CN115504809A - 无机材包裹聚苯颗粒气凝胶复合保温材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了无机材包裹聚苯颗粒气凝胶复合保温材料及其制备方法，本发明制备的保温复合材料的干密度和导热系数均较低；该保温隔热材料具有足够好的物理力学性能，使无机材包裹聚苯颗粒气凝胶复合保温材料的应用厚度在35mm以内的状况下不需要使用抗裂防护层，以简化系统构造和施工程序，缩短施工工期和降低系统成本等；三是为了使系统具有可靠的应用性能，研制配套轻质抗裂防水保温腻子，使系统取消抗裂防护层后具有可靠的抗裂性。本发明制备的保温复合材料能够在在普通混凝土墙体或其他普通砌体墙体上应用，而且材料厚度在30mm范围内而能够满足大多数建筑的节能设计要求。
Description
技术领域
本发明涉及保温复合材料领域，特别涉及无机材包裹聚苯颗粒气凝胶复合保温材料及其 制备方法。
背景技术
在夏热冬冷地区，建筑反射隔热涂料应配用适当的保温层应用于墙体节能系统。但是， 由于使用模塑聚苯板(特别是石墨型模塑聚苯板)、硬泡聚氨酯板或者其他保温性能好的有 机类或者无机类保温板材作为保温层时，这类保温板满足节能要求的使用厚度本身就不高， 特别是节能要求为50％的情况下更是如此，因而通过使用反射隔热涂料来进一步减薄保温板 厚度的意义不大，所以从更好地应用建筑反射隔热涂料的角度来说，应当配套新型外墙外保 温层更为合理。保温胶泥研究的初衷就是为了更好的应用建筑反射隔热涂料而研制的新型建 筑保温材料。
膨胀(模塑)聚苯板、聚氨酯保温板等为保温层的外墙外保温材料，以及近年来研制的膨 胀珍珠岩保温板和均质保温板为保温层的外墙外保温材料等。以保温板材为保温层的外墙外 保温材料其优势是保温性能可靠，但开裂、渗水几乎成为这类外墙外保温材料的通病，有的 工程甚至出现大面积的脱落或粉化，以及由于有机保温板材的防火性能不良而导致的火灾事 故等。
发明内容
本发明所要解决的技术问题：解决现有膨胀(模塑)聚苯板、聚氨酯保温板等外墙外保温材 料在使用过程中存在的易开裂渗水，粉化，强度较低且防火性能不良的诸多缺陷。
为解决上述技术问题，本发明提供以下的技术方案：
无机材包裹聚苯颗粒气凝胶复合保温材料，单位体积内包含如下重量份的原料：
优选地，所述矿渣粉的堆积密度为650～850kg/m3，粒径约0.1mm。
优选地，所述气凝胶密度0.5g/cm3；气凝胶三维纳米多孔结构孔隙率＞85％，导热系数＜ 0.018W/m·k。
优选地，所述聚苯乙烯泡沫颗粒粒径在2.36mm至4.75mm，堆积密度约12kg/m3；所述 玻化空心微珠的粒径在0.15～1.18mm；所述聚苯颗粒与玻化空心微珠的质量比为1∶1.0。
一种上述无机材包裹聚苯颗粒气凝胶复合保温材料的制备方法，具体制备步骤如下：
(A)先配制胶粉料，将配方中除聚苯乙烯泡沫颗粒和玻化空心微珠以外的各种原材料称 量并基本混合均匀成为胶粉料后，再过0.6mm方孔筛两道备用；
(B)将聚苯乙烯泡沫颗粒和玻化空心微珠两种保温隔热骨料混合均匀，按照配方比例与 胶粉料混合，边混合边加水拌制成无机材包裹聚苯颗粒气凝胶复合保温材料拌合物；所述加 水量为干物料重量的20～40％。
一种上述无机材包裹聚苯颗粒气凝胶复合保温材料在墙体保温施工中的应用：施工前， 临时将无机材包裹聚苯颗粒气凝胶复合保温材料拌合物作为胶泥均匀涂抹于墙体上，干燥即 可。
