TWI400212B - 發泡無機聚合物及其形成方法 - Google Patents

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Yi Fu Chen
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Description

發泡無機聚合物及其形成方法
本發明係關於一種無機聚合物及其製法，且特別是有關於一種發泡無機聚合物及其製法。
隨著地球能源逐漸耗盡與暖化現象，使得建築耗能問題日趨嚴重。尤其，熱島效應更使大量使用水泥混凝土為建材之都會區有更為嚴重的耗能問題。如何在夏熱冬暖的氣候下，維持室內的舒適環境因而成為建築結能的發展重點。
建築材料若具有較佳隔熱性質時，不僅可以防止建築結露、延長建築物的使用壽命，並且可以大幅改善室內冷熱環境，更有益於人體健康。此外，建築隔熱材料也有助於減少冬季暖氣與夏季冷氣的能源耗損，更能符合綠建材的相關要求。
因此，開發具有隔熱性質的新建材為節能建材重點開發技術之一。
本發明提供一種發泡無機聚合物的形成方法，包括提供鹼性有機矽改質溶液，將鋁矽酸鹽礦物加至鹼性有機矽改質溶液中，其中鹼性有機矽改質溶液的添加量為約66.7wt%~200wt%之間，以鋁矽酸鹽礦物的重量為基準，以及將發泡劑加入鋁矽 酸鹽礦物與鹼性有機矽改質溶液之混合液中，以形成發泡無機聚合物，其中發泡劑之添加量為約0.1wt%~1wt%之間，以鋁矽酸鹽礦物的重量為基準。
本發明另提供一種發泡無機聚合物，包括無機聚合物，具有複數個孔隙，其中無機聚合物包括鋁矽酸鹽礦物、發泡劑、及有機矽改質劑。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
本發明實施例將鹼性有機矽改質溶液以及發泡劑導入無機聚合物之前驅物中，使無機聚合物材料快速發泡。透過導入鹼性有機矽改質溶液，可使所形成之發泡無機聚合物具有較佳的強度與隔熱性。
本發明實施例之發泡無機聚合物的形成方法首先係提供鹼性有機矽改質溶液，並將鋁矽酸鹽礦物加至鹼性有機矽改質溶液中。適合本發明之鋁矽酸鹽礦物包括任何可於鹼性溶液中溶出矽離子或鋁離子之礦物、固體、或廢棄物。於鹼性溶液中所溶出之包含矽離子及/或鋁離子之膠體顆粒之間，可產生架橋作用。經脫水乾燥後，可形成具強度之無機聚合物。適合本發明之鋁矽酸鹽礦物例如有高嶺土、變高嶺土、膨潤土、燃煤灰渣、煉鋼爐渣、骨材、砂、或前述之組合。其中，變高嶺土可經由焙燒高嶺土而獲得， 焙燒溫度介於約650℃~800℃之間，較佳為約700℃。變高嶺土表面之矽及鋁在鹼性環境下，將更容易析出以提供無機聚合物聚合所需之膠體。
本發明實施例添加的鹼性有機矽改質溶液可將鋁矽酸鹽礦物中之矽離子及鋁離子溶出，且與之共聚合而形成無機聚合物。在一實施例中，鹼性有機矽改質溶液的添加量為約66.7wt%~200wt%之間，以鋁矽酸鹽礦物的重量為基準。在另一實施例中，鹼性有機矽改質溶液的添加量為約80wt%~180wt%之間，以鋁矽酸鹽礦物的重量為基準。在又一實施例中，鹼性有機矽改質溶液的添加量為約100wt%~160wt%之間，以鋁矽酸鹽礦物的重量為基準。
本發明實施例之鹼性有機矽改質溶液包括將有機矽改質劑加入鹼性矽酸鹽溶液中而得。適合本發明之有機矽改質劑包括甲基矽醇鹽、矽樹脂、矽烷、有機矽乳液、或前述之組合。在一實施例中，有機矽改質劑之添加量為鋁矽酸鹽礦物的約5wt%~10wt%之間。在另一實施例中，有機矽改質劑之添加量為鋁矽酸鹽礦物的約6wt%~9wt%之間。在又一實施例中，有機矽改質劑之添加量為鋁矽酸鹽礦物的約7wt%~8wt%之間。
