CN111393054B - 一种低碱激发耐水地聚物材料及其制备方法和在建筑装饰板材的应用 - Google Patents

一种低碱激发耐水地聚物材料及其制备方法和在建筑装饰板材的应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低碱激发耐水地聚物材料，其组成为按照质量比组分A∶组分B＝1∶0.45～1.15；所述组分A的组成为按照质量比固态硅酸钠颗粒∶偏铝酸钠颗粒＝1∶0～1.5；所述组分B为活性硅铝胶，其组成为按照质量比硅溶胶∶活性超细氧化铝微粉∶碱性激发剂＝6～17∶2～6∶1。此外还公开了上述低碱激发耐水地聚物材料的制备方法、以及在建筑装饰板材的应用和制得的产品。本发明通过优化组成体系，在低含量碱激发的情况下能够有效增加反应物的活性，从而拥有更为致密的结构和更高的强度，同时有效改善了制品外观和稳定性；并且，本发明加工方式简单，养护时间短，适宜于工业化生产。

Description

一种低碱激发耐水地聚物材料及其制备方法和在建筑装饰板 材的应用
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，尤其涉及一种低碱激发耐水地聚物材料及其制备方法和在建筑装饰板材的应用。
背景技术
地聚物是一种以强碱激发反应生成的无机胶凝材料，一般是由活性硅铝原材料(偏高岭土、粉煤灰、赤泥等)在碱性激发剂(如氢氧化钠、水玻璃等)的作用下，通过“溶解-单体重构-缩聚”反应而制得，该材料制备过程简单，原料来源丰富，并且同时具备有机高分子材料、陶瓷材料和水泥材料的优异性能。现有技术里为促使地聚物反应均匀，均需使用大量的碱性激发剂，这不仅造成存在过量的Na+，而且也必然导致养护完成后，制品内部存在大量溶剂挥发后所形成的通孔，这些通孔成为Na+迁移的通道，过量的Na+会在湿度梯度的作用下通过这些通道迁移到材料表面，导致形成“碱花”，从而影响了制品的外观和稳定性。为此，也有研究开发在减少碱性激发剂用量的同时引入有机物作为增强手段，或者采用深层渗透胶粘密封材料做涂覆处理以封闭制品的表面孔道。然而，在长期潮湿或高温的使用环境下，有机添加剂(如树脂、聚酰胺)容易出现老化、分解，不仅难以保证强度的稳定性，而且会使得表面孔道再次打开，从而导致材料的耐水和黏结性能下降，且分解产物也有污染环境的风险。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种低碱激发耐水地聚物材料，通过优化组成体系，以便在低含量碱激发的情况下增加反应物的活性，从而拥有更为致密的结构和更高的强度，有效改善制品外观和稳定性的同时，获得优异的性能。本发明的另一目的在于提供上述低碱激发耐水地聚物材料的制备方法，以及在建筑装饰板材的应用和制得的产品。
本发明的目的通过以下技术方案予以实现：
本发明提供的一种低碱激发耐水地聚物材料，其组成为按照质量比组分A∶组分B＝1∶0.45～1.15；所述组分A的组成为按照质量比固态硅酸钠颗粒∶偏铝酸钠颗粒＝1∶0～1.5；所述组分B为活性硅铝胶，其组成为按照质量比硅溶胶∶活性超细氧化铝微粉∶碱性激发剂＝6～17∶2～6∶1。
进一步地，本发明所述组分A中固体硅酸钠颗粒的粒径为150～400目、偏铝酸钠颗粒的粒径为200～400目；所述组分B中的硅溶胶其固含量为10～30wt％，所述碱性激发剂为固体NaOH、KOH。
进一步地，本发明所述组分B中的活性超细氧化铝微粉的制备方法为：将氢氧化铝粉末研磨至粒径为0.1～0.5μm得到超细氢氧化铝粉末，然后将所述超细氢氧化铝粉末与固态氢氧化钠球磨混合后，在氮气保护下进行煅烧，得到粒径≤0.5μm的活性超细氧化铝微粉。其中，所述固态氢氧化钠的用量为超细氢氧化铝粉末的3～10wt％；所述煅烧温度为700～1000℃，保温时间为15～45分钟。
本发明的另一目的通过以下技术方案予以实现：
本发明提供的上述低碱激发耐水地聚物材料的制备方法为：将所述组分A、组分B充分混合反应后，在40℃温度下养护2～4小时、在60～90℃温度下养护3～4小时、在100～120℃温度下养护20～48小时。
