CN115557763B - 一种基于钢渣吸收co2形成的隔热保温材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于钢渣吸收CO2形成的隔热保温材料及其制备方法，包括按质量百分比计的钢渣粉75～86％，氢氧化钙5～10％，硅灰2～10％，过氧化氢1～3％，硬脂酸钙1～4％以及氯化镁0.5～5％。将钢渣粉与硬脂酸钙、氢氧化钙和硅灰干混混合均匀，然后依次与氯化镁溶液、过氧化氢溶液混合搅拌，振动成型得到坯体，坯体置于通有CO2气体的反应釜中，碳化反应后即得。本发明隔热保温材料通过调控剂的作用，使钢渣形成以文石型CaCO3晶体形成的网状骨架，有利于提高孔隙率，进而有利于降低隔热材料的导热系数和容重，同时也有利于抗折强度的提高。

Description

一种基于钢渣吸收CO2形成的隔热保温材料及其制备方法
技术领域
本发明属于保温隔热材料领域，具体涉及一种基于钢渣吸收CO2形成的隔热保温材料及其制备方法。
背景技术
由于建筑物隔热保温效果不佳将会造成大量能源损失，而使用隔热保温材料能在一定程度上很好地解决建筑能源浪费的问题。因此对于墙体外墙隔热保温的需求越来越多。国内有机保温材料类型很多。其中以发泡聚苯板(EPS)、挤塑聚苯乙烯泡沫板(XPS)等为主。其具有较低的导热系数、优异的保温隔热性能、良好的抗湿性以及良好的阻燃性能和抗渗性能，但是这类保温材料都极易燃烧，对人民生命安全构成了重大威胁[龚伦伦.基于发泡和固化法的硅酸盐无机外墙保温材料制备与性能研究.中国科学技术大学.2014]。另一方面无机保温材料，如加气混凝土、发泡水泥。克服了有机保温材料的缺陷，具有良好的防火性能；阻燃性能好，性能稳定；粘结力强。但是其容重大、强度较低，承重性能差，干燥收缩较大，最主要是其保温隔热性能差难以满足外墙隔热保温的要求[王健雁.发泡水泥保温板制备技术研究进展.四川建材.2016(01):9-21]，因此迫切需要研发一种低导热、容重小的无机质的隔热保温材料，以满足外墙隔热材料的隔热保温和不燃烧的要求。
另一方面，钢渣是炼钢过程中的产生的一种工业副产品，在我国年产品约为1亿吨。由于钢渣的综合利用率较低引起了一系列的环境问题。大量废弃的钢渣通常就地堆放，占用大面积土地的同时，对附近水域可能因形成碱性渗滤液而存在潜在污染风险，进一步影响陆地和水生环境。
再者，随着全球工业化发展，温室效应日益加剧，且水泥行业所排放的CO2占总排量的7％。因此，CO2利用具有重要意义。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种以钢渣为原料，通过对CO2捕捉吸收，制备新型隔热保温材料的方法，实现建筑材料生产过程中低碳，低能源消耗，环境友好的目的。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种基于钢渣吸收CO2形成的隔热保温材料，包括如下按质量百分数计的组分：
优选地，所述基于钢渣吸收CO2形成的隔热保温材料，包括如下按质量百分数计的组分：
本发明配方中，氢氧化钙、硅灰可以增加反应活性，促进碳化反应。氢氧化钙提供钙源，可以空隙中生成更多的碳酸钙(文石晶体)。有利于提高孔隙率，进而有利于降低隔热材料的导热系数和容重。氯化镁作为晶型调节剂，过氧化氢作为发泡剂，硬脂酸钙则作为稳泡剂。
进一步优选地，所述的钢渣粉比表面积在300m2/kg以上。
进一步地，本发明还提供上述基于钢渣吸收CO2形成的隔热保温材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将钢渣粉与硬脂酸钙、氢氧化钙和硅灰干混混合均匀；
(2)将拌合水分成两份，一份用于与氯化镁配置得到氯化镁溶液，另一份用于与过氧化氢配制成过氧化氢溶液；
(3)将步骤(2)得到的氯化镁溶液加入到步骤(1)得到的干混料中，混合搅拌均匀；
(4)将步骤(2)得到的过氧化氢溶液加入到步骤(3)得到的浆体中，继续搅拌混合均匀，所得混合浆体放入模具中进行成形得到坯体；
(5)将步骤(4)所得胚体放入水浴箱养护至脱模，再将胚体放入通有CO2气体的反应釜中养护，即得。
