CN113666711A - 一种建筑用高强度保温复合板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种建筑用高强度保温复合板及其制备方法，属于建筑材料技术领域。本发明先用竹炭纤维与高锰酸钾在浓硫酸中反应，再滴加过氧化氢，制得改性竹炭纤维，然后将经过十一烷胺和十二烷胺包覆改性后的纳米碳酸钙对改性竹炭纤维进行填充，最后将经氮等离子体处理后的热致液晶聚芳酯纤维加入改性纳米碳酸钙填充后的改性竹炭纤维分散液中进行交联反应，干燥脱水后即得建筑用高强度保温复合板。本发明制备的建筑用高强度保温复合板具有优异的保温性能和断裂强度。

Description

一种建筑用高强度保温复合板及其制备方法

技术领域

本发明涉及建筑材料技术领域，具体为一种建筑用高强度保温复合板及其制备方法。

背景技术

随着人类社会的快速发展，能源问题日益凸显。据统计2018年全国建筑全过程能耗总量为21.47亿吨标准煤，占全国能源消费总量比重为46.5％。2018年全国建筑全过程碳排放总量为49.3亿吨，占全国碳排放的比重为51.3％。建筑能耗影响着国家资源的有效利用和经济的可持续发展，鉴于建筑节能是降低建筑能耗的主要措施，我国政府发布多项与建筑节能相关的法律条令。2020年上海市发文，禁限了绝大部分的外墙外保温体系，包括各种板材的薄抹灰外保温系统和保温装饰一体化板系统。2021直辖市重庆市也出台了类似的发文，要求建筑外墙外保温工程不得采用薄抹灰外保温系统和保温装饰板外保温系统。2021年5月15日河北省发文，其中要求粘锚结合的薄抹灰外墙保温系统禁止在新建、改建、扩建的民用建筑工程外墙外侧作为主体保温系统设计使用(砌体结构除外)。寻找一种绿色环保节能的保温复合板是建筑行业所急需解决的问题。

当前，市场上出现和正在研究的建筑保温隔热复合板种类繁多，从材料组成方面可以分为2大类，一种是无机保温隔热型材料，如加气混凝土、玻璃纤维、岩棉等；一种是有机保温隔热材料，如挤塑聚苯板和聚苯颗粒等，这些无机和有机保温隔热材料在一定程度上起到了较好的保温隔热作用。目前，因为政策及发展趋势的影响，一部分建筑保温材料，如挤塑聚苯板和聚苯颗粒等，这些材料因高能耗，不健康环保，强度低不安全等问题所禁止使用。因此，寻求和开发一种健康和谐的建筑用保温隔热材料成为当前建筑用保温复合板发展的当务之急，以此解决政策及发展的需求

