CN112661477B

CN112661477B - 改性聚苯乙烯-碱式硫酸镁水泥复合保温材料的制备方法

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Publication number: CN112661477B
Application number: CN202110026956.9A
Authority: CN
Inventors: 方莉; 周冬冬; 杨巧珍; 程芳琴
Original assignee: Shanxi University
Current assignee: Shanxi University
Priority date: 2021-01-09
Filing date: 2021-01-09
Publication date: 2022-05-20
Anticipated expiration: 2041-01-09
Also published as: CN112661477A

Abstract

本发明涉及建筑保温材料领域，具体涉及改性聚苯乙烯‑碱式硫酸镁水泥复合保温材料的制备方法。所述复合发泡保温材料是一种以聚苯乙烯泡沫颗粒为骨料，碱式硫酸镁水泥为粘结剂，超细粉煤灰为矿物掺合料，双氧水为发泡剂，十四烷基二甲基甜菜碱为稳泡剂，经过聚苯乙烯泡沫颗粒表面改性、发泡、高速混合、常温养护而成的一种新型轻质、有机无机复合保温材料。本发明制备的复合保温材料，不仅具有质轻高强、保温性能好、难燃、吸水率低等优点，还与墙体具有很好的粘结性，既可单独作为具有保温功能的墙体填充材料，也可用作外墙保温材料。

Description

改性聚苯乙烯-碱式硫酸镁水泥复合保温材料的制备方法

技术领域

本发明涉及建筑保温材料领域，具体涉及改性聚苯乙烯-碱式硫酸镁水泥复合保温材料的制备方法。

背景技术

采用优质的保温材料是减少建筑能耗的有效方法。碱式硫酸镁保温材料是一种质轻高强的以碱式硫酸镁水泥为基材的优质保温材料，其主要水化产物是针杆状的碱式硫酸镁晶体((5Mg(OH)₂·MgSO₄·7H₂O)，简称5·1·7相)。CN110627526B提出的一种轻质高强碱式硫酸镁发泡保温材料及其制备方法就是通过针杆状形貌的碱式硫酸镁晶体相互交错生长制备的机械性能及保温性能优异的多孔材料。但是本材料仍然存在一些问题，对于低密度(<300kg/m³)的保温材料的制备仅通过CN110627526B中提到的物理搅拌发泡法难以实现，并且所制得的保温材料存在吸水率偏高的问题。对于低密度保温材料的制备通常通过有机无机复合的方法，如专利CN103408321B提出一种苯乙烯泡沫颗粒-氯氧镁水泥复合保温材料及其制备方法，通过氯氧镁水泥浆体先发泡再与EPS颗粒混合的方式制备，其泡沫颗粒掺量达到1.83～5.61％，通过乱向纤维与定向网片增强制备出密度为228～480kg/m³，抗压强度为0.38～1.65MPa，导热系数为0.064-0.142W/(m·K)的保温材料，但其同等密度下的力学性能达不到现行蒸压加气混凝土砌块对应的标准。专利CN105968789B提出一种轻质有机—无机复合保温材料及其制备方法，由聚氨酯泡沫、纳米沸石、多孔纤维复合气凝胶、改性介孔C-SiO₂纳米球复合制备而成。聚氨酯泡沫的质量分数为60-70％，通过新型多孔纤维复合气凝胶改性，制备出压缩强度不小于250kPa，导热系数不大于0.02W/(m·K)的保温材料。但其制备流程复杂，制备过程时间长，其中还涉及到苯酚、甲醛等化学试剂，可能对实验人员的安全或者环境造成较大的影响。此外，EPS、聚氨酯等有机高分子材料属于非极性材料，与水泥浆体相容性差，导致分散性差，与水泥浆体界面粘结力弱，容易出现砂浆分层现象，因此需要对EPS泡沫颗粒进行改性。

