TWI400218B - 核殼式無機聚合物複合材料及其製法 - Google Patents

Description

核殼式無機聚合物複合材料及其製法

本發明係關於一種無機聚合物複合材料及其製造方法，特別是一種核殼式無機聚合物複合材料及其製造方法。

無機聚合物(Geopolymer)是一種以矽氧鋁結構為基礎之高性能膠結劑，無機聚合反應是以例如，富含氧化鋁之高溫灰渣為主要起始原料，以矽氧鋁(Si-O-Al)結構所組成的聚合材料，由於矽氧(Si-O)四面體與鋁氧(Al-O)四面體在重新鍵結後，會形成三維網狀結構，使得無機聚合材料具有優異的物性與化性，包括絕熱、耐熱、不燃、不發煙、耐震、耐候、抗浸蝕等特性，可替代水泥膠結劑，並具有更優異的物性。

此外，為了替代市售預鑄式輕質外牆板使用的陶粒產品，第201022159號台灣專利已開發出無機聚合物與紙渣複合的技術，並製成紙渣輕質隔熱粒料產物，可以不需經高溫燒成情況下，製成低耗能的紙渣無機聚合物複合材料。但是因無機聚合反應使用的主要原料(如水玻璃等)成本，比較起傳統膠結原料(如水泥等)，相對顯得非常昂貴，影響到產品在市場的推展成效。

是以，如何有效降低原料的使用量及產製成本，並開發出具有優異結構強度之無機聚合物複合材料，實為目前亟欲解決的課題。

為達成上揭及其他目的，本發明提供一種核殼式無機聚合物複合材料，包括：核芯，係包括富含氧化鋁之材料及添加物；無機聚合物殼層，係包覆該核芯，且該無機聚合物係具有矽氧鋁(Si-O-Al)鍵結。

本發明之核殼式無機聚合物複合材料中，該矽氧鋁鍵結之鋁原子係由核芯之富含氧化鋁之材料所提供；該矽氧鋁鍵結之矽原子係由矽酸鹽所提供。

為得到前述之核殼式無機聚合物複合材料，本發明復提供一種核殼式無機聚合物複合材料之製造方法，包括：混合富含氧化鋁之材料及添加物，以得到混合原料；加工該混合原料，以得到複數顆粒；於該複數顆粒表面施用矽酸鹽水溶液，俾使至少部分該矽酸鹽水溶液滲入該顆粒表層；對表層滲有矽酸鹽水溶液之該顆粒施以熱處理，以於該滲有矽酸鹽水溶液之顆粒表層形成無機聚合物殼層，且該無機聚合物係具有矽氧鋁鍵結。

前述之核殼式無機聚合物複合材料之製造方法，復可包括於施用矽酸鹽水溶液之步驟前，以鹼性水溶液活化該富含氧化鋁之材料，其中，該鹼性水溶液係鹼金屬氫氧化物水溶液。通常，該鹼金屬氫氧化物水溶液之濃度為0.1至10N，並以1至5N為佳。

另外，在前述之核殼式無機聚合物複合材料之製造方法中，可視需要於混合富含氧化鋁之材料及添加物的步驟中添加水，以得到混合原料漿體。然若使用之添加物含水率較高，例如紙渣污泥，則可不添加水份直接混合富含氧化鋁之材料及添加物。

另一方面，為使經造粒而得之複數顆粒定形且不彼此膠結，復包括於得到複數顆粒後及施用矽酸鹽水溶液之前，乾燥該所得之複數顆粒。

根據本發明之製造方法所得之核殼式無機聚合物複合材料，係以富含氧化鋁之材料及添加物作為核芯，殼層的部份則由無機聚合物所構成，且透過核芯之富含氧化鋁之材料形成矽氧鋁鍵結，從而於降低原料及製作成本的條件下，得到具有優異筒壓強度及總體密度的核殼式無機聚合物複合材料。

以下藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟習此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之優點及功效。本發明亦可藉由其它不同之實施方式加以施行或應用，本說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用，在不悖離本發明所揭示之精神下賦予不同之修飾與變更。

為符合資源再利用、節省能源耗費之要求，並得到具成本優勢及良好結構強度之無機聚合物複合材料，本發明提供提供一種核殼式無機聚合物複合材料之製造方法，包括：混合富含氧化鋁之材料及添加物，以得到混合原料；加工該混合原料，以得到複數顆粒；於該複數顆粒表面施用矽酸鹽水溶液，俾使至少部分該矽酸鹽水溶液滲入該顆粒表層；對表層滲有矽酸鹽水溶液之該顆粒施以熱處理，以於該滲有矽酸鹽水溶液之顆粒表層形成無機聚合物殼層，且該無機聚合物係具有矽氧鋁鍵結。