本发明获得的有益效果：
本发明制备的保温复合材料的干密度在160kg/m3以下、导热系数不大于0.045W/(m·K)； 二是该保温隔热材料具有足够好的物理力学性能，使无机材包裹聚苯颗粒气凝胶复合保温材 料的应用厚度在35mm以内的状况下不需要使用抗裂防护层，以简化系统构造和施工程序， 缩短施工工期和降低系统成本等；三是为了使系统具有可靠的应用性能，研制配套轻质抗裂 防水保温腻子，使系统取消抗裂防护层后具有可靠的抗裂性。
本发明制备的保温复合材料的导热系数从0.055W/(m·K)降低到0.045W/(m·K)。当无机 材包裹聚苯颗粒气凝胶复合保温材料的导热系数不大于0.045W/(m·K)，再加上反射隔热 涂料能够产生0.16m2·K/W的等效热阻，其二者形成的无机材包裹聚苯颗粒气凝胶复合保温 材料-反射隔热涂料节能系统能够在在普通混凝土墙体或其他普通砌体墙体上应用，而且无机 材包裹聚苯颗粒气凝胶复合保温材料的保温层厚度在30mm范围内而能够满足大多数建筑 65％的建筑节能设计要求。这样的保温层厚度也为取消抗裂防护层创造了条件。
具体实施方式
下面通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领 域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
实施例1：无机材包裹聚苯颗粒气凝胶复合保温材料的材料组分、功能作用和选用材料 如表1所示。
表1复合保温材料的材料组分、功能作用和选用材料
从表1中关于材料组分及其选用可以看出，无机材包裹聚苯颗粒气凝胶复合保温材料的 配制原理是按照功能性建筑涂料进行的。其中，气凝胶是近年来开始应用于建筑保温材料的 新型材料，气凝胶是世界上最轻的固体，质轻，气凝胶具有极低的密度(0.5g/cm3)；三维 纳米多孔结构孔隙率＞85％，以及超级隔热(导热系＜0.018W/m·k)；不燃材料，防火A1 级。
试验用原材料
①聚苯颗粒为回收料并经破碎的聚苯乙烯泡沫颗粒，粒径2mm～5mm(粒径分布见表 3)，大部分集中在2.36mm至4.75mm范围内，堆积密度约12kg/m3。
表3聚苯颗粒和玻化微珠的导热系数和粒径分布
②气凝胶密度0.5g/cm3；三维纳米多孔结构孔隙率＞85％，导热系数＜0.018W/m·k。
③石膏和矿渣粉石膏为建筑脱硫石膏。矿渣粉是高炉炼铁产生的附属废弃物，是熔融 的矿渣在过水冷淬瞬间形成的一种疏松物质，经过机械研磨加工后形成的一种细粉材料。这 类矿渣中除了有活性二氧化硅和三氧化二铝之外，还有一定含量的β-C2S，当被研磨成细粉 后其活性会进一步提高，在其作为外加剂加入基材后，其性能和适用范围基本同粉煤灰一样， 但改善效果略优于粉煤灰，可用最高掺量也较粉煤灰而言更高。矿渣粉的堆积密度为650～ 850kg/m3，粒径约0.1mm。
④硅灰贵州海天铁合金磨料公司生产的商品凝聚硅灰。
⑤其它德国瓦克公司(WACKER)C 9101型纤维素醚(保水剂)；
RE 5044N型乳胶粉等。
研究用配方
无机材包裹聚苯颗粒气凝胶复合保温材料的配方习惯于用每立方米浆料的原材料用量表 示，如表4所示。
表4每立方米无机材包裹聚苯颗粒气凝胶复合保温材料的原材料用量
配制及试验