鉴于此，本发明的改性EPS-BMS复合发泡材料以苯丙乳液改性后包裹无机亲水薄层的EPS为骨料，碱式硫酸镁水泥为粘结剂，粉煤灰为矿物掺合料，表面活性剂十四烷基二甲基甜菜碱为稳泡剂，双氧水为发泡剂，通过包衣机均匀布料工艺、苯丙乳液协同无机粉料在EPS表面形成可控厚度的无机亲水薄层以及物理化学协同发泡的方法制备了改性聚苯乙烯-碱式硫酸镁水泥复合保温材料。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种改性聚苯乙烯-碱式硫酸镁水泥复合保温材料及其制备方法，该发泡保温材料通过有机泡沫协同无机发泡的方式制备，以大量针杆状5·1·7相碱式硫酸镁晶体为基体材料、EPS泡沫颗粒为轻质填料、质轻高强、保温性能优异。

为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

改性聚苯乙烯-碱式硫酸镁水泥复合保温材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，按活性氧化镁与硫酸镁摩尔比为5:1称取活性氧化镁与七水硫酸镁；

步骤2，聚苯乙烯(EPS)泡沫颗粒表面改性：将聚苯乙烯泡沫颗粒加入到包衣机中，启动包衣机开始转动，将改性用苯丙乳液均匀喷洒到聚苯乙烯泡沫颗粒的表面，当聚苯乙烯泡沫颗粒表面完全润湿后滤除多余改性用苯丙乳液；然后将纳米二氧化硅与部分活性氧化镁混合粉料加入到包衣机中继续转动，待聚苯乙烯泡沫颗粒表面完全被粉料包裹后，得到改性聚苯乙烯泡沫颗粒，取出备用，并收集多余粉料；

步骤3，碱式硫酸镁(BMS)水泥发泡浆体的制备：将苯丙乳液、柠檬酸、碘化钾、七水硫酸镁、水混合后得到混合溶液中硫酸镁浓度为2.4mol/L，再加入十四烷基二甲基甜菜碱并高速搅拌，得到原溶液体积的110～130％的微发泡溶液；将超细粉煤灰及制浆需水、剩余活性氧化镁及步骤2收集的多余粉料均匀混合后加入到微发泡溶液中，继续搅拌得到碱式硫酸镁水泥微发泡浆体；

步骤4，改性聚苯乙烯-碱式硫酸镁水泥复合保温材料的制备：将步骤2得到的改性聚苯乙烯泡沫颗粒加入到步骤3得到的碱式硫酸镁水泥微发泡浆体中，充分搅拌混合后加入双氧水，继续搅拌后浇筑到模具(70mm×70mm×70mm及300mm×300mm×30mm)中，室温下空气中养护后脱模，并继续养护至测试龄期，得到改性聚苯乙烯-碱式硫酸镁水泥复合保温材料。

进一步，所述步骤2中包衣机的转速为30～70r/min。

更进一步，所述包衣机的转速为40～60r/min。

进一步，所述步骤2中改性用苯丙乳液的固含量为5～10％；所述聚苯乙烯泡沫颗粒的直径为1～5mm，加入量为步骤1中活性氧化镁质量的2～10％；所述纳米二氧化硅粒径为10～200nm，加入量为步骤1中活性氧化镁质量的1～5％，与粉料中部分活性氧化镁的质量比为1～3:1。

进一步，所述步骤2中聚苯乙烯泡沫颗粒表面完全被粉料包裹，具体为：粉料包裹厚度为聚苯乙烯泡沫颗粒直径的5％～20％。

进一步，所述步骤3中苯丙乳液的固含量为55％，加入量为步骤1中活性氧化镁质量的2～10％；所述柠檬酸的加入量为步骤1中活性氧化镁质量的1％；所述碘化钾加入量为双氧水质量的1～5％；所述十四烷基二甲基甜菜碱加入量为步骤1中活性氧化镁质量的0.1～0.4％；所述超细粉煤灰的粒径为1～10μm，加入量为步骤1中活性氧化镁质量的10％～50％。

