TWI445871B - 輕質隔熱複合粒料及其製造方法 - Google Patents
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Description
本發明係有關於一種粒料，特別有關於一種輕質隔熱複合粒料及其製造方法。
一般混凝土建材所使用的骨材以天然砂石為主，另外針對輕質骨材則以陶粒為主要。通常陶粒需經過1000至1500℃高溫燒結處理製成，藉由高溫燒結形成密閉式的孔隙，達成輕質與隔熱功能。此高溫燒結處理需耗費大量能源且排放大量二氧化碳，因此陶粒輕骨材的製造不符合環保的要求。
紙渣污泥是造紙廠在製造過程中產生的廢水，經濃泥槽沉降與帶濾機(或壓濾機)脫水處理後所產生的污泥，其通常含有機木纖維、黏土質及大量的水分，目前一般的處理方式以掩埋為主，或者待紙渣污泥中的木纖維腐化後應用於複合肥料中。
因此，業界亟需一種複合粒料，其可以取代傳統使用的陶粒輕骨材，不但具有輕質且隔熱的特性，同時還能充分利用紙渣污泥的特性。
本發明之實施例提供一種輕質隔熱複合粒料，包括：紙渣污泥，具有複數條有機木纖維；以及無機膠結材料與紙渣污泥均勻混合，其中該些有機木纖維各自獨立地分散於無機膠結材料中。
此外，本發明之實施例還提供一種輕質隔熱複合粒料的製造方法，包括：提供紙渣污泥，具有複數個纖維團，其中纖維團係由複數條有機木纖維互相纏繞而形成；提供鹼性界面劑與紙渣污泥均勻混合，形成第一混合物；提供無機膠結材料與第一混合物均勻混合，形成第二混合物；對第二混合物進行擠出造粒成型處理，形成複數個輕質隔熱複合粒料，其中該些有機木纖維各自獨立地分散於無機膠結材料中；以及對該些輕質隔熱複合粒料進行養護固化處理。
為了讓本發明之上述目的、特徵、及優點能更明顯易懂，以下配合所附圖式，作詳細說明如下：
本發明係利用紙渣污泥與無機膠結材料結合，經由配比混拌、擠出造粒成型及養護固化後形成複合粒料，由於紙渣污泥中含有的有機木纖維具有多孔質與有機質特有的輕量性與隔熱性，而無機膠結材料則可以提供粒料所需的強度，因此將紙渣污泥與無機膠結材料混合所形成的複合粒料具有輕質及隔熱的性能，可以作為建材中使用的輕骨材。
請參閱第1圖，其係顯示依據本發明之實施例，製造輕質隔熱複合粒料的方法流程圖。首先，在步驟S100中提供紙渣污泥，紙渣污泥中含有有機木纖維、無機黏土及大量水分，其含水率約為30至80重量%，其中有機木纖維係以互相纏繞的纖維團形式呈現。
接著，為了使紙渣污泥中的有機木纖維與無機膠結材料達到均勻的混摻，在步驟S102中提供鹼性界面劑與紙渣污泥混合，形成第一混合物。鹼性界面劑可以滲透入有機木纖維的多孔質內部，促進有機木纖維與無機膠結材料在複合界面上的充分結合。在本發明之實施例中，鹼性界面劑可以是苛性鹼液、矽酸鹽水溶液或前述之組合，其係由無機膠結材料的種類決定。
在一實施例中，無機膠結材料可以是矽鋁無機聚合物，其係由矽酸鹽溶液與高溫相氧化鋁質粉體材料聚合而成。在此實施例中先使用苛性鹼液處理紙渣污泥，在混拌機中進行混拌分散處理，使得紙渣污泥中的纖維團迅速浸潤，直到交互纏繞的纖維完全單離分散，形成紙渣污泥之纖維單離分散的漿體。上述苛性鹼液可以是氫氧化鈉或氫氧化鉀水溶液，其濃度範圍可以為0.1N至10N，較佳為1N至5N。苛性鹼液與紙渣污泥混合的液/固重量比值可以為1至10，較佳為1至3。
