孔径会变太大，不利于产品的强度。
在一种实施方式中，步骤1中，先将珍珠岩粉和水玻璃一起混合，所述珍珠岩粉与水玻璃的质量比为(0.4～1.2)：1，优选为(0.5～1.1)：1。
在一种优选的实施方式中，所述水玻璃与珍珠岩粉的质量比为(0.6～1.0)：1，如0.8:1。
本发明人认为，所述水玻璃不仅起到粘结聚合的作用，粘结和聚合珍珠岩粉颗粒，同时，可以在加热时再次发泡，形成孔径在10～50μm的孔。加热再发泡后的发泡聚合物材料在保持相当强度的同时，能够同时改善提高软化系数。
本发明中，所用水玻璃的模数优选为1.0～3.5模，更优选为1.3～3.2模；所用水玻璃的波美浓度优选为30～60°Bé，更优选为40～50°Bé。
在一种实施方式中，步骤1中，先将珍珠岩粉与水玻璃和阳离子表面活性剂一起混合，优选为季铵盐类表面活性剂，更优选选自十四烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基溴化铵和十八烷基三甲基溴化铵中的一种或几种。
在一种优选的实施方式中，步骤1中，所述阳离子表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)；
在进一步优选的实施方式中，所述CTAB的用量为CTAB的质量与所述珍珠岩粉、水玻璃、CTAB和双氧水四者质量之和的比为(0.1～2.0)：100；
在更进一步优选的实施方式中，所述CTAB的用量为CTAB的质量与所述珍珠岩粉、水玻璃、CTAB和双氧水四者质量之和的比为(0.25～1.0)：100；如0.5:100，1.0：100。
本发明人认为，所加入的CTAB有助于珍珠岩粉颗粒分散，防止颗粒间发生团聚结块的现象，并在后续步骤的热处理工艺中时续分解，进而进一步形成较小的孔；本发明人发现，所形成的孔径范围在50nm～200nm。
在一种优选的实施方式中，步骤1中，将一定量的珍珠岩粉、水玻璃、CTAB加入到反应容器中，搅拌均匀；然后再加入双氧水，搅拌；然后进行步骤2的发泡；
进一步优选地，搅拌速度为400～1000rpm/min，如500rpm/min。
步骤2中，
在一种实施方式中，发泡温度为20～40℃；发泡时间为8～26h，优选为12～24h。
在一种优选的实施方式中，发泡温度为25～35℃，如30℃，35℃；发泡时间为12～24h，如24h。
本发明中，将步骤1得到的混合物浆料置于模具中理平，发泡，发泡模具选择为半封闭模具，优选为带盖模具，更优选为盖上带孔的模具，如在盖的表面均匀分布有孔洞，孔洞的总面积占盖的总面积的40～60％。
本发明人认为，双氧水由于自身的分解，在发泡过程中分解出氧气，使得浆料内部膨胀形成气泡，从而降低材料的密度，降低其导热系数。
本发明人发现，在35℃下发泡，发泡时间为24h时，所得到的初步膨胀的珍珠岩浆料在经过后续步骤后而获得的最终保温材料的密度更低，导热系数更低，在保持强度的同时软化系数更高。
步骤3中，
在一种实施方式中，步骤3中，所述加热再发泡包括子步骤(I)45～65℃下烘干，以及子步骤(II)150～500℃下热处理；
在一种优选的实施方式中，子步骤(I)中，温度为50℃，时间为12～36h，如24h；子步骤(II)中，温度为150～450℃，如150℃，200℃，250℃，300℃，350℃，400℃，450℃；时间为4～50min，优选为5～45min，更优选为10～45min；
所述冷却为加热再造孔完成后立即(优选在0.1-1min内)取出产品冷却或关闭热源后不取出样品自然冷却。
本发明人发现，采用本发明的加热再发泡的热处理方式和热处理温度，所得到的最终产品的导热系数更低，软化系数更高，软化系数能够由0提升至0.8左右，同时导热系数降低10～20％。
本发明人认为，子步骤(I)中的加热温度和加热时间，可以将样品中的部分水挥发，以有利于子步骤(II)中的水玻璃的发泡、CTAB的分解，从而得到不同级别的孔而实现孔的级配，从而使得最终产品的性能更为优异。
在一种优选的实施方式中，子步骤(II)中，先将加热装置预热到所需温度；
本发明人发现，先将加热装置比如马弗炉，加热到所需温度(150～450℃)，然后再将子步骤(I)中得到的初步发泡的珍珠岩放进加热装置，使得样品能够瞬间升温；
本发明人认为，这可能是因为，这种热处理方式，一方面使得水玻璃发泡，在孔壁上形成次级孔，孔径范围在10μm～50μm之间，此过程中可以显著提高样品的软化系数；另一方面，CTAB持续分解进一步形成较小的孔，孔径范围在50nm～200nm；从而通过孔的级配，显著降低样品的密度和导热系数，并同时保持样品的强度。
