CN115466086A - 一种水泥基被动制冷复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水泥基被动制冷复合材料及其制备方法，将由白水泥、白硅粉、石灰石粉及金红石二氧化钛粉末组成的粉体原料研磨备用；将一部分水与减水剂混合充分振荡得到均匀的分散液；将研磨后的粉体倒入搅拌机中，先低速搅拌使粉体在搅拌器腔体内均匀分布，而后加入另一部分的水低速搅拌，加入减水剂分散液后再高速搅拌，得到混合浆料；浇注成型后密封养护一段时间后，在高温蒸压条件养护一段时间，得到水泥基被动制冷复合材料。本发明所制备的复合材料具有优异的亚环境辐射制冷性能与水冷效果，能够为建筑提供被动式的低成本高效制冷，在建筑节能与制冷领域具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料领域，涉及一种建筑节能与被动制冷技术材料，特别涉及一种水泥基被动制冷复合材料及其制备方法。
背景技术
近年来，由气候变化引起的极端高温频发，为提高夏季室内舒适性，满足建筑制冷需求，大量主动式制冷设备的使用加剧热岛效应，造成地区夏季温度逐年攀升的恶性循环。建筑行业作为耗能大户，蕴含巨大的节能潜力。在“节能减排”与“碳中和”的倡议和政策引导下，针对建筑节能的研究层出不穷。传统的建筑节能材料，如白色反射涂料与EPS保温材料等，存在耐久性差、效能低与易燃等问题。目前作为研究热点的亚环境辐射制冷材料，主要包括高分子纳微孔薄膜与金氧化物/高分子多层薄膜，此类材料的理论效能十分优异，但制备工艺十分复杂、生产成本高且耐久性差，因此其大规模应用的前景有限。因此，开发低成本、高效能、高耐久且易于大规模应用的被动制冷材料是十分必要的。
亚环境辐射制冷要求材料具有高的太阳光谱反射率(λ～0.28-2.5μm,Rsun)与大气窗口发射率(λ～8-13μm,εaw)。高的太阳光谱发射率可通过提高材料白度、提高带能与增强米氏散射实现，高的大气窗口发射率可通过向基体引入或在基体中原位生成在大气窗口具有强红外发射能力的物相实现。水泥基材料作为一种已被广泛应用的高强高耐久建筑材料，具有高发射率、多孔与亲水等特性。同时，水泥基材料的相组成和微结构易于调控。通过调整配方与养护方式，可得到高太阳光谱反射率的相组成和微结构，进而实现高效的亚环境辐射制冷。同时，水泥基材料是典型的富水材料，而水拥有较大的比热(Cp＝4.2×kJ·kg-1·℃-1)与蒸发相变潜热(Sp＝2.4kJ/kg)。因此，水泥基材料基体中自由水可参与显热与潜热换热，提供额外的水冷效果。所以水泥基材料具有很大制备亚环境辐射制冷材料的潜力，但是现有技术中并没有相关方面研究，也没有相关产品公开，因此非常具有研究价值。
发明内容
本发明的目的是针对现有建筑节能材料与被动式制冷材料的不足，提供一种高能效、低成本及易生产的水泥基被动制冷复合材料及制备方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种水泥基被动制冷复合材料，由粉体原料和液体原料混合均匀浇注脱模后高温蒸压养护得到，所述粉体原料包括白水泥、硅粉、石灰石粉及金红石二氧化钛粉末，所述液体原料包括减水剂和水。
优选地，所述粉体原料的质量份数如下：
白水泥30～45份、硅粉15～25份、石灰石粉25～35份、金红石二氧化钛粉末5～20份。
优选地，以粉体原料总质量份数为100份计，减水剂用量为0.05～0.3份，水用量为25～45份。
优选地，所述白水泥主要成分为硅酸三钙，其化学组成以氧化物计为：CaO含量为65～75wt.％，SiO2含量为15～25wt.％，Al2O3含量为1～3wt.％，SO3含量为1～3wt.％，1000℃烧失量为3～5wt.％。
优选地，所述硅粉中SiO2纯度大于95wt.％。