本文中，「富含氧化鋁之材料」亦有稱為「富含鋁氧」之情況，亦即通常係指經培燒過之富含氧化鋁之材料，舉例而言，前述之核殼式無機聚合物複合材料之製造方法中，該富含氧化鋁之材料包括選自經高溫焙燒(500-800℃)的高嶺土粉體、飛灰、爐石、鋁渣及脫硫渣所組成群組之一種或多種。該飛灰、爐石、鋁渣及脫硫渣係為經高溫製程所產生富含氧化鋁之粉體。另外，本文所述之「富含氧化鋁」係指材料中包含至少10wt%以上之氧化鋁成分。

至於該添加物係以粉體材料為佳。且該粉體材料可為對無機聚合反應為惰性者。該添加物之實例包括紙渣污泥、崗石材污泥、廢矽藻土或礦砂，或者其他廢棄資源。

於混合富含氧化鋁之材料及添加物的步驟中，典型地，係先將富含氧化鋁之材料與添加物依所欲之定量配比例如，可於重量比1:1至1:20之範圍，分別稱量後，視選用材料之特性添加水，再進行混拌處理，直到成均勻的混合原料漿體。

舉例而言，若添加物為紙渣污泥，則需先在高扭力的錨狀式或刮刀式或雙軸式等混拌機中，進行高速的混拌分散處理，直到紙渣污泥的木纖維團完全解離分散成均勻的漿體。再混入富含氧化鋁之材料於紙渣污泥的漿體中，確保木纖維是以未纏繞的分離狀存在漿體中，亦即在漿體中已經完全無團狀的木纖維存在。此外，當使用之添加物含水率較高，例如紙渣污泥，則可不添加水份直接混合富含氧化鋁之材料及添加物。

在得到混合原料後，接著加工該混合原料，以得到複數顆粒。通常，係將混合原料直接充填到擠出造粒機的混練進料容器中，進行擠出造粒的製作，並視顆粒初期成形的固結程度需求，將擠出的顆粒進行初步的乾燥處理，使顆粒能定形不會互相膠黏。此乾燥處理可以在常溫下靜置陰乾或是以陽光曝曬，或是於40至90℃烘乾該顆粒，促使擠出的顆粒能達成初期固定成形，並確保在後續的加工處理過程不會崩解散開。

接著，於該複數顆粒(視需要經乾燥處理者)表面施用矽酸鹽水溶液，俾使至少部分該矽酸鹽水溶液滲入該顆粒表層；該矽酸鹽水溶液係如習知的水玻璃溶液，例如矽酸鈉或矽酸鉀水溶液。再進行本步驟時，可以浸泡或噴塗之方式使至少部分該矽酸鹽水溶液滲入該顆粒表層。

浸泡處理是將複數顆粒直接浸泡在如5至50wt%之矽酸鹽水溶液中，使矽酸鹽滲入顆粒的外層部分。表面的噴塗處理則係將矽酸鹽水溶液利用噴霧器霧化，直接噴塗到顆粒的表面，並吸收至顆粒表層。

又前述之核殼式無機聚合物複合材料之製造方法中，復可包括於施用矽酸鹽水溶液之步驟前，以鹼性水溶液活化該富含氧化鋁之材料，以增進無機聚合反應的誘發，其中，該鹼性水溶液係鹼金屬氫氧化物水溶液。通常，該鹼金屬氫氧化物水溶液之濃度為0.1至10N，並以1至5N為佳。

隨後，對表層滲有矽酸鹽水溶液之該顆粒施以熱處理，以於該滲有矽酸鹽水溶液之顆粒表層形成無機聚合物殼層，且該無機聚合物係具有矽氧鋁鍵結。雖然，無機聚合物的形成可以在常溫進行，但常溫處理的時間較長且產品的品質較差。升溫之熱處理，可以旋轉爐加熱，或是帶式烘焙機，或是靜置式台車窑或烘焙機進行作業。該熱處理的溫度與時間範圍，可視無機聚合反應的需求決定，通常溫度範圍約在40至200℃，其中最適範圍為90至150℃。熱處理時間則因本發明為核殼式無機聚合物複合材料，僅需在顆粒的外層部分誘發無機聚合反應，因此，通常加熱時間範圍約在10至60分，並可視配合粒料所需達成無機聚合固化的程度調整。

根據前述之製造方法，本發明提供一種核殼式無機聚合物複合材料，如第1圖所示之核殼式無機聚合物複合材料顯微鏡局部放大圖，該核殼式無機聚合物複合材料1包括：核芯10，係包括富含氧化鋁之材料及添加物；無機聚合物殼層12，係包覆該核芯10，且該無機聚合物係具有矽氧鋁(Si-O-Al)鍵結。