①样品配制：先配制胶粉料，将配方中除聚苯乙烯泡沫颗粒和玻化空心微珠以外的各种 原材料称量并基本混合均匀成为胶粉料后，再过0.6mm方孔筛两道备用；将聚苯乙烯泡沫颗 粒和玻化空心微珠两种保温隔热骨料混合均匀，按照配方比例与胶粉料混合，边混合边加水 拌制成无机材包裹聚苯颗粒气凝胶复合保温材料拌合物；所述加水量为干物料重量的 20～40％。
②试验无机材包裹聚苯颗粒气凝胶复合保温材料的性能试验基本参照建工行业标准 JG/T 158—2013《胶粉聚苯颗粒外墙外保温系统材料》规定的试验方法进行。
试验结果与讨论
(1)聚苯乙烯泡沫颗粒-玻化空心微珠比对无机材包裹聚苯颗粒气凝胶复合保温材料耐 火阻燃性能的影响
试验首先研究了不同的聚苯乙烯泡沫颗粒-玻化空心微珠比对无机材包裹聚苯颗粒气凝 胶复合保温材料耐火阻燃性能的影响。试验分保温隔热浆料中添加和不添加矿渣粉两种情况。 当没有添加矿渣粉时，试验结果如表5所示。
表5无矿渣粉时有机-无机保温骨料比对耐火阻燃性能的影响
表5的试验结果显示，在不使用矿渣粉的情况下，要使无机材包裹聚苯颗粒气凝胶复合 保温材料满足A级不燃的防火要求，无机材包裹聚苯颗粒气凝胶复合保温材料中所能够添加 的聚苯颗粒数量很小，二者的质量比仅为1∶14。按照聚苯颗粒的密度为12.1kg/m3、玻化空 心微珠的密度为116kg/m3计算，二者的体积比约为1∶1.5。
当在无机材包裹聚苯颗粒气凝胶复合保温材料中使用矿渣粉时，聚苯颗粒与玻化空心微 珠的比将会明显降低，结果如表6所示。
表6使用矿渣粉时有机-无机保温骨料比对耐火阻燃性能的影响
注：①重新调整配方后的二次试验。
表6中试验结果显示，矿渣粉在无机材包裹聚苯颗粒气凝胶复合保温材料中具有明显的 耐火隔热作用，由于该添加剂的添加，使聚苯颗粒与玻化空心微珠的质量比由1∶1.5降低到 1∶1.0以下。这种降低是很有意义的，因为在无机材包裹聚苯颗粒气凝胶复合保温材料中所 能够使用的聚苯颗粒量越大，材料的保温隔热性能越好，浆料在施工时由于玻化空心微珠的 体积小，破碎的量就越小。
矿渣粉能够提高无机材包裹聚苯颗粒气凝胶复合保温材料防火不燃性能的原因在于其圆 球形的空心结构和玻璃化的薄壁外壳，降低了浆体中胶结料组分的密度和提高了隔热性能， 这种经改善了的防火不燃浆体组分，在无机材包裹聚苯颗粒气凝胶复合保温材料中粘结了同 样具有耐火和不燃性能的玻化空心微珠，二者所形成的“防火砂浆”，粘结聚苯颗粒并包裹在 聚苯颗粒表面形成一层防火层，在耐火阻燃试验中使聚苯颗粒免受试验火焰的高温作用，无 机材包裹聚苯颗粒气凝胶复合保温材料也就能够产生满足A级不燃耐火性能的要求。
(2)矿渣粉对无机材包裹聚苯颗粒气凝胶复合保温材料物理力学性能的影响
矿渣粉是一种经过分选加工、在石膏基材料中具有火山灰活性的材料，他的添加对无机 材包裹聚苯颗粒气凝胶复合保温材料的物理力学性能必然产生影响。表7展示出我们对这些 性能项目的试验结果。
表7添加矿渣粉复合保温材料物理力学性能的变化
表7中的结果说明，矿渣粉的添加对无机材包裹聚苯颗粒气凝胶复合保温材料的干密度 稍有影响，但不是很大。这说明矿渣粉的添加使无机材包裹聚苯颗粒气凝胶复合保温材料的 密实度增加了，也就是说，胶结料浆体硬化后本身的密度可能有所降低，但所增加的浆体有 一部分填充了聚苯颗粒之间的间隙，因而整体上说无机材包裹聚苯颗粒气凝胶复合保温材料 的密实度增大了。这种变化使保温浆体的均匀性得到改善，进而降低材料的导热系数。