优选地，所述石灰石粉中CaCO3纯度大于95wt.％。
优选地，所述二氧化钛粉末中TiO2纯度大于99wt.％。
优选地，所述白水泥、硅粉、石灰石粉及金红石二氧化钛粉末的平均粒径(D50)均为0.5-2μm。
进一步优选地，所述白水泥、硅粉、石灰石粉及金红石二氧化钛粉末的平均粒径(D50)均为1μm左右。
优选地，所述减水剂为聚羧酸盐基减水剂，具体可以采用ViscoFlow-3000聚羧酸减水剂。
本发明还保护一种上述水泥基被动制冷复合材料的用途，用于制备具有亚环境辐射制冷性能的建筑材料。
本发明还提供一种上述水泥基被动制冷复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将所有粉体原料研磨以提高粉体的均匀性；
步骤2、将一部分水与减水剂混合充分振荡得到均匀的分散液；
步骤3、将研磨后的粉体倒入搅拌机中，先低速搅拌使粉体在搅拌器腔体内均匀分布，而后加入另一部分的水低速搅拌，加入减水剂分散液后再高速搅拌，得到混合浆料；
步骤4、浇筑混合浆料，振捣成型，密封养护一段时间后，在高温蒸压条件养护一段时间，得到水泥基被动制冷复合材料。
优选地，步骤1中，将所有粉体在碟磨机RS 300或球磨机(300rpm)中进行3min的研磨以提高粉体的均匀性。
优先地，步骤1中，以粉体原料总质量份数为100份计，水用量为45份。
优选地，步骤2中，加入配方中所加水总量的25wt.％，步骤3中加入的另一部分水为配方中所加水总量的75wt.％。
优选地，步骤3中先低速搅拌60s，然后加入另一部分水后低速搅拌60-90s，最后加入减水剂分散液后高速搅拌2-3min。
优选地，步骤4中，密封养护条件为常温下养护18～28h。
进一步优选地，步骤4中，密封养护条件为18-25℃下养护22～26h。
优选地，步骤4中，高温蒸压养护条件为170～195℃、8～15Bar下养护6～12h。
进一步优选地，步骤4中，高温蒸压养护条件为180～190℃、10～13Bar下养护7～10h。
为保证产品的白度，具有较高白度的白水泥与高带能填料(石灰石粉、白硅粉与金红石二氧化钛粉)被采用，粉体与水充分混合，密封养护1天后，进行8小时的高温蒸压养护，即可得到产品。石灰石粉与二氧化钛粉起增白作用，白硅粉可以与水泥水化后的碱性物质发生火山灰反应，产生具有强力增白作用的水化硅酸钙(C-S-H)。在高温蒸压养护条件下，部分无定形与晶体C-S-H转化为托贝莫莱石(tobermorite)，托贝莫莱石具有更强的增白作用与特殊的纳微结构。为增强太阳光谱的米氏散射，具有纳微粒径的石灰石粉、白硅粉与金红石二氧化钛粉被采用。同时，提高水灰比以提高孔径为0.28-2.5μm的纳微孔的数目、托贝莫来石的生成量与孔隙率(自由水量)，纳微孔与托贝莫莱石的纳微结构也能增强米氏散射，而高的自由水含量可增强水冷效果。
基于上述描述，本发明制备了一种基于高温蒸压养护得到的水泥基被动制冷复合材料，所制备的水泥基被动制冷复合材料具有优异的亚环境辐射制冷性能与水冷效果，能够为建筑提供被动式的低成本高效制冷，在建筑节能与制冷领域具有良好的应用前景。
与现有技术相比，本发明有益效果如下：
1、本发明所使用的硅粉可由价格低廉的天然矿物(石英)或废玻璃研磨得到，保证了较低的成本与较高的可持续性；
2、本发明所使用的石灰石粉可由价格低廉的天然矿物石灰石或长石研磨得到，保证了较低成本与较高的可持续性；
3、硅粉与水泥水化产生的碱充分反应生成水化硅酸钙，提高了成品的白度和太阳反射率，获得更高的反射制冷。同时，嵌入水化硅酸钙硅链的硅氧四面体(SiO4 4-)提高发射率并降低硅粉颗粒在大气窗口的米氏散射，获得更好的红外发射制冷；
4、在高温高压环境下，部分水化硅酸钙转化为托贝莫莱石，进一步提高了成品的白度与太阳波段的米氏散射，获得更高的太阳反射率与制冷效果；