优选地，步骤(1)中，混合均匀的干混料，经研磨后过80μm方孔筛。
优选地，步骤(2)中，拌合水用量按照与干混料的水灰比为0.3-0.6确定。
优选地，步骤(3)中，步骤(3)中，氯化镁溶液与干混料混合搅拌60～80s。
优选地，步骤(4)中，过氧化氢溶液与步骤(3)浆体搅拌混合60～80s，混合浆体放入模具中通过振动成型得到坯体。
优选地，步骤(5)中，所述胚体放入50～80℃的水浴箱中养护2～3h进行脱模。
优选地，步骤(5)中，反应釜中CO2气体的浓度不低于5％，相对湿度为70～90％，温度为50～90℃，CO2气体分压控制在0.1～0.6MPa，碳化养护1～7天。
有益效果：
本发明保温隔热板材主要通过调控剂的作用，使钢渣形成以文石型CaCO3晶体形成的网状骨架。而未添加调控剂，形成以立方状的方解石为主的碳化产物。纤维状晶体更易构成三维网络的空间结构，有利于提高孔隙率，进而有利于降低隔热材料的导热系数和容重。另一方面纤维状晶体有利于提高抗折强度，有利于调和墙体外保温隔热材料时力学强度与导热系数的矛盾。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1是实施例5得到的保温隔热板材试样的TG-DSC图。
图2是实施例5得到的保温隔热板材试样的电镜图。
图3是实施例5未添加氯化镁的保温隔热板材试样的电镜图。
具体实施方式
根据下述实施例，可以更好地理解本发明。
实施例1～5：
实施例1-5所采用的组分如表1所示(质量百分数)，各实施例中所采用的钢渣取自宝钢集团公司。
表1
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5
钢渣 85.5％ 85％ 84.5％ 84％ 83％
氢氧化钙 7.5％ 7.5％ 7.5％ 7.5％ 7.5％
硅灰 4％ 4％ 4％ 4％ 4％
过氧化氢 1％ 1％ 1％ 1％ 1％
硬脂酸钙 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5
氯化镁 0.5％ 1％ 1.5％ 2％ 3％
总量 100％ 100％ 100％ 100％ 100％
制备过程如下：
(1)按表1配料表，将钢渣粉(球磨至得到比表面积达到300m2/kg以上)与硬脂酸钙、氢氧化钙和硅灰干混，并研磨至通过80μm方孔筛。
(2)按照水灰比为0.5确定拌合水(去离子水)用量，将拌合水分成两份，一份用于与氯化镁配置得到氯化镁溶液，另一份用于与过氧化氢配制成过氧化氢溶液；
(3)将步骤(2)得到的氯化镁溶液加入到步骤(1)得到的干混料中，混合搅拌60s；
(4)将步骤(2)得到的过氧化氢溶液加入到步骤(3)得到的浆体中，继续搅拌混合60s，所得混合浆体放入模具中进行振动成形得到40mm×40mm×160mm的立方体胚体；
(5)将所得胚体先放入温度60℃的水浴箱养护2h后脱模，再将胚体放入通有CO2气体的反应釜中养护，釜中CO2分压为0.2MPa，相对湿度为90％，温度为60℃，反应7天，得到保温隔热板材。
采用《GB/T10294-2008保温绝热材料导热系数测定标准》和《JG/T 266-2011泡沫混凝土标准规范》对其进行严格的检测，结果见表2。
表2
实施例 1 2 3 4 5
导热系数/[W/(m2.k)] 0.046 0.043 0.041 0.038 0.036
抗压强度/MPa 0.38 0.37 0.35 0.33 0.31
吸水率/％ 7 7 6.9 6.9 6.8
从表2可以看出：钢渣粉的用量对于材料的导热系数、抗压强度、吸水率有很大的影响，随着钢渣粉用量的减少，材料的导热系数逐渐减少，隔热保温效果越好，并且吸水率也越来越低，但钢渣粉用量的减少会降低材料的抗压强度。
将实施例5样品进行TG-DSC分析，结果见图1，其中28.0％的质量损失主要是由碳化形成的产物碳酸钙(CaCO3)分解所至。这说明在碳化养护过程中CO2与含钙的矿物发生反应，形成了稳定的碳酸盐材料。