本发明提供的上述低碱激发耐水地聚物材料在建筑装饰板材的应用，以骨料、上述地聚物材料的组成为建筑装饰板材的原料，外加增强纤维进行混合、养护；按照质量比所述骨料∶地聚物材料的组成＝1∶0.11～0.25，所述增强纤维的用量为骨料的0～5wt％。
上述方案中，本发明建筑装饰板材的制备方法，包括以下步骤：
(1)将所述骨料与所述地聚物材料组分A的各组成、增强纤维搅拌混合10～25分钟后，再加入所述地聚物材料组分B的各组成继续搅拌混合，得到混合料；
(2)所述混合料在2～20MPa压力下成型后，在40℃温度下养护2～4小时、在60～90℃温度下养护3～4小时、在100～120℃温度下养护20～48小时，即制得建筑装饰板材。
进一步地，本发明所述骨料为锆英砂、石英砂、陶瓷废料、偏高岭土中的一种或其组合；所述骨料的粒度组成为细颗粒35～50wt％、中颗粒25～55wt％、粗颗粒5～20wt％；所述细颗粒、中颗粒、粗颗粒的粒径范围分别为0.001～0.05mm、0.05～1.0mm、1～2mm。
进一步地，本发明所述增强纤维为木质增强纤维，其制备方法为：以粒度≤0.18mm的杨木木屑和/或桦木木屑为原料，加入用量分别为杨木木屑和/或桦木木屑0.5～1.3wt％、3.7～5.8wt％、8～11wt％的氢氧化钠、硅酸锂、硅溶胶混合后，采用浸渍工艺改性处理8～24小时，经干燥后获得木质增强纤维。
基于上述低碱激发耐水地聚物材料在建筑装饰板材的应用制得的产品。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明耐水地聚物材料，能够有效减少“碱花”形成。该地聚物材料以固态硅酸钠颗粒，偏铝酸钠和活性硅铝胶为主要成分。当该地聚物材料与骨料混合后，其中的固体硅酸钠颗粒吸收活性硅铝胶中的水分，表面部分溶解后变成粘稠态，可在成型压力作用下挤压填充骨料颗粒的缝隙中，提高产品的致密性。固态硅酸钠还与活性硅铝胶反应形成粘结性能优良的胶凝材料，包覆于骨料颗粒表面，增强了颗粒的结合力；偏铝酸钠在养护过程中持续的释放出OH-，有助于促进Si-O键断键-缩聚过程，产生胶黏作用，提升产品的机械强度。这些胶凝材料能有效填充骨料中的缝隙，并利用其胶凝体的特性，减少产品中连续孔道的形成，有助于减少碱析出。
(2)本发明组成体系实施方法简单，可在温和的养护条件下，低含量碱激发生成高强度的地聚物。由于目前偏高岭土基的地聚物材料反应活性低，因此所需养护条件苛刻且时间较长，一般为数周到数月。本发明由于采用经改性的超细氧化铝具有较高的反应活性，能够在少量碱性激发剂的条件下促进Si-O键的解聚，形成高聚合度的无定形三维网状聚合铝硅酸盐，而这种聚合体的致密度相对于常规的偏高岭土基地聚物材料，拥有更致密的结构，与相应的骨料进行混合所制备的建筑板材可获得更高的强度(抗弯强度平均值＞35MPa，高温加热至800℃后的抗折强度为＞39MPa)，因此，所需的养护条件要求更低，可以在低温(100℃左右)和数天内完成养护。
(3)本发明可快速胶凝的地聚物材料应用于建筑装饰板材的制备，其加工方式简单，养护时间短，适宜于工业化生产。
下面将结合实施例对本发明作进一步的详细描述。
具体实施方式
本发明实施例采用的低碱激发耐水地聚物材料，其组成为按照质量比组分A∶组分B＝1∶0.45～1.15。其中，组分A的组成为按照质量比固态硅酸钠颗粒(粒径为150～400目)∶偏铝酸钠颗粒(粒径为200～400目)＝1∶0～1.5；组分B为活性硅铝胶，其组成为按照质量比硅溶胶∶活性超细氧化铝微粉∶碱性激发剂＝6～17∶2～6∶1，其中硅溶胶的固含量为30wt％，碱性激发剂为固体NaOH、KOH。
实施例一：
本实施例一种建筑装饰板材，以骨料、上述地聚物材料的组成为原料，外加增强纤维。其中，骨料的制备方法如下：称取细颗粒(粒径0.001～0.05mm)锆英砂16.29千克、中颗粒(粒径0.05～1.0mm)锆英砂14.48千克、粗颗粒(粒径1～2mm)锆英砂5.43千克，置于高速搅拌机中搅拌混合5小时，随后加入5.4千克偏高岭土继续搅拌5小时，得到41.6千克骨料。
地聚物材料组分B中的活性超细氧化铝微粉的制备方法如下：将1.6千克化学纯氢氧化铝粉末放入行星式球磨机(氧化锆球子
Figure BDA0002418754050000041