另一方面，在一定添加量下，矿渣粉的添加对无机材包裹聚苯颗粒气凝胶复合保温材料 的抗压强度和压剪粘结强度都有所提高，但可能有一个最大添加量，尚有待于进一步试验。
表7中各个无机材包裹聚苯颗粒气凝胶复合保温材料的抗压强度都不高，为此，使用能 够显著激发石膏基材料活性的凝聚硅粉来提高抗压强度。结果(见表8)显示，凝聚硅粉的 添加，不但能够明显提高无机材包裹聚苯颗粒气凝胶复合保温材料的抗压强度，也能够使压 剪粘结强度有所提高。这一试验结果，是符合凝聚硅粉在石膏基材料中的作用原理的。
表8添加凝聚硅粉对复合保温材料物理力学性能的变化
(3)气凝胶对无机材包裹聚苯颗粒气凝胶复合保温材料保温隔热性能的影响
在无机材包裹聚苯颗粒气凝胶复合保温材料保温隔热材料中添加气凝胶对其保温隔热性 能影响的试验结果如表9所示。
表9气凝胶对无机材包裹聚苯颗粒气凝胶复合保温材料 导热系数影响的试验结果
在表9中，气凝胶的添加量从1号至5号依次增大。可见，气凝胶对无机材包裹聚苯颗 粒气凝胶复合保温材料材料导热系数的影响是很显著的。但添加气凝胶会产生两种不利影响。 一是气凝胶价格昂贵，而是气凝胶的添加会显著降低无机材包裹聚苯颗粒气凝胶复合保温材 料材料的物理力学性能。因而，其添加应该保持在一定的限度内。换言之，气凝胶在无机材 包裹聚苯颗粒气凝胶复合保温材料材料中只能作为一种改善性能的添加剂，而不能作为主要 材料使用。而对无机材包裹聚苯颗粒气凝胶复合保温材料材料主要性能(保温隔热性能和A 级不燃性能)的实现，还是靠聚苯乙烯泡沫颗粒、玻化空心微珠和矿渣粉以及凝聚硅灰等材 料来实现的。
(4)无机材包裹聚苯颗粒气凝胶复合保温材料的保温隔热性能
从无机材包裹聚苯颗粒气凝胶复合保温材料的组成来说，其保温隔热性能应该优于胶粉 聚苯颗粒无机材包裹聚苯颗粒气凝胶复合保温材料和无机保温砂浆两种保温材料。我们将试 验过程中试验的不同样品的干密度和导热系数整理列于表10。
表10无机材包裹聚苯颗粒气凝胶复合保温材料的干密度与导热系数
对于表10中的结果可以进行如下的分析：在胶粉聚苯颗粒无机材包裹聚苯颗粒气凝胶复 合保温材料和无机保温砂浆两种保温材料中，材料的均匀性较差，这表现为粘结和包裹保温 骨料的胶结料浆体的密度较高，导热系数相对较高。由于保温材料干密度的约束，胶结料浆 体的量不能够完全填充保温骨料间的间隙。
在无机材包裹聚苯颗粒气凝胶复合保温材料中，由于矿渣粉的引入，胶结料浆体的密度 减小，导热系数降低，而胶结料浆体的体积增大，即在相同质量的胶结料情况下，会有更大 体积的胶结料浆体填充保温骨料颗粒之间的间隙，消除或减少保温骨料颗粒之间的间隙，即 无机材包裹聚苯颗粒气凝胶复合保温材料的均匀性较好。因而，在相同干密度情况下保温材 料具有较低的导热系数，即具有更好的保温隔热性能。
(5)无机材包裹聚苯颗粒气凝胶复合保温材料的施工和易性
在无机材包裹聚苯颗粒气凝胶复合保温材料中，由于各种骨料和材料颗粒之间的级配较 好，拌合物的密实度高，同时由于玻化空心微珠、矿渣粉、凝聚硅灰和气凝胶的添加，胶结 料浆体数量多，因而材料的施工和易性极好。在试验过程中发现，拌合物的粘聚性好、触变 性大，易于批涂、抹平等操作。这些易操作、施工性是胶粉聚苯颗粒无机材包裹聚苯颗粒气 凝胶复合保温材料和无机保温砂浆所难以达到的。