将实施例5样品进行扫描电镜分析，结果如图2所示，可以看见板材试样在孔隙中形成的文石晶体。说明文石晶体构成三维网络的空间结构，有利于提高孔隙率，进而有利于降低隔热材料的导热系数和容重。图3是实施例5对比样品(未添加氯化镁)的保温隔热板材试样的电镜图，可以看到其主要形成以立方状的方解石为主的碳化产物，说明氯化镁能够起到晶型调节的作用。
本发明纤维状晶体更易构成三维网络的空间结构，有利于提高孔隙率，进而有利于降低隔热材料的导热系数和容重。另一方面纤维状晶体有利于提高抗折强度，有利于调和墙体外保温隔热材料时力学强度与导热系数的矛盾。通常高的强度会伴随着高的导热系数，而本发明在提高强度的同时，导热系数也呈现降低的趋势，如表2所示。
实施例6～10：
实施例6-10所采用的组分如表3所示(质量百分数)，各实施例中所采用的钢渣取自宝钢集团公司。
表3
制备过程如下：
(1)按表1配料表，将钢渣粉(球磨至得到比表面积达到300m2/kg以上)与硬脂酸钙、氢氧化钙和硅灰干混，并研磨至通过80μm方孔筛。
(2)按照水灰比为0.5确定拌合水(去离子水)用量，将拌合水分成两份，一份用于与氯化镁配置得到氯化镁溶液，另一份用于与过氧化氢配制成过氧化氢溶液；
(3)将步骤(2)得到的氯化镁溶液加入到步骤(1)得到的干混料中，混合搅拌60s；
(4)将步骤(2)得到的过氧化氢溶液加入到步骤(3)得到的浆体中，继续搅拌混合60s，所得混合浆体放入模具中进行振动成形得到40mm×40mm×160mm的立方体胚体；
(5)将所得胚体先放入温度60℃的水浴箱养护2h后脱模，再将胚体放入通有CO2气体的反应釜中养护，釜中CO2分压为0.2MPa，相对湿度为90％，温度为60℃，反应1～7天，得到保温隔热板材。
采用《GB/T10294-2008保温绝热材料导热系数测定标准》和《JG/T 266-2011泡沫混凝土标准规范》对其进行严格的检测，结果见表4。
表4
实施例 6 7 8 9 10
导热系数/[W/(m2.k)] 0.073 0.065 0.053 0.041 0.036
抗压强度/MPa 0.13 0.2 0.25 0.27 0.31
吸水率/％ 10 9.5 8.3 7.6 6.8
从表4可以看出：碳化养护时间对于材料的导热系数、吸水率和抗压强度有积极的影响，随着碳化时间的延长，导热系数和吸水率逐渐变低，抗压强度逐渐上升。因此要适当增加碳化养护时间。
实施例11～15：
实施例11-15所采用的组分如表5所示(质量百分数)，各实施例中所采用的钢渣取自宝钢集团公司。
表5
制备过程如下：
(1)按表1配料表，将钢渣粉(球磨至得到比表面积达到300m2/kg以上)与硬脂酸钙、氢氧化钙和硅灰干混，并研磨至通过80μm方孔筛。
(2)按照水灰比为0.5确定拌合水(去离子水)用量，将拌合水分成两份，一份用于与氯化镁配置得到氯化镁溶液，另一份用于与过氧化氢配制成过氧化氢溶液；
(3)将步骤(2)得到的氯化镁溶液加入到步骤(1)得到的干混料中，混合搅拌60s；
(4)将步骤(2)得到的过氧化氢溶液加入到步骤(3)得到的浆体中，继续搅拌混合60s，所得混合浆体放入模具中进行振动成形得到40mm×40mm×160mm的立方体胚体；
(5)将所得胚体先放入温度60℃的水浴箱养护2h后脱模，再将胚体放入通有CO2气体的反应釜中养护，釜中CO2分压为0.2MPa，相对湿度为90％，温度为60℃，反应7天，得到保温隔热板材。
采用《GB/T10294-2008保温绝热材料导热系数测定标准》和《JG/T 266-2011泡沫混凝土标准规范》对其进行严格的检测，结果见表6。
表6
实施例 11 12 13 14 15
导热系数/[W/(m2.k)] 0.041 0.043 0.036 0.046 0.049
抗压强度/MPa 0.27 0.29 0.31 0.27 0.25
吸水率/％ 7.3 7.1 6.8 7.2 7.4
从表6可以看出：氢氧化钙用量的增加，钢渣粉用量的减少，使得材料的抗压强度逐渐减少，但对于材料的导热系数、吸水率影响不大。因此氢氧化钙的掺量要适中。
实施例16～20：
实施例16-20所采用的组分如表7所示(质量百分数)，实施例中所采用的钢渣取自宝钢集团公司。
表7
制备过程如下：