5、产品中的水分，可通过显热和潜热两种方式吸收热量，实现水冷。通过调整水灰比，可以根据应用地区的气候条件，控制孔结构与孔隙率，在保证基体机械强度与耐久性的同时，控制水冷强度。
本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
图1为复合材料的室外降温测试平台，其中图1中a为室外降温测试平台俯视图，图1中b为室外降温测试平台正视方向剖切图。
图2为本发明对比例1所制得的水泥基复合材料采用室外降温测试平台降温效果示意图。
图3为本发明实施例1所制得的水泥基被动制冷复合材料采用室外降温测试平台降温效果示意图。
图4为本发明实施例2所制得高温蒸压养护的水泥基被动制冷复合材料采用室外降温测试平台降温效果示意图。
图5为本发明实施例3所制得高温蒸压养护的水泥基被动制冷复合材料采用室外降温测试平台降温效果示意图。
图6为本发明实施例1所制得的普通白水泥基被动制冷复合材料扫描电镜图像。
图7为本发明实施例3所制得的高温蒸压养护水泥基被动制冷复合材料扫描电镜图像。
附图标记：1-EPS隔热层，2-水泥基被动制冷复合材料样品，3-样品腔，4-温度传感器，5-二氧化硅气凝胶。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下内容描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种基础配方实现本发明而不应被这里使用的配方所限制。相反，提供这些配方是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
对比例1：
本实例中普通的水泥基复合材料的制备过程如下：
将7.5份水与0.1份聚羧酸盐基减水剂混合，充分振荡获得分散液。将100份普通波特兰水泥粉体置于高速搅拌器中，低速搅拌60s，而后加入22.5份水低速搅拌90s，加入聚羧酸盐减水剂分散液后再高速搅拌3min，接着浇筑，振捣成型，在20℃下密封养护24h，拆模后在水中(20℃)养护28天，即可得到普通的水泥基复合材料。
实施例1：
本实例中水泥基被动制冷复合材料的制备过程如下：
将33.3份白水泥、25份石英粉、25份石灰石粉与16.7份金红石二氧化钛粉置于碟磨机中研磨3min，同时将7.5份水与0.1份聚羧酸盐基减水剂混合充分振荡获得分散液。而后将粉体置于高速搅拌器中，低速搅拌60s，而后加入22.5份水低速搅拌90s，加入聚羧酸盐减水剂分散液后再高速搅拌3min，接着浇筑，振捣成型，在20℃下密封养护24h，拆模后在水中(20℃)养护28天，即可得到水泥基被动制冷复合材料。
与对比例1相比，实施例1采用了白水泥、石英粉、石灰石粉与金红石二氧化钛粉。
实施例2：
本实例中水泥基被动制冷复合材料的制备过程如下：
将33.3份白水泥、25份石英粉、25份石灰石粉与16.7份金红石二氧化钛粉置于碟磨机中研磨3min，同时将7.5份水与0.1份聚羧酸盐基减水剂混合充分振荡获得分散液。而后将粉体置于高速搅拌器中，低速搅拌60s，而后加入22.5份水低速搅拌90s，加入聚羧酸盐减水剂分散液后再高速搅拌3min，接着浇筑，振捣成型，在20℃下密封养护24h，然后在高温蒸压条件(185℃与11Bar)下养护8小时，即得高温蒸压养护的水泥基被动制冷复合材料。与实施例1相比，实施例2采用了高温蒸压养护。
实施例3：
本实例中水泥基被动制冷复合材料的制备过程如下：
将33.3份白水泥、25份石英粉、25份石灰石粉与16.7份金红石二氧化钛粉置于碟磨机中研磨3min，同时将10份水与0.1份聚羧酸盐基减水剂混合充分振荡获得分散液。而后将粉体置于高速搅拌器中，低速搅拌60s，而后加入30份水低速搅拌90s，加入聚羧酸盐减水剂分散液后再高速搅拌3min，接着浇筑，振捣成型，在20℃下密封养护24h，然后在高温蒸压条件(185℃与11Bar)下养护6小时，即得高温蒸压养护的水泥基被动制冷复合材料。