適合本發明之鹼性溶液包括氫氧化鈉、氫氧化鉀、矽酸鈉、矽酸鉀等水溶液、或前述之組合。在一實施例中，鹼性溶液的濃度介於約2M~8M之間。在另一實施例中，鹼性溶液之的濃度介於約3M~7M之間。在又一實施例中，鹼性溶液的濃度介於約4M~6M之間。在一實施例之鹼性 有機矽改質溶液中，其SiO2 /M2 O之莫耳比為約0.75~1.5之間，其中SiO2 /M2 O之莫耳比係指二氧化矽的莫耳濃度與鹼金屬氧化物(M為Na或K)莫耳濃度的比值。
在將鋁矽酸鹽礦物與鹼性有機矽改質溶液混合後，接著於鋁矽酸鹽礦物與鹼性有機矽改質溶液之混合液中加入發泡劑，以形成發泡無機聚合物。在一實施例中，發泡劑的添加量為約0.1wt%~1wt%之間，以鋁矽酸鹽礦物的重量為基準。在另一實施例中，發泡劑的添加量為約0.2wt%~0.8wt%之間，以鋁矽酸鹽礦物的重量為基準。在又一實施例中，發泡劑的添加量為約0.4wt%~0.6wt%之間，以鋁矽酸鹽礦物的重量為基準。
適合本發明之發泡劑包括金屬發泡劑，例如鋁粉、鋅粉、或前述之組合。發泡劑可於鹼性環境中反應生成氣體，可使無機聚合物漿體內部形成大量密閉氣孔結構，可使所形成之無機聚合物具有質輕、隔熱佳等特性。例如，金屬鋁或鋅在鹼性環境中，會與OH－ 離子產生化學反應而生成鋁酸鹽或鋅酸鹽及氫氧化物，並釋放出氫氣。所釋放之氫氣會使無機聚合物中充斥許多微小氣孔。氣孔之分佈與大小可影響所形成發泡無機聚合物之隔熱性質與機械強度。在一實施例中，採用表面積大之金屬粉末作為發泡劑，例如採用高純度且粒徑小於325μm之鋁粉。
在一實施例中，進一步將鋁矽酸鹽礦物、鹼性有機矽改質溶液、以及發泡劑之混合液加入模具中，並且於例如約10℃~40℃之間靜置養護成型。
本發明實施例之發泡無機聚合物包括具有複數個孔隙之無機聚合物，其包括鋁矽酸鹽礦物、發泡劑、及有機矽改質劑。在一實施例中，發泡無機聚合物之密度介於約0.68g/cm3 ~0.92g/cm3 之間，其熱傳導係數小於約0.3W/mK，且其抗壓強度大於約50kgf/cm2 ，適於作為隔熱建材。在其他實施例中，發泡無機聚合物之熱傳導係數為約0.1W/mK~0.25W/mK之間，其抗壓強度為約55kgf/cm2 ~150kgf/cm2 之間。
以下，列舉數個實施例以進一步說明本發明之實施方式。本發明實施例之防水無機聚合物的形成方法流程圖例如第1圖所示。
【實施例】 實施例1 不同有機矽改質劑實驗數據
將高嶺土(kaolinite)置於700℃的高溫爐中焙燒。持溫3小時以使高嶺土脫羥而轉變成非晶質之變高嶺土。變高嶺土將作為鋁矽酸鹽礦物之來源。
接著，製備鹼性有機矽改質溶液。於150ml的鹼性溶液中分別加入7.5克之7種有機矽改質劑。其中，鹼性溶液是由75ml 15.45M的氫氧化鈉與75ml矽酸鈉水玻璃(SiO2 ：32.1%；Na2 O：12.8%)調配而成。所製備之鹼性有機矽改質溶液中，SiO2 /M2 O之莫耳比為約1之間。
接著，將150克的變高嶺土加入225克之鹼性有機矽改質溶液，並機械攪拌30分鐘。接著，加入純度99%粒徑小於約325μm的金屬鋁粉0.15克，並快速攪拌。接著，將 混合液注入模具中並於常溫下靜置養護7天後脫模。所得發泡無機聚合物之材料熱物理性質與機械性質整理如表一所示。