进一步，所述步骤3中高速搅拌的速度为2000～3000r/min。

进一步，所述步骤4中双氧水加入量为步骤1中活性氧化镁质量的1.5～5％。

进一步，所述步骤4中充分搅拌时间为5～15min；所述继续搅拌的时间为2min；所述室温下空气中养护24h；所述搅拌的速度为2000～3000r/min。

更进一步，所述充分搅拌时间为7～12min。

与现有技术相比本发明具有以下优点：

(1)将EPS泡沫颗粒在包衣机中加入苯丙乳液进行改性，由于在转动过程中颗粒之间发生相互摩擦，比简单浸泡过程更有利于传质传热，因此其表面形成的液膜不仅与EPS之间作用力更强，且具有更高的粘性和亲水性；纳米二氧化硅表面富含羟基，极易被吸附在亲水改性后的EPS泡沫颗粒表面，同时使被粉料均匀包裹的EPS泡沫颗粒更容易在BMS水泥浆体中均匀分散；此外，EPS外层裹粉层中的活性氧化镁和纳米二氧化硅均可参与水化反应，在EPS颗粒表面形成碱式硫酸镁针杆状晶体和水合硅酸镁胶凝相，进一步改善了EPS泡沫颗粒与BMS水泥之间的界面相容性，提高了材料的稳定性和力学强度。

(2)苯丙乳液是由硬单体苯乙烯和丙烯酸酯单体经乳液共聚而得的一种非交联型乳液，可在BMS水泥胶凝相表面形成力学性能好、耐水、耐老化的聚合物薄膜，不仅可提高材料的力学强度，还可以提高材料的耐水性。

(3)轻质的有机泡沫颗粒及碱式硫酸镁基体不仅可以极大降低保温材料的密度，提高材料的保温性能，而且通过与物理、化学协同发泡法耦合进一步增加材料的孔隙率，提高材料的性能。

(4)本发明制备的复合保温材料，既可单独作为具有保温功能的墙体填充材料，也可用作外墙保温材料，并且养护条件要求低，易于实现工业化生产。

附图说明

图1为改性前后试块的EPS与BMS界面对比图；

图2对比实施例和实施例1～4制备的保温材料的XRD图。

具体实施方式

下面通过具体实施例来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述具体实施方式仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

对比实施例

聚苯乙烯-碱式硫酸镁水泥复合保温材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)按活性氧化镁与硫酸镁的摩尔比为5:1，称取活性氧化镁491.22g与七水硫酸镁555.38g；

(2)BMS发泡浆体的制备：将29g苯丙乳液、4.53g柠檬酸、0.2g碘化钾、555.38g七水硫酸镁加水混合后得到混合溶液中硫酸镁浓度为2.4mol/L，再加入1.96g十四烷基二甲基甜菜碱并以2000r/min的转速高速搅拌得到原溶液体积的120％的微发泡溶液；将98g粒径为1μm的超细粉煤灰、491.22g活性氧化镁、5g平均粒径为50nm的纳米二氧化硅均匀混合后加入到微发泡溶液中得到微发泡浆体；

(3)EPS-BMS复合保温材料的制备：将9.8g EPS泡沫颗粒加入到步骤(2)得到的微发泡浆体中，以速度为2000r/min充分搅拌混合5min后，加入9.8g的双氧水继续以相同的转速搅拌2min后，浇筑到模具(70mm×70mm×70mm及300mm×300mm×30mm)中，室温下空气中养护24h后脱模，并继续养护至测试龄期，得到聚苯乙烯-碱式硫酸镁水泥复合保温材料。

本实施例制得的聚苯乙烯-碱式硫酸镁水泥复合保温材料的性能指标见表1。

实施例1

步骤1，按活性氧化镁与硫酸镁的摩尔比为5:1，称取活性氧化镁491.22g与七水硫酸镁555.38g；(活性氧化镁分步骤2和步骤3使用)

步骤2，EPS泡沫颗粒表面改性：将9.8g直径为1mm的EPS泡沫颗粒加入到包衣机中，启动包衣机以40r/min的速度开始转动，将固含量为8％的改性用苯丙乳液均匀喷洒到EPS泡沫颗粒的表面，将EPS泡沫颗粒完全润湿，润湿后将多余改性用苯丙乳液过滤除去；将5g平均粒径为50nm的纳米二氧化硅与2.45g活性氧化镁混合后，均匀撒到润湿后的EPS泡沫颗粒的表面继续转动，待EPS泡沫颗粒表面完全被粉料包裹后(粉料包裹厚度为聚苯乙烯泡沫颗粒直径的5％)，将其取出备用，并收集多余粉料；