与实施例2相比，实施例3提高了水灰比。
本发明采用国际标准“ASTM E903-20，ISO 11476:2016和ASTM C642 2021”标准，来对上述实施例所述材料进行了测试，其测试结果见表1。
表1.所制备水泥基复合材料的物理化学性质
| 样品 | CIE白度 | R<sub>sun</sub> | ε<sub>aw</sub> | 孔隙率[％] |
| 对比例1 | 43.7 | 0.22 | / | / |
| 实施例1 | 96.4 | 0.75 | 0.83 | 20.2 |
| 实施例2 | 97.2 | 0.79 | 0.87 | 35.7 |
| 实施例3 | 104.8 | 0.80 | 0.88 | 47.1 |
同时，进行了实地实验对所制备复合材料的冷却效果进行了验证，测试平台见图1，测试结果详见图2-图5，微观测试结果见图6和图7。
以上已经描述了本发明的施例，上述说明是示例性的，并非穷尽些的，并且也不局限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更是显而易见的。
Claims (10)
1.一种水泥基被动制冷复合材料，其特征在于：由粉体原料和液体原料混合均匀浇注脱模后养护得到，所述粉体原料包括白水泥、硅粉、石灰石粉及金红石二氧化钛粉末，所述液体原料包括减水剂和水。
2.根据权利要求1所述水泥基被动制冷复合材料，其特征在于：所述粉体原料的质量份数如下：
白水泥30～45份、硅粉15～25份、石灰石粉25～35份、金红石二氧化钛粉末5～20份。
3.根据权利要求1所述水泥基被动制冷复合材料，其特征在于：以粉体原料总质量份数为100份计，减水剂用量为0.05～0.3份，水用量为25～45份。
4.根据权利要求1所述水泥基被动制冷复合材料，其特征在于：所述白水泥主要成分为硅酸三钙，其化学组成以氧化物计为：CaO含量为65～75wt.％，SiO2含量为15～25wt.％，Al2O3含量为1～3wt.％，SO3含量为1～3wt.％，1000℃烧失量为3～5wt.％。
5.根据权利要求1所述水泥基被动制冷复合材料，其特征在于：所述硅粉中SiO2纯度大于95wt.％。
6.根据权利要求1所述水泥基被动制冷复合材料，其特征在于：所述石灰石粉中CaCO3纯度大于95wt.％。
7.根据权利要求1所述水泥基被动制冷复合材料，其特征在于：所述二氧化钛粉末中TiO2纯度大于99wt.％。
8.一种权利要求1-7任意一项所述水泥基被动制冷复合材料的用途，其特征在于：用于制备具有亚环境辐射制冷性能的建筑材料。
9.一种权利要求1-7任意一项所述水泥基被动制冷复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将所有粉体原料研磨以提高粉体的均匀性；
步骤2、将一部分水与减水剂混合充分振荡得到均匀的分散液；
步骤3、将研磨后的粉体倒入搅拌机中，先低速搅拌使粉体在搅拌器腔体内均匀分布，而后加入另一部分的水低速搅拌，加入减水剂分散液后再高速搅拌，得到混合浆料；
步骤4、浇筑混合浆料，振捣成型，密封养护一段时间后，在高温蒸压条件养护一段时间，得到水泥基被动制冷复合材料。
10.根据权利要求9所述水泥基被动制冷复合材料的制备方法，其特征在于：步骤4中，密封养护条件为常温下养护18～28h；高温蒸压养护条件为170～190℃、8～15Bar下养护6～12h。
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