发明内容

本发明的目的在于提供一种建筑用高强度保温复合板及其制备方法，以解决现有技术中存在的问题。

一种建筑用高强度保温复合板及其制备方法，其特征在于，按重量份数计，主要包括：20～40份改性竹炭纤维，8～15份改性纳米碳酸钙和15～30份热致液晶聚芳酯纤维。

作为优化，所述改性竹炭纤维是由竹炭纤维与高锰酸钾在浓硫酸中反应，再加入过氧化氢制备而成。

作为优化，所述改性纳米碳酸钠是将十一烷胺和十二烷胺吸附包覆在纳米碳酸钙表面制备而成。

作为优化，所述建筑用高强度保温复合板包括以下质量份数的原料组分：30份改性竹炭纤维，9份改性纳米碳酸钙和20份热致液晶聚芳酯纤维。

作为优化，一种建筑用高强度保温复合板的制备方法，主要包括以下制备步骤：

(1)将竹炭纤维与高锰酸钾在浓硫酸中反应，再向反应液中滴加过氧化氢，制得改性竹炭纤维；

(2)将十一烷胺和十二烷胺加入纳米碳酸钙分散液中搅拌后，将所得产物抽滤、干燥、粉碎、过筛，制得改性碳纳米管；

(3)将步骤(2)所得改性纳米碳酸钙加入步骤(1)所制得的改性竹炭纤维中超声震荡，使得改性纳米碳酸钙填充再改性竹炭纤维中；

(4)将经等离子体处理后的热致液晶聚芳酯纤维加入步骤(3)所得改性纳米碳酸钙填充再改性竹炭纤维中超声震荡反应，制得复合水凝胶；

(5)将步骤(4)所得复合水凝胶进行干燥脱水，即得建筑用高强度保温复合板。

作为优化，所述建筑用高强度保温复合板的制备方法主要包括以下制备步骤：

(1)将竹炭纤维与质量分数为98％的浓硫酸按质量比1：50混合均匀，加入竹炭纤维3倍质量的高锰酸钾，在60℃，30kHz超声波震荡的条件下反应6h，再将反应液控制在0℃的条件下加入过氧化氢，再放入离心机中，在8000r/min的转速离心下分离得产物，将产物用质量分数为0.1％的盐酸溶液洗涤5次，最后用真空冷冻干燥机在-10℃下干燥6h，即得改性竹炭纤维；

(2)在三口烧瓶中将纳米碳酸钙与水按质量比1：10混合均匀，加入纳米碳酸钙0.5倍质量的十一烷胺和纳米碳酸钙0.5倍质量的十二烷胺，在80℃，30kHz条件下超声波震荡3h后抽滤、干燥、粉碎、过筛，即得改性纳米碳酸钙；

(3)将步骤(1)所得改性竹炭纤维与水按质量比1：20混合均匀，加入改性竹炭纤维0.3倍质量的步骤(2)所得改性纳米碳酸钙后在80℃下以5000r/min的转速搅拌3h，即得改性分散液；

(4)将热致液晶聚芳酯纤维置于氮等离子体处理仪腔体中，真空泵抽气使真空度达到5～10Pa后通入氮气使真空度达到70Pa，将经氮等离子体处理后的热致液晶聚芳酯纤维加入热致液晶聚芳酯纤维33倍质量的步骤(3)所得改性分散液中，并在40kHz下超声均匀，在90℃温度下反应1h后，即得复合水凝胶；

(5)对步骤(4)所得复合水凝胶用无水乙醇洗涤5次后，在-10℃真空冷冻干燥6h，即得建筑用高强度保温复合板。

作为优化，步骤(1)所述加入过氧化氢时，速率为1mL/s，过氧化氢质量为竹炭纤维质量的3倍，过氧化氢质量分数为30％。

作为优化，步骤(2)所述干燥方式为真空冷冻干燥，干燥温度-10℃下干燥时间6h，粉碎方式为用万能粉碎机粉碎，过筛筛网为100目。

作为优化，步骤(4)所述氮等离子体处理功率为100W，处理时间为10min。

作为优化，步骤(4)所述热致液晶聚芳酯纤维长度为10～30mm，直径为1～5μm。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

本发明在制备建筑用高强度保温复合板所用的原料为健康和谐的天然植物资源竹炭纤维，对其改性后加入改性纳米碳酸钙，最后加入改性热致液晶聚芳酯纤维制得水凝胶，干燥脱水后制得。

首先将竹炭纤维经过高锰酸钾混酸溶液和过氧化氢高氧化性下，使竹炭纤维部分不饱和碳碳键断裂与氧原子链接形成环氧基，羧基，羟基等官能团，从而提高竹炭纤维的化学极性和反应活性；用十一烷胺和十二烷胺对纳米碳酸钙改性，十一烷胺和十二烷胺中伯胺能与纳米碳酸钙表面形成氢键，从而吸附包覆在纳米碳酸钙表面，使碳酸钙不易聚集，大大提高纳米碳酸钙的分散性，另外十一烷胺和十二烷胺通过固液相变过程中对热量的吸收与释放可以达到调节温度的效果，从而提高了保温性能；再向改性竹炭纤维分散液中加入改性纳米碳酸钙，改性纳米碳酸钙表面的烷胺和改性竹炭纤维中的环氧基和羧基产生亲核加成反应生成胺基，从而使改性纳米碳酸钙填充在改性竹炭纤维中，提高了改性竹炭纤维的强度和韧性，另一方面生成的胺基对水蒸汽和二氧化碳能具有化学吸附作用，受热释放水和二氧化碳，提高防火性能的同时也进一步提高了保温性能。

