CN115611653A

CN115611653A - 轻质多孔材料颗粒的制造方法

Info

Publication number: CN115611653A
Application number: CN202110805768.6A
Authority: CN
Inventors: 江世哲; 郑瑞滨; 林志谦
Original assignee: Ruentex Materials Co Ltd
Current assignee: Ruentex Materials Co Ltd
Priority date: 2021-07-16
Filing date: 2021-07-16
Publication date: 2023-01-17

Abstract

本发明涉及一种利用硅铝质原料或废弃物制作轻质多孔材料颗粒的制造方法，特别是能制备广泛粒径分布的轻质多孔材料颗粒。

Description

轻质多孔材料颗粒的制造方法

技术领域

本公开涉及一种利用硅铝质原料或废弃物制作轻质多孔材料颗粒的制造方法，特别是能制备广泛粒径分布的轻质多孔材料颗粒。

背景技术

轻质骨材是一种具多孔结构的矿物粒料，通常指颗粒密度小于1.8g/cm³的多孔质粒料，经造粒后以高温烧结而成，内部含有封闭式微孔结构，具耐火性质，且因其结构关系，具有隔音、隔热且质轻的效果。轻质多孔材料颗粒具有隔热、隔音、轻量化等特性，可用于功能型营建材料、保温隔热涂料、轻量化复合材料填料物、耐燃材料填充物、低介电绝缘封装材料添加物、防锈涂层等应用领域。

人造轻质骨材与膨胀玻璃通常透过高温烧结程序，将母材加热至高温，使母材发生部分熔融形成适当黏性的玻璃质液相，透过母材内部产气源受热释出的原理，因熔融母材具有高黏性的玻璃质液相特性，使母材内部释出的气体受黏性玻璃质液相限制而不易喷出逃逸，进而因体积增大而将母材玻璃质液相结构撑起，形成多孔细胞窝结构，使其达到发泡膨胀的效果。

现有技术中常见的人造轻质骨材，除了利用粘土、页岩、板岩等天然材料制得之外，亦可利用工业或环境的废弃物，如底灰、高炉渣、下水道污泥、及淤泥等，经热处理或冷结固化加工制成。然而，因制程高温环境，无论以射出成型造粒或喷雾干燥造粒的母材，于高温环境下均会使每一颗粒达到玻璃质液相型态，此时因材料熔融黏性而使造粒的母材相互接触而产生相互黏结现象，进而无法形成单一颗粒的人造轻质骨材或膨胀玻璃。而人造轻质骨材因多为高铝质成分组成，膨化烧结制程需以较高温度(1100-1200℃)进行烧结处理，长久以来存在高耗能与制造成本高昂的问题。另外，人造轻质骨材特性因产地、原料与制作方式等不同，性能有诸多差异，膨化发泡后颗粒密度约在0.9-1.4g/cm³，虽可达到骨材粒料轻量化的目的，但已无法满足现今高性能隔热材料的需求。此外，人造轻质骨材发泡孔径大及分布不均，以及内部连通孔隙及裂隙缺陷多，通常都具有高吸水率的问题，对于营建工程应用面而言，对于混凝土的拌制、运输、泵送及浇置等施工性具有不利影响。

另一种人造轻质骨材则是以回收玻璃为主要原料制备的膨胀玻璃。经碾碎后的玻璃与膨胀剂、增稠剂以及水溶液混合，透过窑炉高温烧结制成膨胀玻璃，具有防火、无毒、绝缘、隔热、隔音、防磁波等特性，能广泛应用于建筑、化工、军事等领域。但回收玻璃制备膨胀玻璃，常需先经分色与硅含量分类处理后，并仅特定种类回收玻璃可制备出膨胀玻璃，原料的使用限制较多。此外，碎玻璃、膨胀剂、增稠剂以及水或水溶液混合而成，利用射出成型与烧结所制成的膨胀玻璃会呈现较大颗粒型态，因体积过大而受限应用领域，使用上较为不便。此外，在制程中通常使用的喷雾干燥法，以热空气去除雾状玻璃浆体的水分后制成膨胀玻璃颗粒，虽然可以制备成小颗粒的膨胀玻璃(0.1-2mm)，仍无法满足使用单一制程即可制备广的尺寸范围的膨胀玻璃，且喷雾干燥法通常需要利用大于200℃高温空气进行水分去除作业，就能源使用而言，较耗能不环保。