本發明之核殼式無機聚合物複合材料中，該矽氧鋁鍵結之鋁原子係由核芯之富含氧化鋁之材料所提供；該矽氧鋁鍵結之矽原子係由矽酸鹽所提供。

實施例

稱取造紙廠產生的紙渣污泥(經壓濾機處理產出，含水率約68%，乾基木纖維佔容積率約72%)20公斤，置入高扭力混拌機中，分散處理至紙渣纖維團完全解離後，加入汽電共生廠產出的飛灰10公斤，進行混拌處理成均勻的漿體後，直接充填到擠壓式造粒機的特定混練進料容器中，進行擠壓造粒成型製作，並產出粒徑約5至10mm的短柱型粗胚顆粒。將粗胚顆粒在常溫下靜置陰乾4小時，確保在後續的加工處理過程不會崩解散開。

隨後將粗胚顆粒稱量均分成4等份，再分別進行本發明矽酸鹽水溶液的滲入處理，即以矽酸鈉水玻璃溶液進行浸泡處理，促使水玻璃溶液可以有限度滲入顆粒的外層部分。浸泡處理是將粗胚顆粒直接浸泡在特定濃度的水玻璃溶液中，並藉由特定浸泡時間的控制，使水玻璃溶液可以有限度滲入粒料的外層部分。

下表1所示之編號1A為利用15wt%水玻璃溶液浸泡處理1分鐘共1次；編號1B為利用15 wt%水玻璃溶液浸泡處理2次，每次1分鐘；編號2A為利用30 wt%水玻璃溶液浸泡處理1分鐘共1次；以及編號2B為利用30 wt%水玻璃溶液浸泡處理10分鐘共1次。

隨後再將外層部分已滲入水玻璃溶液的顆粒，分別以帶式烘焙機進行熱處理，烘焙機加熱控制的溫度為140℃，顆粒加熱的滯留時間約15分鐘，促使表層滲有矽酸鹽水溶液之顆粒外層部分發生無機聚合反應，並於外層部分生成具有矽氧鋁鍵結之無機聚合物，即獲得本發明之核殼式無機聚合物複合材料。

比較例　習用無機聚合物複合材料之製備

在本比較例中，亦以習用的製程製作無機聚合物複合材料。首先取紙渣污泥(經壓濾機處理產出，含水率約68%，乾基木纖維佔容積率約72%)5公斤，置入高扭力混拌機中，分散處理至紙渣纖維團完全解離後，加入燃煤電廠產出的飛灰2.5公斤，以及0.5公斤1N氫氧化鈉水溶液，經均勻混拌處理後，再加入1公斤30wt%水玻璃溶液，並進行混拌處理成均勻的漿體後，直接充填到擠壓式造粒機的特定混練進料容器中，進行擠壓的造粒成型製作，並產出粒徑約5至10mm的短柱型粗胚粒料。再以帶式烘焙機進行焙溫度為140℃，滯留時間約30分鐘的高溫養護處理，即可完成習用無機聚合物複合材料的製作，並編號為3A產物。

將前述獲得的1A、1B、2A、2B與3A等產物，以及市售預鑄式輕質外牆板使用的原料陶粒，分別依中華民國國家標準CNS14779、CNS487進行筒壓強度、總體密度、吸水率等之物性的檢測試驗，各種試樣的物性檢測結果係紀錄於表1。由檢測的結果顯示，本發明之核殼式無機聚合物複合材料，藉由浸泡處理的水玻璃溶液濃度及浸泡時間的控制，可以產出不同物性的粒料產物。亦即在浸泡之水玻璃溶液的濃度越大時，有利於核殼式無機聚合物複合材料的筒壓強度值與總體密度值的增進趨勢，而吸水率值則會下降趨勢。而在浸泡處理的時越長時，亦有利於核殼式無機聚合物複合材料的筒壓強度值與總體密度值的增進趨勢，而吸水率值則會下降趨勢。

另一方面，由表1的結果可知，本發明核殼式無機聚合物複合材料的各項物性功能，例如筒壓強度值與總體密度值皆優於市售預鑄式牆板使用的陶粒。而習用無機聚合物方式製作的3A產物，雖加入相對大量與高濃度的1公斤30%水玻璃溶液來製作整體顆粒皆具有無機聚合物之複合材料，但因水玻璃溶液被整體容積大幅稀釋，因此，相對地，無機聚合物之矽氧鋁鍵結分散在複合材料中，強度性能方面顯然不佳。然而，本發明核殼式無機聚合物複合材料之製造方法，僅殼層的部份則由無機聚合物所構成，且透過核芯之富含氧化鋁之材料形成矽氧鋁鍵結，可節省矽酸鹽水溶液之使用量(可達70%)，於降低原料及製作成本的條件下，得到具有優異筒壓強度及總體密度的核殼式無機聚合物複合材料。復參閱第2圖所示，係顯示本發明核殼式無機聚合物複合材料顯微鏡之局部剖視圖，其中，兩虛線之間的區域即為無機聚合物殼層。