其次将经氮等离子体处理后的热致液晶聚芳酯纤维加入改性纳米碳酸钙填充后的改性竹炭纤维分散液搅拌反应形成凝胶物，热致液晶聚芳酯纤维表面的活性基团会与改性纳米碳酸钙填充后的改性竹炭纤维上的环氧基，羧基，羟基等官能团进行交联反应，使改性纳米碳酸钙与改性竹炭纤维结合的更紧固，并形成含有细小孔隙的三维网络结构，使保温性能进一步提升，也使得竹炭纤维强度和韧性进一步增强，另外热致液晶聚芳酯纤维中含有的酯基为平面结构，属于刚性结构，进一步提高所得材料的强度，将凝胶物干燥脱水即得后建筑用高强度保温复合板，干燥时改性纳米碳酸钙填充后的改性竹炭纤维和改性热致液晶聚芳酯纤维上部分含氧官能团和含氮官能团间也会进行脱水缩合反应，使得分子之间结合的更加紧密，从而再次提升了所制得建筑用高强度保温复合板的强度和韧性。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了更清楚的说明本发明提供的方法通过以下实施例进行详细说明，在以下实施例中制作的建筑用高强度保温复合板的各指标测试方法如下：

保温效果：将各实施例所得的建筑用高强度保温复合板与对比例产品取相同大小形状使其表面温度控制在10℃后覆盖在60℃水浴中的烧杯上，测量外表面温度达到40℃所需时间。

断裂强度：将各实施例所得的建筑用高强度保温复合板与对比例产品取相同大小的长条形状，在相同条件下施加垂直于表面的力，记录断裂时所承受的最大力的数值。

实施例1

一种建筑用高强度保温复合板，按重量份数计，主要包括：30份改性竹炭纤维，9份改性纳米碳酸钙和20份热致液晶聚芳酯纤维。

一种建筑用高强度保温复合板的制备方法，所述建筑用高强度保温复合板的制备方法主要包括以下制备步骤：

(1)将竹炭纤维与质量分数为98％的浓硫酸按质量比1：50混合均匀，加入竹炭纤维3倍质量的高锰酸钾，在60℃，30kHz超声波震荡的条件下反应6h，再将反应液控制在0℃的条件下加入过氧化氢，再放入离心机中，在8000r/min的转速离心下分离得产物，将产物用质量分数为0.1％的盐酸溶液洗涤5次，最后用真空冷冻干燥机在-10℃下干燥6h，即得改性竹炭纤维；

(2)在三口烧瓶中将纳米碳酸钙与水按质量比1：10混合均匀，加入纳米碳酸钙0.5倍质量的十一烷胺和纳米碳酸钙0.5倍质量的十二烷胺，在80℃，30kHz条件下超声波震荡3h后抽滤、干燥、粉碎、过筛，即得改性纳米碳酸钙；

(3)将步骤(1)所得改性竹炭纤维与水按质量比1：20混合均匀，加入改性竹炭纤维0.3倍质量的步骤(2)所得改性纳米碳酸钙后在80℃下以5000r/min的转速搅拌3h，即得改性分散液；

(4)将热致液晶聚芳酯纤维置于氮等离子体处理仪腔体中，真空泵抽气使真空度达到8Pa后通入氮气使真空度达到70Pa，将经氮等离子体处理后的热致液晶聚芳酯纤维加入热致液晶聚芳酯纤维33倍质量的步骤(3)所得改性分散液中，并在40kHz下超声均匀，在90℃温度下反应1h后，即得复合水凝胶；