据此，业内对采用更为简便及节能、及可适用更广尺寸范围与原料种类的制程与设备来制备轻质骨材颗粒仍有极大需求。

发明内容

有鉴于产业界存在许多硅铝质类废弃物，例如废玻璃容器、废弃太阳能光电板、废汽车玻璃、废玻璃纤维、半导体化学机械研磨液污泥等，此类废弃物通常因含有混料及杂质问题，无法有效回收再利用，以至于目前以废弃堆置处理，或高价以掩埋或焚化方式进行处理，不仅造成环境的污染，也压缩掩埋场与焚化炉的使用寿命。

废玻璃容器、废太阳能光电板玻璃、废汽车玻璃、废玻璃纤维、半导体化学机械研磨液污泥等硅铝质类废弃物含有高量的二氧化硅(SiO₂)成份，若能透过特殊矿化改质技术，将废弃物转化成可受热膨胀发泡材料，再以简易快速的机械破碎方式进行造粒程序，经热烧结膨化成全新再生材料，不仅降低烧结温度、低耗能、且较传统人造轻质骨材具有低密度、低吸水率、高隔热等高性能特性，并有助于环境保护、资源永续，广泛尺寸轻质多孔材料颗粒能更有效提升下游端材料技术应用领域，增加产品机能化价值。

因此，本发明的目的在提供一种利用硅铝质原料、较佳为回收或废弃物来制备轻质多孔材料颗粒的制备方法。具有硅铝质成分的废弃物，藉由粉碎或研磨处理程序制备粉体原料，藉由添加适当的反应剂与介质，透过搅拌反应成可塑性浆料，再经适当温度干固后，形成为块状可受热膨胀合成矿物母材。接着将块材母材以机械方式破碎至所需尺寸，经分筛后与抗沾粘剂添加混合，透过烧结膨化，转化成为轻质多孔材料颗粒。所述轻质多孔材料颗粒具有隔热、隔音、轻量化等特性，可用于功能型营建材料、制冷、制热涂料、轻质填料等应用领域。

因此，本发明提供一种制备轻质多孔材料颗粒的方法，其包含以下步骤：

(1)提供硅铝质原料颗粒，

(2)提供浆料混合物，其包含所述硅铝质原料颗粒、黏度调节剂、反应性矿化剂及水，

(3)干燥所述浆料混合物，形成矿物母材，

(4)破碎所述矿物母材后形成矿物母材颗粒，对所述矿物母材颗粒进行筛分，保留粒径不小于150μm的粒子，获得第一颗粒，及

(5)将所述第一颗粒与抗沾粘剂混合后进行烧结，并膨化形成轻质多孔材料颗粒的第二颗粒。

附图说明

图1为本发明所请方法的一个具体实例的流程图。

具体实施方式

下文将更详细说明实施本发明的方式与概念。

硅铝质原料、其颗粒与制备

本发明所使用的硅铝质原料包含SiO₂与Al₂O₃作为主成分；SiO₂的含量可为48重量％至95重量％、较佳为55重量％至80重量％、更佳为60重量％至70重量％，或前述端点所组成的合理数值范围；Al₂O₃的含量可为1重量％至30重量％、较佳为1.5重量％至15重量％、更佳为2重量％至5重量％，或前述端点所组成的合理数值范围。原料本身的含水率并不特别受限，惟通常在加工前可进行干燥作业，有利于后续制程进行或材料性质控管。经干燥后的硅铝质原料水分含量通常低于1重量％，杂质低于10重量％、较佳低于5重量％、更佳低于3重量％。硅铝质原料的种类广泛，天然材料或事业废弃物等均可作为制备轻质多孔材料的原料。天然材料的实例包括(但不限于)粘土、页岩、板岩、珍珠岩等。可回收或废弃物的实例包括(但不限于)硅质类事业副产物，例如平板玻璃、废玻璃容器、废太阳能光电板、废汽车玻璃、废玻璃纤维、半导体化学机械研磨液污泥、水淬炉石、飞灰、抛光石英砖污泥、废铸砂等。亦可依据最终用途或需求针对原料的组成进行限制或调整，例如将部分天然材料与事业回收或废弃物并用、或者将不同种类的事业回收获废弃物并用等。