上述實施例僅例示性說明本發明之原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示之精神與技術思想下所完成之一切等效修飾或改變，仍應由後述之申請專利範圍所涵蓋。

1．．．核殼式無機聚合物複合材料

10．．．核芯

12．．．無機聚合物殼層

第1圖係顯示本發明之核殼式無機聚合物複合材料之剖面示意圖；以及

第2圖係本發明之核殼式無機聚合物複合材料顯微鏡之局部剖視圖。

1．．．核殼式無機聚合物複合材料

10．．．核芯

12．．．無機聚合物殼層

Claims (17)

1. 一種核殼式無機聚合物複合材料，包括：核芯，係包括富含氧化鋁之材料及添加物，其中，該富含氧化鋁之材料包括選自經高溫焙燒的高嶺土粉體、飛灰、爐石、鋁渣及脫硫渣所組成群組之一種或多種，該添加物係粉體材料；無機聚合物殼層，係包覆該核芯，且該無機聚合物係具有矽氧鋁鍵結。
2. 如申請專利範圍第1項所述之核殼式無機聚合物複合材料，其中，該粉體材料對無機聚合反應為惰性。
3. 如申請專利範圍第1項所述之核殼式無機聚合物複合材料，其中，該添加物係選自紙渣污泥、崗石材污泥、廢矽藻土或礦砂。
4. 如申請專利範圍第1項所述之核殼式無機聚合物複合材料，其中，該矽氧鋁鍵結之鋁原子係由核芯之富含氧化鋁之材料所提供。
5. 如申請專利範圍第1項所述之核殼式無機聚合物複合材料，其中，該矽氧鋁鍵結之矽原子係由矽酸鹽所提供。
6. 一種核殼式無機聚合物複合材料之製造方法，包括：混合富含氧化鋁之材料及添加物，以得到混合原料，其中，該富含氧化鋁之材料包括選自經高溫焙燒的高嶺土粉體、飛灰、爐石、鋁渣及脫硫渣所組成群組之一種或多種，該添加物係粉體材料；固結成形該混合原料，以得到複數顆粒； 於該複數顆粒表面施用矽酸鹽水溶液，俾使該矽酸鹽水溶液滲入該顆粒表層；對表層滲有矽酸鹽水溶液之該顆粒施以熱處理，以於該滲有矽酸鹽水溶液之顆粒表層形成無機聚合物殼層，且該無機聚合物係具有矽氧鋁鍵結。
7. 如申請專利範圍第6項所述之核殼式無機聚合物複合材料之製造方法，復包括於施用矽酸鹽水溶液之步驟前，以鹼性水溶液活化該富含氧化鋁之材料。
8. 如申請專利範圍第7項所述之核殼式無機聚合物複合材料之製造方法，其中，該鹼性水溶液係鹼金屬氫氧化物水溶液。
9. 如申請專利範圍第8項所述之核殼式無機聚合物複合材料之製造方法，其中，該鹼金屬氫氧化物水溶液之濃度為0.1至10N。
10. 如申請專利範圍第6項所述之核殼式無機聚合物複合材料之製造方法，其中，該粉體材料對無機聚合反應為惰性。
11. 如申請專利範圍第6項所述之核殼式無機聚合物複合材料之製造方法，其中，該添加物係選自紙渣污泥、崗石材污泥、廢矽藻土或礦砂。
12. 如申請專利範圍第6項所述之核殼式無機聚合物複合材料之製造方法，其中，該矽氧鋁鍵結之鋁原子係由核芯之富含氧化鋁之材料所提供。
13. 如申請專利範圍第6項所述之核殼式無機聚合物複合 材料之製造方法，其中，該矽氧鋁鍵結之矽原子係由矽酸鹽所提供。
14. 如申請專利範圍第6項所述之核殼式無機聚合物複合材料之製造方法，其中，於混合富含氧化鋁之材料及添加物的步驟中添加水，以得到混合原料漿體。
15. 如申請專利範圍第14項所述之核殼式無機聚合物複合材料之製造方法，復包括於得到複數顆粒後及施用矽酸鹽水溶液之前，乾燥該所得之複數顆粒。
16. 如申請專利範圍第6項所述之核殼式無機聚合物複合材料之製造方法，係以浸泡或噴塗之方式使至少部分該矽酸鹽水溶液滲入該顆粒表層。
17. 如申請專利範圍第6項所述之核殼式無機聚合物複合材料之製造方法，係於40至200℃熱處理該表層滲有矽酸鹽水溶液之顆粒。