步骤3，BMS发泡浆体的制备：将29g固含量为55％的苯丙乳液、4.53g柠檬酸、0.2g碘化钾、555.38g七水硫酸镁与水混合后得到混合溶液中硫酸镁浓度为2.4mol/L，加入1.96g十四烷基二甲基甜菜碱以2000r/min的转速高速搅拌得到原溶液体积的120％的微发泡溶液；将98g粒径为1μm的超细粉煤灰、481.77g活性氧化镁及收集的多余粉料均匀混合后加入到微发泡溶液中得到微发泡浆体；

步骤4，EPS-BMS复合保温材料的制备：将步骤2得到的包裹后的有机泡沫颗粒加入到步骤步骤3得到的微发泡浆体中，以速度为2000r/min充分搅拌混合5min后，加入9.8g双氧水继续以相同的转速搅拌2min后，浇筑到模具(70×70×70mm及300×300×30mm)中，室温下空气中养护24h后脱模，并继续养护至测试龄期，得到改性聚苯乙烯-碱式硫酸镁水泥复合保温材料。

本实施例制得的改性聚苯乙烯-碱式硫酸镁水泥复合保温材料的性能指标见表1。

实施例2

步骤1，按活性氧化镁与硫酸镁的摩尔比为5:1，称取氧化镁491.22g与七水硫酸镁555.38g；(活性氧化镁分步骤2和步骤3使用)

步骤2，EPS泡沫颗粒表面改性：将29.4g直径为3mm的EPS泡沫颗粒加入到包衣机中，启动包衣机以50r/min的速度开始转动，将固含量为10％的改性用苯丙乳液均匀喷洒到EPS泡沫颗粒的表面，将EPS泡沫颗粒完全润湿，润湿后将多余改性用苯丙乳液过滤除去；将15g平均粒径为200nm的纳米二氧化硅与7.35g活性氧化镁混合后，均匀撒到润湿后的EPS泡沫颗粒的表面继续转动，待EPS泡沫颗粒表面完全被粉料包裹后(粉料包裹厚度为聚苯乙烯泡沫颗粒直径的15％)，将其取出备用，并收集多余粉料；

步骤3，BMS发泡浆体的制备：将49g固含量为55％的苯丙乳液、4.53g柠檬酸、0.59g碘化钾、555.38g七水硫酸镁与水混合后得到混合溶液中硫酸镁浓度为2.4mol/L，加入1.47g十四烷基二甲基甜菜碱以3000r/min的转速高速搅拌得到原溶液体积的115％的微发泡溶液；将49g粒径为10μm的超细粉煤灰、53.9g水、483.87g活性氧化镁及收集的多余粉料均匀混合后加入到微发泡溶液中得到微发泡浆体；

步骤4，EPS-BMS复合保温材料的制备：将步骤2得到的包裹后的有机泡沫颗粒加入到步骤步骤3得到的微发泡浆体中，以速度为3000r/min充分搅拌混合12min后，加入14.71g双氧水继续以相同的转速搅拌2min后，浇筑到模具(70×70×70mm及300×300×300mm)中，室温下空气中养护24h后脱模，并继续养护至测试龄期，得到改性聚苯乙烯-碱式硫酸镁水泥复合保温材料。

实施例3

步骤2，EPS泡沫颗粒表面改性：将39.22g直径为4mm的EPS泡沫颗粒加入到包衣机中，启动包衣机以30r/min的速度开始转动，将固含量为6％的改性用苯丙乳液均匀喷洒到EPS泡沫颗粒的表面，将EPS泡沫颗粒完全润湿，润湿后将多余改性用苯丙乳液过滤除去；将20g平均粒径为150nm的纳米二氧化硅与9.80g活性氧化镁混合后，均匀撒到润湿后的EPS泡沫颗粒的表面继续转动，待EPS泡沫颗粒表面完全被粉料包裹后(粉料包裹厚度为聚苯乙烯泡沫颗粒直径的20％)，将其取出备用，并收集多余粉料；