根据本发明的第二方面，提供上述第一方面所述方法的用途，用于制备珍珠岩无机保温材料，该保温材料用作外墙保温材料或隔热材料。
根据本发明提供的一种提高常温发泡珍珠岩基无机保温板性能的技术，具有以下有益效果：
(1)本发明所提供的提高常温发泡珍珠岩基无机保温板性能的技术简便易行；
(2)本发明提供的方法克服了传统高温膨胀珍珠岩的高能耗等缺陷，更有利于推广应用；
(3)本发明提供的方法制备得到的珍珠岩无机保温材料具有多级孔结构，可以有效降低保温材料密度(密度在0.27g/cm3～0.12g/cm3)、降低导热系数(导热系数在0.067～0.040W/(m〃K))，同时提高软化系数(可达0.8左右)，并保持了较高的强度；
(4)本发明的方法制备的新型珍珠岩无机保温材料能够用于外墙保温材料或隔热材料，保温性好，耐水性好。
实施例
实施例1
将50g珍珠岩粉，62.5g水玻璃，0.5g CTAB置于反应釜中混合，搅拌均匀，搅拌速度500rpm/min，搅拌9min；将2.0g双氧水溶液(30wt％)加入上述反应容器中，继续搅拌1min；
将上述混合液置于发泡模具中，35℃发泡24h；
50℃下干燥发泡24h；然后将样品快速放入预热至350℃的马弗炉中进行热处理造孔，热处理时间为30min；然后迅速取出样品自然冷却，得到最终产品，记为Z1。
实施例2～3
实施例2～3与实施例1所用方法相同，区别仅在于子步骤(II)中热处理温度分别为400℃，450℃，得到的产品记为Z2，Z3。
实施例4
本实施例与实施例2所用方法相同，区别仅在于子步骤(II)中热处理时间为15min，得到的产品记为Z4。
实施例5
本实施例与实施例2所用方法相同，区别仅在于子步骤(II)中热处理时间为45min，得到的产品记为Z5。
实施例6
本实施例与实施例2所用方法相同，区别仅在于CTAB的用量为1.0g，得到的产品记为Z6。
实施例7
本实施例与实施例6所用方法相同，区别仅在于CTAB的用量为2.0g，得到的产品记为Z7。
实施例8
本实施例与实施例1所用方法相同，区别仅在于子步骤(II)中热处理时间为55min，得到的产品记为Z8。
对比例
对比例1
本对比例与实施例1所用方法相同，区别仅在于未进行子步骤(II)中热处理过程，得到的产品记为D1。
对比例2(未加入CTAB)
本对比例与实施例2所用方法相同，区别仅在于CTAB的用量为0g，得到的产品记为D2。
对比例3～6
本对比例与实施例2所用方法相同，区别仅在于子步骤(II)中热处理温度分别为150℃，200℃，250℃，300℃，得到的产品记为D3，D4，D5，D6。
对比例7
本对比例与实施例2所用方法相同，区别仅在于子步骤(II)中热处理时间为5min，得到的产品记为D7。
实验例
实验例1样品的SEM扫描电镜分析(一)
对对比例1、实施例4中制得双氧水发泡后的样品进行扫描电镜分析，获得不同放大倍数下的样品照片，结果如图1和图2所示。其中，
图1为对比例1制得的样品的SEM图；
图2为实施例4制得的样品的SEM图。
由图1可知，样品的孔径在100μm～1mm，孔壁上几乎没有次级孔(10～50μm)的出现。
由图2可知，样品不仅具有宏观孔(100μm～1mm)，同时在孔壁上可见大量的次级孔(10～50μm)，说明热处理的确使样品发生了二次发泡的现象。
实验例2样品的SEM扫描电镜分析(二)
对对比例2、实施例6、实施例7中制得最终产品进行扫描电镜分析，结果如图3所示。
由图3可知，随着CTAB的增加，样品中三级孔含量逐渐增加，可以间接说明，热处理可以使样品中的CTAB分解，并形成介于50nm～200nm的小孔。
实验例3样品的性能分析
对实施例1～8的产品，以及对比例1～7的产品进行性能分析，包括密度、导热系数、强度以及软化系数进行分析，结果见表1，以及图4所示的热处理温度对产品密度、导热系数及软化系数的影响图(a:密度关系图；b:导热系数及软化系数图)。
其中，密度的测定方法为：将样品处理成规则形状，称量质量和测量计算样品体积，用：密度＝质量/体积的方法计算；
导热系数测定仪器为：导热系数测试仪(平板热流计法)，DRPL-IV型，湘潭湘仪仪器有限公司；
强度公式为：P＝F/S,式中P为强度，F为压裂应力，S为受力面积；
软化系数定义为：样品吸水饱和的抗压强度值与未吸水样品强度之比。
表1实施例与对比例的各产品的性能测定