(1)按表1配料表，将钢渣粉(球磨至得到比表面积达到300m2/kg以上)与硬脂酸钙、氢氧化钙和硅灰干混，并研磨至通过80μm方孔筛。
(2)按照水灰比为0.5确定拌合水(去离子水)用量，将拌合水分成两份，一份用于与氯化镁配置得到氯化镁溶液，另一份用于与过氧化氢配制成过氧化氢溶液；
(3)将步骤(2)得到的氯化镁溶液加入到步骤(1)得到的干混料中，混合搅拌60s；
(4)将步骤(2)得到的过氧化氢溶液加入到步骤(3)得到的浆体中，继续搅拌混合60s，所得混合浆体放入模具中进行振动成形得到40mm×40mm×160mm的立方体胚体；
(5)将所得胚体先放入温度60℃的水浴箱养护2h后脱模，再将胚体放入通有CO2气体的反应釜中养护，釜中CO2分压为0.2MPa，相对湿度为90％，温度为60℃，反应7天，得到保温隔热板材。
采用《GB/T10294-2008保温绝热材料导热系数测定标准》和《JG/T 266-2011泡沫混凝土标准规范》对其进行严格的检测，结果见表8。
表8
实施例 16 17 18 19 20
导热系数/[W/(m2.k)] 0.041 0.036 0.049 0.54 0.59
抗压强度/MPa 0.29 0.31 0.27 0.25 0.23
吸水率/％ 7 6.8 7.3 7.4 7.6
从表8可以看出：硅粉用量的增加，钢渣粉用量的减少，使得材料的抗压强度减少明显，材料的导热系数、吸水率增加较大。因此，硅粉的掺量不宜太大。
本发明提供了一种基于钢渣吸收CO2形成的隔热保温材料及其制备方法的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (7)

1.一种基于钢渣吸收CO2形成的隔热保温材料，其特征在于，包括如下按质量百分数计的组分：
钢渣粉 75～86%；
氢氧化钙 5～10%；
硅灰 2～10%；
过氧化氢 1～3%；
硬脂酸钙 1～4%；
氯化镁 0.5～5%；
所述的氯化镁作为晶型调节剂，所述的过氧化氢作为发泡剂，所述的硬脂酸钙则作为稳泡剂；
所述的基于钢渣吸收CO2形成的隔热保温材料通过如下步骤制备得到：
（1）将钢渣粉与硬脂酸钙、氢氧化钙和硅灰干混混合均匀；
（2）将拌合水分成两份，一份用于与氯化镁配置得到氯化镁溶液，另一份用于与过氧化氢配制成过氧化氢溶液；
（3）将步骤（2）得到的氯化镁溶液加入到步骤（1）得到的干混料中，混合搅拌均匀；
（4）将步骤（2）得到的过氧化氢溶液加入到步骤（3）得到的浆体中，继续搅拌混合均匀，所得混合浆体放入模具中进行成形得到坯体；
（5）将步骤（4）所得胚体放入水浴箱养护至脱模，再将胚体放入通有CO2气体的反应釜中养护，即得；
步骤（4）中，过氧化氢溶液与步骤（3）浆体搅拌混合60~80s，混合浆体放入模具中通过振动成型得到坯体；
步骤（5）中，反应釜中CO2气体的浓度不低于5%，相对湿度为70~90%，温度为50~90℃，CO2气体分压控制在0.1~0.6MPa，碳化养护1~7天。
2.根据权利要求1所述的基于钢渣吸收CO2形成的隔热保温材料，其特征在于，包括如下按质量百分数计的组分：
钢渣粉 83%；
氢氧化钙 7.5%；
硅灰 4%；
过氧化氢 1%；
硬脂酸钙 1.5%；
氯化镁 3%。
3.根据权利要求1所述的基于钢渣吸收CO2形成的隔热保温材料，其特征在于，所述的钢渣粉比表面积在300 m2/kg以上。
4.根据权利要求1所述的基于钢渣吸收CO2形成的隔热保温材料，其特征在于，步骤（1）中，混合均匀的干混料，经研磨后过80μm方孔筛。
5.根据权利要求1所述的基于钢渣吸收CO2形成的隔热保温材料，其特征在于，步骤（2）中，拌合水用量按照与干混料的水灰比为0.3~0.6确定。
6.根据权利要求1所述的基于钢渣吸收CO2形成的隔热保温材料，其特征在于，步骤（3）中，氯化镁溶液与干混料混合搅拌60~80s。
7.根据权利要求1所述的基于钢渣吸收CO2形成的隔热保温材料，其特征在于，步骤（5）中，所述胚体放入50~80℃的水浴箱中养护2~3h进行脱模。
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