步骤3，BMS发泡浆体的制备：将20g固含量为55％的苯丙乳液、4.53g柠檬酸、0.59g碘化钾、555.38g七水硫酸镁与水混合后得到混合溶液中硫酸镁浓度为2.4mol/L，加入0.49g十四烷基二甲基甜菜碱以2000r/min的转速高速搅拌得到原溶液体积的110％的微发泡溶液；将245g粒径为8μm的超细粉煤灰、269.5g水、480.42g活性氧化镁及收集的多余粉料均匀混合后加入到微发泡溶液中得到微发泡浆体；

步骤4，EPS-BMS复合保温材料的制备：将步骤2得到的包裹后的有机泡沫颗粒加入到步骤步骤3得到的微发泡浆体中，以速度为2000r/min充分搅拌混合15min后，加入19.61g双氧水继续以相同的转速搅拌2min后，浇筑到模具(70×70×70mm及300×300×300mm)中，室温下空气中养护24h后脱模，并继续养护至测试龄期，得到改性聚苯乙烯-碱式硫酸镁水泥复合保温材料。

实施例4

步骤2，EPS泡沫颗粒表面改性：将49.02g直径为5mm的EPS泡沫颗粒加入到包衣机中，启动包衣机以70r/min的速度开始转动，将固含量为9％的改性用苯丙乳液均匀喷洒到EPS泡沫颗粒的表面，将EPS泡沫颗粒完全润湿，润湿后将多余改性用苯丙乳液过滤除去；将25g平均粒径为10nm的纳米二氧化硅与12.25g活性氧化镁混合后，均匀撒到润湿后的EPS泡沫颗粒的表面继续转动，待EPS泡沫颗粒表面完全被粉料包裹后(粉料包裹厚度为聚苯乙烯泡沫颗粒直径的30％)，将其取出备用，并收集多余粉料；

步骤3，BMS发泡浆体的制备：将44g固含量为55％的苯丙乳液、4.53g柠檬酸、1.23g碘化钾、555.38g七水硫酸镁与水混合后得到混合溶液中硫酸镁浓度为2.4mol/L，加入2.45g十四烷基二甲基甜菜碱以2000r/min的转速高速搅拌得到原溶液体积的130％的微发泡溶液；将196g粒径为1μm的超细粉煤灰、215.6g水、478.96g活性氧化镁及收集的多余粉料均匀混合后加入到微发泡溶液中得到微发泡浆体；

步骤4，EPS-BMS复合保温材料的制备：将步骤2得到的包裹后的有机泡沫颗粒加入到步骤步骤3得到的微发泡浆体中，以速度为2000r/min充分搅拌混合5min后，加入24.51g双氧水继续以相同的转速搅拌2min后，浇筑到模具(70×70×70mm及300×300×300mm)中，室温下空气中养护24h后脱模，并继续养护至测试龄期，得到改性聚苯乙烯-碱式硫酸镁水泥复合保温材料。

表1聚苯乙烯-碱式硫酸镁水泥复合保温材料的性能指标

从表1可以看出，实施例1～4所制得的改性聚苯乙烯-碱式硫酸镁水泥复合保温材料，密度高于300kg/m³时，其性能优于同等密度下国标《蒸压加气混凝土砌块》(GB 11968-2006)优等品的标准。密度高于250kg/m³时，其性能优于同等密度下国标《水泥基泡沫保温板》(JC/T 2200-2013)。

从图1中上侧的截面图可以看出未改性的试块截面明显存在泡沫颗粒分布不均的问题，而改性后EPS在BMS水泥中的分散均匀性明显提高。

从图1中下侧的微观图可以发现未改性的试块中EPS与BMS水泥基体之间明显存在比较大的间隙，表明其相容性差，界面粘结力弱，而经过改性后的试块中，EPS与BMS水泥基体之间粘结紧密，并且在EPS表面有较多针杆状晶体，表明经过改性后，EPS与BMS基体之间的界面粘结力增强。