(5)对步骤(4)所得复合水凝胶用无水乙醇洗涤5次后，在-10℃真空冷冻干燥6h，即得建筑用高强度保温复合板。

作为优化，步骤(1)所述加入过氧化氢时，速率为1mL/s，过氧化氢质量为竹炭纤维质量的3倍，过氧化氢质量分数为30％。

作为优化，步骤(2)所述干燥方式为真空冷冻干燥，干燥温度-10℃下干燥时间6h，粉碎方式为用万能粉碎机粉碎，过筛筛网为100目。

作为优化，步骤(4)所述氮等离子体处理功率为100W，处理时间为10min。

作为优化，步骤(4)所述热致液晶聚芳酯纤维长度为20mm，直径为5μm。

实施例2

一种建筑用高强度保温复合板，按重量份数计，主要包括：30份竹炭纤维，9份改性纳米碳酸钙和20份热致液晶聚芳酯纤维。

一种建筑用高强度保温复合板的制备方法，所述建筑用高强度保温复合板的制备方法主要包括以下制备步骤：

(1)在三口烧瓶中将纳米碳酸钙与水按质量比1：10混合均匀，加入纳米碳酸钙0.5倍质量的十一烷胺和纳米碳酸钙0.5倍质量的十二烷胺，在80℃，30kHz条件下超声波震荡3h后抽滤、干燥、粉碎、过筛，即得改性纳米碳酸钙；

(2)将竹炭纤维与水按质量比1：20混合均匀，加入竹炭纤维0.3倍质量的步骤(1)所得改性纳米碳酸钙后在80℃下以5000r/min的转速搅拌3h，即得改性分散液；

(3)将热致液晶聚芳酯纤维置于氮等离子体处理仪腔体中，真空泵抽气使真空度达到8Pa后通入氮气使真空度达到70Pa，将经氮等离子体处理后的热致液晶聚芳酯纤维加入热致液晶聚芳酯纤维33倍质量的步骤(3)所得改性分散液中，并在40kHz下超声均匀，在90℃温度下反应1h后，即得复合水凝胶；

(4)对步骤(3)所得复合水凝胶用无水乙醇洗涤5次后，在-10℃真空冷冻干燥6h，即得建筑用高强度保温复合板。

作为优化，步骤(1)所述干燥方式为真空冷冻干燥，干燥温度-10℃下干燥时间6h，粉碎方式为用万能粉碎机粉碎，过筛筛网为100目。

作为优化，步骤(3)所述氮等离子体处理功率为100W，处理时间为10min。

作为优化，步骤(3)所述热致液晶聚芳酯纤维长度为20mm，直径为5μm。

实施例3

一种建筑用高强度保温复合板，按重量份数计，主要包括：30份改性竹炭纤维，9份纳米碳酸钙和20份热致液晶聚芳酯纤维。

一种建筑用高强度保温复合板的制备方法，所述建筑用高强度保温复合板的制备方法主要包括以下制备步骤：

(1)将竹炭纤维与质量分数为98％的浓硫酸按质量比1：50混合均匀，加入竹炭纤维3倍质量的高锰酸钾，在60℃，30kHz超声波震荡的条件下反应6h，再将反应液控制在0℃的条件下加入过氧化氢，再放入离心机中，在8000r/min的转速离心下分离得产物，将产物用质量分数为0.1％的盐酸溶液洗涤5次，最后用真空冷冻干燥机在-10℃下干燥6h，即得改性竹炭纤维；

(2)将步骤(1)所得改性竹炭纤维与水按质量比1：20混合均匀，加入改性竹炭纤维0.3倍质量的纳米碳酸钙后在80℃下以5000r/min的转速搅拌3h，即得改性分散液；