其中，改質劑1~7分別依序為矽烷類、甲基矽醇鹽類、甲基矽醇鹽類、矽烷類、矽樹脂類、甲基矽醇鹽類、及有機矽乳液類。
比較例1
比較例1之發泡無機聚合物的製法大抵與實施例1之製法相同，其差別僅在於比較例之發泡無機聚合物沒有添加有機矽改質劑。所得之發泡無機聚合物之熱傳導係數下降至0.144W/mK，但幾乎失去強度，可例如用作填充材， 但不適於用作建材。
比較例2
比較例2之無機聚合物的製法大抵與實施例1之製法相同，其差別僅在於比較例2之無機聚合物沒有添加有機矽改質劑及發泡劑。所得之無機聚合物雖有不錯的強度，但其熱傳導係數為0.56W/mK，密度為1.3 g/cm3 ，隔熱性質較差。
由實施例1、比較例1、及比較例2之結果可看出，本發明實施例利用將發泡劑導入無機聚合物之前驅物溶液中，可成功使無機聚合物發泡，而使其具有優良的隔熱性質。相較於無添加發泡劑之無機聚合物，本發明實施例之發泡無機聚合物可使熱傳導係數由0.56W/mK大幅下降至0.25W/mK以下。透過進一步導入有機矽改質劑於無機聚合物之前驅物溶液中，更可進一步增進發泡無機聚合物之機械強度，適於用作輕質隔熱建材。
以下，列舉本發明其他實施例之實施過程及所得發泡無機聚合物之材料熱物理性質與機械性質。
實施例2不同矽烷類改質劑添加量
將高嶺土(kaolinite)置於700℃的高溫爐中焙燒。持溫3小時以使高嶺土脫羥而轉變成非晶質之變高嶺土。變高嶺土將作為鋁矽酸鹽礦物之來源。
接著，製備鹼性有機矽改質溶液(或稱為鹼性矽烷類改質溶液)。於150ml的鹼性溶液中分別加入0~15克之5種不同添加量的矽烷類改質劑(有機矽改質劑)。其中，鹼性 溶液是由75ml 15.45M的氫氧化鈉與75ml矽酸鈉水玻璃(SiO2 ：32.1%；Na2 O：12.8%)調配而成。所製備之鹼性矽烷類改質溶液中，SiO2 /M2 O之莫耳比為約1之間。
接著，將150克的變高嶺土加入225克之鹼性矽烷類改質溶液，並機械攪拌30分鐘。接著，加入純度99%粒徑小於約325μm的金屬鋁粉0.15克，並快速攪拌。接著，將混合液注入模具中並於常溫下靜置養護7天後脫模。所得發泡無機聚合物之材料熱物理性質與機械性質整理如表二所示。
實施例3 不同鋅粉發泡劑添加量
將高嶺土(kaolinite)置於700℃的高溫爐中焙燒。持溫3小時以使高嶺土脫羥而轉變成非晶質之變高嶺土。變高嶺土將作為鋁矽酸鹽礦物之來源。
接著，製備鹼性有機矽改質溶液(或稱為鹼性矽烷類改 質溶液)。於150ml的鹼性溶液中加入7.5克之矽烷類改質劑(有機矽改質劑)。其中，鹼性溶液是由75ml 15.45M的氫氧化鈉與75ml矽酸鈉水玻璃(SiO2 ：32.1%；Na2 O：12.8%)調配而成。所製備之鹼性矽烷類改質溶液中，SiO2 /M2 O之莫耳比為約1之間。
接著，將150克的變高嶺土加入225克之鹼性矽烷類改質溶液，並機械攪拌30分鐘。接著，分別加入純度99%粒徑小於約325μm的金屬鋅粉0.09~0.15克，並快速攪拌。接著，將混合液注入模具中並於常溫下靜置養護7天後脫模。所得發泡無機聚合物之材料熱物理性質與機械性質整理如表三所示。
雖然本發明已以數個較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作任意之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界 定者為準。