从图2中各保温材料的XRD衍射峰可以看出，水化产物均以5·1·7相碱式硫酸镁晶体为主。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此，所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims

1.改性聚苯乙烯-碱式硫酸镁水泥复合保温材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤2，聚苯乙烯泡沫颗粒表面改性：将聚苯乙烯泡沫颗粒加入到包衣机中，启动包衣机开始转动，将改性用苯丙乳液均匀喷洒到聚苯乙烯泡沫颗粒的表面，当聚苯乙烯泡沫颗粒表面完全润湿后滤除多余改性用苯丙乳液；然后将纳米二氧化硅与部分活性氧化镁混合粉料加入到包衣机中继续转动，待聚苯乙烯泡沫颗粒表面完全被粉料包裹后，得到改性聚苯乙烯泡沫颗粒，取出备用，并收集多余粉料；

所述改性用苯丙乳液的固含量为5~10%；所述聚苯乙烯泡沫颗粒的直径为1~5 mm，加入量为步骤1中活性氧化镁质量的2~10%；所述纳米二氧化硅平均粒径为10~200 nm，加入量为步骤1中活性氧化镁质量的1~5%，与粉料中部分活性氧化镁的质量比为1~3:1；

所述聚苯乙烯泡沫颗粒表面完全被粉料包裹，具体为：粉料包裹厚度为聚苯乙烯泡沫颗粒直径的5%~20%；

步骤3，碱式硫酸镁水泥发泡浆体的制备：将苯丙乳液、柠檬酸、碘化钾、七水硫酸镁、水混合后得到混合溶液中硫酸镁浓度为2.4mol/L，再加入十四烷基二甲基甜菜碱并高速搅拌，得到原溶液体积的110~130%的微发泡溶液；将超细粉煤灰及制浆需水、剩余活性氧化镁及步骤2收集的多余粉料均匀混合后加入到微发泡溶液中，继续搅拌得到碱式硫酸镁水泥微发泡浆体；

所述苯丙乳液的固含量为55%，加入量为步骤1中活性氧化镁质量的2~10%；所述柠檬酸的加入量为步骤1中活性氧化镁质量的1%；所述碘化钾加入量为双氧水质量的1~5%；所述十四烷基二甲基甜菜碱加入量为步骤1中活性氧化镁质量的0.1~0.4%；所述超细粉煤灰的粒径为1~10 μm，加入量为步骤1中活性氧化镁质量的10%~50%；

步骤4，改性聚苯乙烯-碱式硫酸镁水泥复合保温材料的制备：将步骤2得到的改性聚苯乙烯泡沫颗粒加入到步骤3得到的碱式硫酸镁水泥微发泡浆体中，充分搅拌混合后加入双氧水，继续搅拌后浇筑到模具中，室温下空气中养护后脱模，并继续养护至测试龄期，得到改性聚苯乙烯-碱式硫酸镁水泥复合保温材料。

2.根据权利要求1所述的改性聚苯乙烯-碱式硫酸镁水泥复合保温材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2中包衣机的转速为30~70 r/min。

3.根据权利要求2所述的改性聚苯乙烯-碱式硫酸镁水泥复合保温材料的制备方法，其特征在于，所述包衣机的转速为40~60 r/min。

4.根据权利要求1所述的改性聚苯乙烯-碱式硫酸镁水泥复合保温材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3中高速搅拌的速度为2000~3000 r/min。

5.根据权利要求1所述的改性聚苯乙烯-碱式硫酸镁水泥复合保温材料的制备方法，其特征在于，所述步骤4中双氧水加入量为步骤1中活性氧化镁质量的1.5~5%。

6.根据权利要求1所述的改性聚苯乙烯-碱式硫酸镁水泥复合保温材料的制备方法，其特征在于，所述步骤4中充分搅拌时间为5~15 min；所述继续搅拌的时间为2 min；所述室温下空气中养护24h；所述搅拌的速度为2000~3000 r/min。

7.根据权利要求6所述的改性聚苯乙烯-碱式硫酸镁水泥复合保温材料的制备方法，其特征在于，所述充分搅拌时间为7~12 min。