提供硅铝质原料后，首先将硅铝质原料制备成颗粒尺寸小于150μm，无形状限制的颗粒。此处制备成颗粒的方式可使用习知的造粒、研磨或机械方式达成。

在一个具体实例中，硅铝质原料颗粒包含两种以上的原料，并且由原料一起或分别研磨而制得。

浆料混合物与制备

接着，将硅铝质原料颗粒与黏度调节剂、反应性矿化剂及水混合，经搅拌后反应形成可塑性浆料混合物。

黏度调节剂为藉由黏度调整可塑性浆体的流变性质的试剂，应用于改变流体的流动及形变能力，例如，添加后浆体由可自由流动的流体形成缓慢流动的黏滞性液体或固体。调整黏度的目的之一在于使浆料混合物的黏度呈现适合搅拌或输送的流动性，以利后续制程输送。黏度调节剂的实例包括(但不限于)其他不影响浆体干固后成分或性质的硅酸盐类(例如呈细粉状)；或者，本浆体干固后的粉料或颗粒本身(无论是否在干固前添加其他的黏度调节剂)亦可作为黏度调节剂。水则可单独添加、或以水溶液的方式添加于硅质原料颗粒反应中，可利于均匀搅拌混合物。

水溶液中可包含矿化剂，例如碱金属氢氧化物或碱金属硅酸盐。不受理论所限制，矿化剂的作用为与硅铝质原料进行断键重组，并形成膨化所需产气源。

详细而言，(反应性)矿化剂的作用在于使硅铝质原料颗粒可进行矿化作用，将硅质原料的硬质结构经(碱性)矿化剂作用软化为受热后可塑型膨胀的玻璃相，产生受热后可膨胀的玻璃相，透过原料断键重组所产生的产气源与玻璃相，于受热烧结过程，表面形成高黏度、可塑性熔融态玻璃相，同时内部产气源因温度升高气化体积膨胀，内部气体向外释压时，因高黏度熔融态玻璃相的存在而无法通过，导致气体被包覆于玻璃相内部，致使可塑性熔融态玻璃相体积膨胀，形成多孔材料特性。一个操作性实例包括于玻璃制造过程中将硬质的硅砂加入例如苏打来制作玻璃。

在一个具体实例中，浆料混合物包含65重量％至75重量％、较佳为65重量％至70重量％的硅铝质原料颗粒，0.5重量％至6重量％、较佳为1重量％至3重量％的黏度调节剂，以及3重量％至33重量％、较佳为5重量％至10重量％的反应性矿化剂；余量可视情况添加水至100重量％。

在一个具体实例中，浆料混合物无须再进行研磨，调控硅铝质原料等原料颗粒大小后，直接进行矿化反应成可塑型膨胀的玻璃相。

矿物母材、其颗粒与制备

对浆料混合物进行干燥与硬固程序后，形成具块状的可受热膨胀的矿物母材。进行干燥与硬固程序的适用温度可为60℃至600℃，主要目的为使固体物料中的水分汽化而被带离，操作方式可以使用自然风干、热风干燥、真空干燥等方法。在一个具体实例中，干燥与硬固程序是将浆料混合物以不大于600℃热风进行水分去除，进行干固(干燥与硬固)作业，得到块状可受热膨胀合成矿物母材。于另一个具体实例中，利用80℃至150℃的热风进行干固作业可获得良好的生产效率与效果。

在获得矿物母材后，以机械方式破碎矿物母材形成颗粒，粒径大小为1μm至10mm，例如约1μm、约5μm、约10μm、约20μm、约50μm、约100μm、约150μm、约200μm、约300μm、约400μm、约500μm、约600μm、约700μm、约800μm、约900μm、约1mm、约2mm、约3mm、约4mm、约5mm、约6mm、约7mm、约8mm、约9mm、约10mm、例如较佳为150μm至5mm，或由前述任意端点所组成的合理数值范围。机械方式进行破碎的实例包括(但不限于)以机械撞击、挤压、气流高速冲击或其组合进行块体破碎，据此形成复数个矿物母材的颗粒。

为有利于后续烧结程序，对矿物母材颗粒进行尺寸的筛分，以获得粒径不小于200μm、较佳不小于150μm的粒子。

烧结

将抗沾粘剂添加至经筛分的矿物母材颗粒，均匀混合后再进行烧结，以制得轻质多孔材料颗粒。

抗沾黏剂与矿物母材的组成、尤其在SiO₂/Na₂O组成上有显着的差异，目的在于在高温烧结程序中不产生颗粒相互黏结问题。在一个具体实例中，抗沾粘剂的粒径不大于150μm，例如不大于100μm、不大于50μm、或较佳为不大于30μm。抗沾黏剂的粒径也可以依据最终所欲达成的轻质多孔材料颗粒的粒径来决定，只要抗沾黏剂的粒径不大于矿物母材颗粒的粒径，且沾粘剂本身于烧结温度下，不产生自体结块现象者即可，如耐高温的陶瓷类粉末皆具有此特性。