综合以上的试验结果及其分析可以知道，通过矿渣粉的引入，在无机保温砂浆中能够添 加较大体积的聚苯颗粒，而且所得到的这种无机材包裹聚苯颗粒气凝胶复合保温材料除了具 有所需要的A级不燃性能外，其导热系数也明显降低，物理力学性能相应提高，且拌合物的 施工性非常好；通过气凝胶的添加，能够实现无机材包裹聚苯颗粒气凝胶复合保温材料材料 具有较低的导热系数。
(6)无机材包裹聚苯颗粒气凝胶复合保温材料的体积系数
无机材包裹聚苯颗粒气凝胶复合保温材料的体积系数是指单位体积无机材包裹聚苯颗粒 气凝胶复合保温材料拌合物凝结硬化后的体积，一般认为胶粉聚苯颗粒无机材包裹聚苯颗粒 气凝胶复合保温材料的体积系数在0.75～0.80之间，无机保温砂浆因为在拌制工程中导致的 玻化微珠的破碎，体积系数较低。无机材包裹聚苯颗粒气凝胶复合保温材料由于材料内部结 构均匀，密实，体积系数较高，在0.85以上。体积系数高的直观效益就是同样数量的产品， 施工相同厚度的保温层，所施工的面积更大。例如，若保温层的厚度设计为40mm，当体积 系数为0.8时，则每立方米无机材包裹聚苯颗粒气凝胶复合保温材料在理论上能够施工25平 方米，但实际上施工的面积只有20平方米。若体积系数为0.85，则施工的面积可以达到22.5 平方米。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本 发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内；本 发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。
Claims (6)
1.无机材包裹聚苯颗粒气凝胶复合保温材料，其特征在于，单位体积内包含如下重量份的原料：
2.根据权利要求1中所述的无机材包裹聚苯颗粒气凝胶复合保温材料，其特征在于：所述矿渣粉的堆积密度为650～850kg/m3，粒径约0.1mm。
3.根据权利要求1中所述的无机材包裹聚苯颗粒气凝胶复合保温材料，其特征在于：所述气凝胶密度0.5g/cm3；气凝胶三维纳米多孔结构孔隙率＞85％，导热系数＜0.018W/m·k。
4.根据权利要求1中所述的无机材包裹聚苯颗粒气凝胶复合保温材料，其特征在于：所述聚苯乙烯泡沫颗粒粒径在2.36mm至4.75mm，堆积密度约12kg/m3；所述玻化空心微珠的粒径在0.15～1.18mm；所述聚苯颗粒与玻化空心微珠的质量比为1∶1.0。
5.一种如权利要求1-4中任一项所述无机材包裹聚苯颗粒气凝胶复合保温材料的制备方法，其特征在于，具体制备步骤如下：
(A)先配制胶粉料，将配方中除聚苯乙烯泡沫颗粒和玻化空心微珠以外的各种原材料称量并基本混合均匀成为胶粉料后，再过0.6mm方孔筛两道备用；
(B)将聚苯乙烯泡沫颗粒和玻化空心微珠两种保温隔热骨料混合均匀，按照配方比例与胶粉料混合，边混合边加水拌制成无机材包裹聚苯颗粒气凝胶复合保温材料拌合物；所述加水量为干物料重量的20～40％。
6.一种如权利要求5所述无机材包裹聚苯颗粒气凝胶复合保温材料在墙体保温施工中的应用，其特征在于：将无机材包裹聚苯颗粒气凝胶复合保温材料拌合物作为胶泥均匀涂抹于墙体上，干燥即可。
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