(3)将热致液晶聚芳酯纤维置于氮等离子体处理仪腔体中，真空泵抽气使真空度达到8Pa后通入氮气使真空度达到70Pa，将经氮等离子体处理后的热致液晶聚芳酯纤维加入热致液晶聚芳酯纤维33倍质量的步骤(2)所得改性分散液中，并在40kHz下超声均匀，在90℃温度下反应1h后，即得复合水凝胶；

(4)对步骤(3)所得复合水凝胶用无水乙醇洗涤5次后，在-10℃真空冷冻干燥6h，即得建筑用高强度保温复合板。

作为优化，步骤(1)所述加入过氧化氢时，速率为1mL/s，过氧化氢质量为竹炭纤维质量的3倍，过氧化氢质量分数为30％。

作为优化，步骤(3)所述氮等离子体处理功率为100W，处理时间为10min。

作为优化，步骤(3)所述热致液晶聚芳酯纤维长度为20mm，直径为5μm。

对比例

一种建筑用高强度保温复合板，按重量份数计，主要包括：30份竹炭纤维，9份纳米碳酸钙和20份热致液晶聚芳酯纤维。

一种建筑用高强度保温复合板的制备方法，所述建筑用高强度保温复合板的制备方法主要包括以下制备步骤：

(1)将竹炭纤维与水按质量比1：20混合均匀，加入竹炭纤维0.3倍质量的纳米碳酸钙后在80℃下以5000r/min的转速搅拌3h，即得改性分散液；

(2)将热致液晶聚芳酯纤维置于氮等离子体处理仪腔体中，真空泵抽气使真空度达到8Pa后通入氮气使真空度达到70Pa，将经氮等离子体处理后的热致液晶聚芳酯纤维加入热致液晶聚芳酯纤维33倍质量的步骤(1)所得改性分散液中，并在40kHz下超声均匀，在90℃温度下反应1h后，即得复合水凝胶；

(3)对步骤(2)所得复合水凝胶用无水乙醇洗涤5次后，在-10℃真空冷冻干燥6h，即得建筑用高强度保温复合板。

作为优化，步骤(2)所述氮等离子体处理功率为100W，处理时间为10min。

作为优化，步骤(2)所述热致液晶聚芳酯纤维长度为20mm，直径为5μm。

效果例

下表1给出了采用本发明实施例1至3与对比例的保温和断裂强度的性能分析结果。

表1

	实施例1	实施例2	实施例3	对比例
					保温性能	262min	238min	205min	157min
断裂强度	317N	212N	283N	172N

从表1中实施例1和实施例2以及实施例3和对比列的实验数据比较可发现，实施例1对比实施例2以及实施例3对比对比列的保温性能和断裂强度都得到了提升，其中断裂强度提升的幅度较大，说明了改性后的竹炭纤维与经氮等离子体处理后的热致液晶聚芳酯反应形成三位网络结构，从而提升产品的保温性能和断裂强度；从实施例1和实施例3以及实施例2和对比列的实验数据比较可发现，实施例1对比实施例3以及实施例2对比对比列的保温性能和断裂强度都得到了提升，说明了对纳米碳酸钠改性后使得纳米碳酸钠在产品中均匀分散，从而提高了断裂强度，改性纳米碳酸钠表面包覆的十一烷胺和十二烷胺能通过固液相变吸收热量，从而大幅度提高保温性。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.一种建筑用高强度保温复合板，其特征在于，按重量份数计，主要包括：20～40份改性竹炭纤维，8～15份改性纳米碳酸钙和15～30份热致液晶聚芳酯纤维。

2.根据权利要求1所述的一种建筑用高强度保温复合板，其特征在于，所述改性竹炭纤维是由竹炭纤维与高锰酸钾在浓硫酸中反应，再加入过氧化氢制备而成。

3.根据权利要求2所述的一种建筑用高强度保温复合板，其特征在于，所述改性纳米碳酸钠是将十一烷胺和十二烷胺吸附包覆在纳米碳酸钙表面制备而成。

4.根据权利要求3所述的一种建筑用高强度保温复合板，其特征在于，所述建筑用高强度保温复合板包括以下质量份数的原料组分：30份改性竹炭纤维，9份改性纳米碳酸钙和20份热致液晶聚芳酯纤维。