为1～6mm，料球比为1∶9.3)中机械研磨10小时，得到粒径为0.1～0.5μm超细氢氧化铝粉末，然后将该超细氢氧化铝粉末与48克固态氢氧化钠球磨混合后，在氮气保护下于800℃温度煅烧、保温15分钟，得到1.04千克粒径为0.5μm的活性超细氧化铝微粉。
增强纤维为木质增强纤维，其制备方法如下：称取1.46千克桦木木屑(粒度≤0.18mm)与14.6克的氢氧化钠、73克硅酸锂与146克硅溶胶(固含量为10wt％)混合后，常温常压下浸渍改性处理8小时，取出后气干至50％的含水率，经缓慢干燥至零含水率后，获得1.6千克木质增强纤维。
本实施例上述建筑装饰板材的制备方法，其步骤如下：
(1)将上述骨料与4.3千克固态硅酸钠颗粒，外加1.6千克增强纤维混合后，置于高速搅拌分散机中混合25分钟，然后加入2.65千克硅溶胶、上述超细氧化铝微粉、0.4千克固体氢氧化钠继续搅拌30分钟，得到混合料；
(2)将上述混合料在15MPa的压力下进行振动压力成型，试样脱模后进行养护，养护制度为：40℃温度下养护2小时、70℃温度下养护3.5小时、100℃温度下养护24小时，即制得建筑装饰板材。
经测试，本实施例制得的建筑装饰板材试样抗弯强度平均值为40.6MPa，高温加热至800℃后的抗折强度为45.2MPa，试样外观未有破坏，在自来水中浸泡(按照质量比试样∶水＝1∶15)72小时后pH值为8.5，未出现溃散现象。
实施例二：
本实施例一种建筑装饰板材，以骨料、上述地聚物材料的组成为原料，外加增强纤维。其中，骨料的制备方法如下：称取细颗粒(粒径0.001～0.05mm)日用瓷废料22.625千克、中颗粒(粒径0.05～1.0mm)日用瓷废料13.575千克、粗颗粒(粒径1～2mm)日用瓷废料9.05千克，置于高速搅拌机中搅拌混合10小时，得到45.25千克骨料。
地聚物材料组分B中的活性超细氧化铝微粉的制备方法如下：将0.95千克化学纯氢氧化铝粉末放入行星式球磨机(氧化锆球子
Figure BDA0002418754050000051
为1～6mm，料球比为0.5∶9.7)中机械研磨17.5小时，得到粒径为0.1～0.5μm超细氢氧化铝粉末，然后将该超细氢氧化铝粉末与28.5克固态氢氧化钠球磨混合后，在氮气保护下于780℃温度煅烧、保温45分钟，得到0.62千克粒径为0.38μm的活性超细氧化铝微粉。
增强纤维为木质增强纤维，其制备方法如下：称取2.06千克桦木木屑(粒度≤0.18mm)与20.6克氢氧化钠、10.3克硅酸锂与206克硅溶胶(固含量为10wt％)混合后，在常温常压下浸渍改性处理18小时，取出后气干至50％的含水率，经缓慢干燥至零含水率后，获得2.25千克木质增强纤维。
本实施例上述建筑装饰板材的制备方法，其步骤如下：
(1)将上述骨料与1.99千克固态硅酸钠颗粒、280克偏铝酸钠颗粒，外加2.25千克增强纤维混合后，置于高速搅拌分散机中混合15分钟，然后加入1.74千克硅溶胶、上述活性超细氧化铝微粉、110克氢氧化钾继续搅拌30分钟，得到混合料；
(2)将上述混合料在20MPa的压力下进行振动压力成型，试样脱模后进行养护，养护制度为：40℃温度下养护2.5小时、70℃温度下养护4小时、100℃温度下养护46小时，即制得建筑装饰板材。
经测试，本实施例制得的建筑装饰板材试样抗弯强度平均值为35.5MPa，高温加热至800℃后的抗折强度为39.9MPa，试样外观未有破坏，在自来水中浸泡(按照质量比试样∶水＝1∶15)72小时后pH值为9，未出现溃散现象。
实施例三：
本实施例一种建筑装饰板材，以骨料、上述地聚物材料的组成为原料，外加增强纤维。其中，骨料的制备方法如下：称取细颗粒(粒径0.001～0.05mm)石英砂16千克、中颗粒(粒径0.05～1.0mm)石英砂20.8千克、粗颗粒(粒径1～2mm)石英砂7.2千克，置于高速搅拌机中搅拌混合8小时，得到44千克骨料。
地聚物材料组分B中的活性超细氧化铝微粉的制备方法如下：将0.78千克化学纯氢氧化铝粉末放入行星式球磨机(氧化锆球子
Figure BDA0002418754050000052