将混合均匀的抗沾黏剂经筛分的矿物母材颗粒烧结及膨化，可藉由将其置入动态旋转窑或静态隧道窑进行，烧结温度可为600至900℃环境温度，据此形成内部具有复数个孔洞的轻质多孔性颗粒材料。

烧结完成后，移除所述抗沾粘剂以获得轻质多孔性颗粒材料，例如可将烧结完的产物进一步进行筛分。

轻质多孔性颗粒成品

本发明方法所制得的轻质多孔性颗粒尺寸大小为150μm至20mm，较佳为150μm至8mm，例如具有下列任意端点的尺寸、或尺寸落于所述等端点所组成的合理数值范围内：150μm、200μm、300μm、4000μm、500μm、600μm、700μm、800μm、900μm、1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm；材料容积密度(松单位重)介于120～350Kg/m³，例如介于150～300；筒压强度为1.5～10.0Mpa，例如2～5.0MPa。。

以下实施例用于对本公开作进一步说明，唯非用以限制本公开的范围。任何此技术技艺中具有通常知识者可轻易达成的修饰及改变均包括于本案说明书揭示内容及所附权利要求书的范围内。

实施例

下表列出市售轻质骨材与本发明方法所制得的例示性轻质多孔材料颗粒的性质：

	市售轻质(陶粒)骨材	本发明实例
			粒径(grain size,mm)	5～15	0.15～8
松单位重(Kg/m<sup>3</sup>)	700～900	120～350
			吸水率(％)	～10	3～6
筒压强度(Mpa)	0.7～3.5	2～5
			热传导系数(W/mK)	0.230-0.500	0.038-0.050

由上述性质可知，本发明的轻质多孔材料(颗粒)具有良好的特性：粒径分布广，可广泛运用于各个技术领域。松单位重极低，增加使用便利性并使得在轻质化应用上优势更为明显。吸水率更低，在水溶液相关产品的应用中材料不易受轻质多孔材料的添加而产生性质变化，亦或是须因应改变应用端的添加水量。筒压强度相当于市售材料或更高，表示材料在极低松单位重的情况下并未牺牲耐久性，甚至提供更佳的效果，致使在应用端可扩及更高强度的材料，不必迁就于轻质骨材本身的低强度导致添加后材料强度降低的负面影响。热传导系数更是远低于市售产品，对于绝热相关用途更为有利。此外，所发展的适用于轻质骨材的用制造方法，在烧结程序过程中母材不因熔融特性，造成黏结成块(aggregation)现象，进而产制出颗粒分明的轻质多孔性颗粒材料，且更具有高生产效率。

本发明因此提供了事业副产物或废弃物减废、资源再利用的环境保护的效益，亦充分实践资源永续高值化应用的循环经济的实务作法。

熟习此项技术者应显而易知，可在不背离本发明的范畴或精神下对本发明的内容作出各种修改及变化。鉴于上文，意欲本发明涵盖本发明的修改及变化，其限制条件为该等修改及变化处于以下申请专利范围及其相等物的范畴内。

Claims

1.一种制备轻质多孔材料颗粒的方法，其包含以下步骤：

(1)提供硅铝质原料颗粒，

(3)干燥所述浆料混合物，形成矿物母材，

2.根据权利要求1的方法，其中步骤(4)的破碎藉由机械撞击、挤压、气流高速冲击或其组合所进行。

3.根据权利要求1的方法，其中步骤(2)的所述浆料混合物包含65重量％至85重量％的所述硅铝质原料颗粒、0.5重量％至10％的所述黏度调节剂以及15重量％至35重量％的所述反应性矿化剂。

4.根据权利要求1的方法，其中步骤(4)的所述矿物母材颗粒的粒径为1μm至10mm。

5.根据权利要求1的方法，其中步骤(5)的所述第二颗粒为150μm至20mm。

6.根据权利要求1的方法，其中步骤(5)的所述抗沾粘剂的粒径不大于所述第一颗粒的粒径。

7.根据权利要求1的方法，其进一步包含步骤(6)，将烧结完的产物进一步筛分以移除所述抗沾粘剂。

8.根据权利要求1的方法，其中步骤(1)的硅铝质原料颗粒包含两种以上的原料，且由所述原料一起或分别研磨而制得。

9.根据权利要求1的方法，其中步骤(5)的烧结在旋转窑或隧道窑中进行。