5.一种建筑用高强度保温复合板的制备方法，其特征在于，主要包括以下制备步骤：

(1)将竹炭纤维与高锰酸钾在浓硫酸中反应，再向反应液中滴加过氧化氢，制得改性竹炭纤维；

(2)将十一烷胺和十二烷胺加入纳米碳酸钙分散液中搅拌后，将所得产物抽滤、干燥、粉碎、过筛，制得改性碳纳米管；

(3)将步骤(2)所得改性纳米碳酸钙加入步骤(1)所制得的改性竹炭纤维中超声震荡，使得改性纳米碳酸钙填充再改性竹炭纤维中；

(4)将经等离子体处理后的热致液晶聚芳酯纤维加入步骤(3)所得改性纳米碳酸钙填充再改性竹炭纤维中超声震荡反应，制得复合水凝胶；

(5)将步骤(4)所得复合水凝胶进行干燥脱水，即得建筑用高强度保温复合板。

6.根据权利要求5所述的一种建筑用高强度保温复合板的制备方法，其特征在于，所述建筑用高强度保温复合板的制备方法主要包括以下制备步骤：

(1)将竹炭纤维与质量分数为98％的浓硫酸按质量比1：50混合均匀，加入竹炭纤维3倍质量的高锰酸钾，在60℃，30kHz超声波震荡的条件下反应6h，再将反应液控制在0℃的条件下加入过氧化氢，再放入离心机中，在8000r/min的转速离心下分离得产物，将产物用质量分数为0.1％的盐酸溶液洗涤5次，最后用真空冷冻干燥机在-10℃下干燥6h，即得改性竹炭纤维；

(2)在三口烧瓶中将纳米碳酸钙与水按质量比1：10混合均匀，加入纳米碳酸钙0.5倍质量的十一烷胺和纳米碳酸钙0.5倍质量的十二烷胺，在80℃，30kHz条件下超声波震荡3h后抽滤、干燥、粉碎、过筛，即得改性纳米碳酸钙；

(3)将步骤(1)所得改性竹炭纤维与水按质量比1：20混合均匀，加入改性竹炭纤维0.3倍质量的步骤(2)所得改性纳米碳酸钙后在80℃下以5000r/min的转速搅拌3h，即得改性分散液；

(4)将热致液晶聚芳酯纤维置于氮等离子体处理仪腔体中，真空泵抽气使真空度达到5～10Pa后通入氮气使真空度达到70Pa，进行氮等离子体处理，将经氮等离子体处理后的热致液晶聚芳酯纤维加入热致液晶聚芳酯纤维33倍质量的步骤(3)所得改性分散液中，并在40kHz下超声均匀，在90℃温度下反应1h后，即得复合水凝胶；

(5)对步骤(4)所得复合水凝胶用无水乙醇洗涤5次后，在-10℃真空冷冻干燥6h，即得建筑用高强度保温复合板；

(6)对步骤(5)所得建筑用高强度保温复合板进行指标分析。

7.根据权利要求6所述的一种建筑用高强度保温复合板的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述加入过氧化氢时，速率为1mL/s，过氧化氢质量为竹炭纤维质量的3倍，过氧化氢质量分数为30％。

8.根据权利要求6所述的一种建筑用高强度保温复合板的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述干燥方式为真空冷冻干燥，干燥温度-10℃下干燥时间6h，粉碎方式为用万能粉碎机粉碎，过筛筛网为100目。

9.根据权利要求6所述的一种建筑用高强度保温复合板的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述氮等离子体处理功率为100W，处理时间为10min。

10.根据权利要求6所述的一种建筑用高强度保温复合板的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述热致液晶聚芳酯纤维长度为10～30mm，直径为1～5μm。