第1圖顯示本發明一實施例之發泡無機聚合物的形成方法流程圖。

Claims (12)

  1. 一種發泡無機聚合物的形成方法，包括：提供一鹼性有機矽改質溶液，其中該鹼性有機矽改質溶液包括將一有機矽改質劑加入一鹼性溶液中而得，該有機矽改質劑包括甲基矽醇鹽、矽樹脂、矽烷、有機矽乳液、或前述之組合，且該鹼性溶液包括氫氧化鈉、氫氧化鉀、矽酸鈉、矽酸鉀、或前述之組合；將一鋁矽酸鹽礦物加至該鹼性有機矽改質溶液中，其中該鹼性有機矽改質溶液的添加量為約66.7wt%~200wt%之間，以該鋁矽酸鹽礦物的重量為基準，且該有機矽改質劑之添加量為該鋁矽酸鹽礦物的約5wt%~10wt%；以及將一發泡劑加入該鋁矽酸鹽礦物與該鹼性有機矽改質溶液之混合液中，以形成一發泡無機聚合物，其中該發泡劑之添加量為約0.1wt%~1wt%之間，以該鋁矽酸鹽礦物的重量為基準。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之發泡無機聚合物的形成方法，其中該鋁矽酸鹽礦物包括高嶺土、變高嶺土、膨潤土、燃煤灰渣、煉鋼爐渣、骨材、砂、或前述之組合。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之發泡無機聚合物的形成方法，其中該鹼性有機矽改質溶液中包括二氧化矽及鹼金屬氧化物，該二氧化矽與該鹼金屬氧化物之莫耳濃度比值為約0.75~1.5之間，且該鹼金屬氧化物包括氧化鈉或氧化鉀。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之發泡無機聚合物的形成方法，其中該發泡劑包括鋁粉、鋅粉、或前述之組合。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之發泡無機聚合物的形成方法，更包括：將該鋁矽酸鹽礦物與該鹼性有機矽改質溶液之混合液及該發泡劑加入一模具；以及將該鋁矽酸鹽礦物與該鹼性有機矽改質溶液之混合液及該發泡劑維持於一溫度下靜置。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之發泡無機聚合物的形成方法，其中該溫度為約10℃~40℃之間。
  7. 一種發泡無機聚合物，包括：一無機聚合物，具有複數個孔隙，其中該無機聚合物包括一鋁矽酸鹽礦物、一發泡劑、及一有機矽改質劑，其中該有機矽改質劑包括甲基矽醇鹽類、矽樹脂類、矽烷類、有機矽乳液類、或前述之組合。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之發泡無機聚合物，其中該鋁矽酸鹽礦物包括高嶺土、變高嶺土、膨潤土、燃煤灰渣、煉鋼爐渣、骨材、砂、或前述之組合。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之發泡無機聚合物，其中該發泡劑包括鋁粉、鋅粉、或前述之組合。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之發泡無機聚合物，其密度介於約0.68 g/cm3 ~0.92g/cm3 之間。
  11. 如申請專利範圍第7項所述之發泡無機聚合物，其熱傳導係數小於約0.3W/mK。
  12. 如申請專利範圍第7項所述之發泡無機聚合物，其抗壓強度大於約50kgf/cm2 。
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