编号 密度/(g/cm<sup>3</sup>) 导热系数(W/mK) 强度(MPa) 软化系数
实施例1 0.16 0.050 0.40 0.64
实施例2 0.15 0.048 0.35 0.70
实施例3 0.14 0.048 0.35 0.80
实施例4 0.17 0.052 0.39 0.75
实施例5 0.17 0.049 0.34 0.81
实施例6 0.25 0.065 0.85 0.71
实施例7 0.27 0.067 0.90 0.83
实施例8 0.17 0.048 0.30 0.81
对比例1 0.17 0.053 0.71 0
对比例2 0.30 0.076 0.71 0.6
对比例3 0.18 0.054 0.62 0.25
对比例4 0.17 0.054 0.57 0.42
对比例5 0.18 0.054 0.41 0.39
对比例6 0.17 0.052 0.49 0.55
对比例7 0.17 0.054 0.44 0.51
由表1可知，本发明提供的方法制备的新型珍珠岩无机保温材料性能优异，不仅具有较低的密度(0.14～0.27g/cm3)、导热系数(导热系数在0.067～0.040W/(m〃K))，还在保持较高的强度下具有较高的软化系数(可达0.8左右)。
由表1中还可知，由本发明的实施例和对比例比较可知，本发明产品的密度更低、导热系数更低、软化系数更高；本发明人认为，对本发明的最终产品的性能影响比较关键的因素包括珍珠岩与水玻璃的用量比，CTAB的用量，双氧水发泡的温度，子步骤(I)和子步骤(II)中热处理的温度、时间，以及加热方式(瞬间升温)。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种提高常温发泡珍珠岩基无机保温板性能的技术，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1，将珍珠岩粉、水玻璃、表面活性剂与无机发泡剂混合，搅拌均匀；
步骤2，进行常温发泡制备保温材料；
步骤3，热处理、冷却，得到具有多级孔结构的最终产品。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中，所述珍珠岩粉选自珍珠岩、珍珠岩尾砂中的一种或两种。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中，所述无机发泡剂选自碳酸氢钠、碳酸铵、亚硝酸铵、双氧水中的一种或多种，优选为双氧水，浓度5～50wt％。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中，先将珍珠岩粉与水玻璃和阳离子表面活性剂一起混合，优选为季铵盐类表面活性剂，更优选选自十四烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基溴化铵和十八烷基三甲基溴化铵中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中，先将珍珠岩粉和水玻璃一起混合，所述珍珠岩粉与水玻璃的质量比为(0.4～1.2)：1，优选为(0.5～1.1)：1。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中，发泡温度为20～40℃；发泡时间为4～48h，优选为5～36h。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3中，所述热处理工艺包括：
子步骤(I)45～65℃下烘干，以及
子步骤(II)150～500℃下加热再造孔；
所述冷却为加热再造孔完成后，自然冷却或立即(优选在0.1-1min内)取出产品降温。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，
子步骤(I)中，温度为50℃，时间为12～36h；
子步骤(II)中，温度为150～450℃，时间为4～50min，优选为5～45min，更优选为10～45min。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，子步骤(II)中，先将加热装置预热到所需温度。
10.根据权利要求1至9之一所述方法的用途，用于制备无机保温材料，优选该保温材料用作外墙保温材料或隔热材料。
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