为1～6mm，料球比为1∶8.9)中机械研磨35小时，得到粒径为0.1～0.5μm超细氢氧化铝粉末，然后将该超细氢氧化铝粉末与39克固态氢氧化钠球磨混合后，在氮气保护下于1000℃温度煅烧、保温30分钟，得到0.51千克粒径为0.24μm的活性超细氧化铝微粉。
本实施例上述建筑装饰板材的制备方法，其步骤如下：
(1)将上述骨料与1.925千克固态硅酸钠颗粒、1.925千克偏铝酸钠颗粒混合后，置于高速搅拌分散机中混合22分钟，然后加入1.44千克硅溶胶、上述活性超细氧化铝微粉、200克氢氧化钾继续搅拌30分钟，得到混合料；
(2)将上述混合料在14MPa的压力下进行振动压力成型，试样脱模后进行养护，养护制度为：40℃温度下养护4小时、78℃温度下养护4小时、112℃温度下养护39小时，即制得建筑装饰板材。
经测试，本实施例制得的建筑装饰板材试样抗弯强度平均值为37.5MPa，高温加热至800℃后的抗折强度为40.9MPa，试样外观未有破坏，在自来水中浸泡(按照质量比试样∶水＝1∶15)72小时后pH值为8.4，未出现溃散现象。

Claims (8)

1.一种低碱激发耐水地聚物材料，其特征在于：组成为按照质量比组分A∶组分B＝1∶0.45～1.15；所述组分A的组成为按照质量比固态硅酸钠颗粒∶偏铝酸钠颗粒＝1∶0～1.5，不包括0；所述组分B为活性硅铝胶，其组成为按照质量比硅溶胶∶活性超细氧化铝微粉∶碱性激发剂＝6～17∶2～6∶1；
其中，所述组分B中的活性超细氧化铝微粉的制备方法为：将氢氧化铝粉末研磨至粒径为0.1～0.5μm得到超细氢氧化铝粉末，然后将所述超细氢氧化铝粉末与用量为超细氢氧化铝粉末的3～10wt%的固态氢氧化钠球磨混合后，在氮气保护下进行煅烧，煅烧温度为700～1000℃，保温时间为15～45分钟，得到粒径≤0.5μm的活性超细氧化铝微粉。
2.根据权利要求1所述的低碱激发耐水地聚物材料，其特征在于：所述组分A中固体硅酸钠颗粒的粒径为150～400目、偏铝酸钠颗粒的粒径为200～400目；所述组分B中的硅溶胶其固含量为10～30wt%，所述碱性激发剂为固体NaOH或KOH。
3.权利要求1或2所述低碱激发耐水地聚物材料的制备方法，其特征在于：将所述组分A、组分B充分混合反应后，在40℃温度下养护2～4小时、在60～90℃温度下养护3～4小时、在100～120℃温度下养护20～48小时。
4.权利要求1或2所述低碱激发耐水地聚物材料在建筑装饰板材的应用，其特征在于：以骨料、所述地聚物材料的组成为建筑装饰板材的原料，外加增强纤维进行混合、养护；按照质量比所述骨料∶地聚物材料的组成＝1∶0.11～0.25，所述增强纤维的用量为骨料的0～5wt%。
5.根据权利要求4所述的低碱激发耐水地聚物材料在建筑装饰板材的应用，其特征在于：所述建筑装饰板材的制备方法包括以下步骤：
(1) 将所述骨料与所述地聚物材料组分A的各组成、增强纤维搅拌混合10～25分钟后，再加入所述地聚物材料组分B的各组成继续搅拌混合，得到混合料；
(2) 所述混合料在2～20MPa压力下成型后，在40℃温度下养护2～4小时、在60～90℃温度下养护3～4小时、在100～120℃温度下养护20～48小时，即制得建筑装饰板材。
6.根据权利要求4或5所述的低碱激发耐水地聚物材料在建筑装饰板材的应用，其特征在于：所述骨料为锆英砂、石英砂、陶瓷废料、偏高岭土中的一种或其组合；所述骨料的粒度组成为细颗粒35～50wt%、中颗粒25～55wt%、粗颗粒5～20wt%；所述细颗粒、中颗粒、粗颗粒的粒径范围分别为0.001～0.05mm、0.05～1.0mm、1～2mm。
7.根据权利要求4或5所述的低碱激发耐水地聚物材料在建筑装饰板材的应用，其特征在于：所述增强纤维为木质增强纤维，其制备方法为：以粒度≤0.18mm的杨木木屑和/或桦木木屑为原料，加入用量分别为杨木木屑和/或桦木木屑0.5～1.3wt%、3.7～5.8wt%、8～11wt%的氢氧化钠、硅酸锂、硅溶胶混合后，采用浸渍工艺改性处理8～24小时，经干燥后获得木质增强纤维。
8.基于权利要求4-7之一所述低碱激发耐水地聚物材料在建筑装饰板材的应用制得的产品。
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