接著，再添加矽酸鹽水溶液至上述紙渣污泥之纖維單離分散的漿體中，經由混拌機混合分散，得到第一混合物。上述紙渣污泥之纖維單離分散的漿體與矽酸鹽水溶液的混合重量比值可約為1至10，較佳為2至5。矽酸鹽水溶液可以促進有機木纖維與無機膠結材料在複合界面上的充分結合，並降低木纖維所含的有機多醣體素對複合材料強度的負面影響。
在此實施例中，矽酸鹽水溶液可以是矽酸鈉或矽酸鉀水溶液，矽酸鹽溶液的矽氧/鹼氧莫耳比值，亦即水玻璃模數範圍可約為2.4至3.6，較佳為2.5至3.0。矽酸鹽水溶液的液1固重量比值可約為1至10，較佳為2至5。
在另一實施例中，無機膠結材料可以是高溫灰渣波索蘭膠結劑、水泥膠結劑或前述之組合。在此實施例中，使用矽酸鹽水溶液直接與紙渣污泥混拌，形成第一混合物。在此實施例中，紙渣污泥與矽酸鹽水溶液的混合重量比值可約為1至10，較佳為2至5。
在此實施例中，矽酸鹽水溶液可以是矽酸鈉或矽酸鉀水溶液，其矽氧/鹼氧莫耳比值，亦即水玻璃模數範圍可約為2.4至3.6。矽酸鹽水溶液的液/固重量比值可約為10至100，較佳為50至70。
接著，在步驟104中，提供無機膠結材料與上述第一混合物混合，並持續經由混拌機進行混合分散，形成第二混合物。在一實施例中，無機膠結材料為矽鋁無機聚合物，因此，在步驟104中添加高溫相氧化鋁質粉體材料與上述第一混合物漿體混合，在此實施例中，第一混合物漿體與氧化鋁質粉體材料的漿/固混合重量比值可約為1至5，較佳為2至4。
上述高溫相氧化鋁質粉體材料例如為經高溫500至800℃焙燒處理的高嶺土，或經高溫處理產生的富含氧化鋁或氧化矽的再生粉體材料，例如爐石、飛灰或脫硫渣等。
在另一實施例中，無機膠結材料可以是高溫灰渣波索蘭膠結劑、水泥膠結劑或前述之組合。高溫灰渣波索蘭膠結劑例如為飛灰、高爐石粉等，高溫灰渣波索蘭膠結劑與水泥膠結劑的重量混合比值可約為0至10之間。在此實施例中，無機膠結材料與紙渣污泥中的木纖維之重量混合比值可約為5至25之間。
接著，在步驟106中，將上述第二混合物直接充填到擠出造粒機的進料容器中，進行擠出造粒成型處理，形成複數個輕質隔熱粒料，其粒徑範圍介於約1mm至50mm之間。
然後，在步驟108中，對這些輕質隔熱粒料進行常溫以及/或高溫的養護固化處理。常溫養護可以在10至40℃的室溫下靜置進行，高溫養護可以在40至90℃或40至150℃的蒸汽或烘乾溫度下進行。另外，還可以進行高壓蒸汽養護，其係在高壓斧中以100至200℃的蒸汽溫度進行養護固化。
在本發明之實施例中，由於紙渣污泥是富含水的廢棄物質，且隨著來源與儲放情形其含水率有很大差異，因此，在上述各製程步驟中，可視配比混拌、擠出造粒成型、養護固化等操作程序的漿體作業性，適度調整其水添加量。
由於有機木纖維屬於多孔質有機物，其所形成的輕質隔熱粒料會具有開放性孔隙，並使得粒料的吸水率偏高。因此，依據本發明之一實施例，在步驟S110中，對前述製成的輕質隔熱粒料進行樹脂浸泡處理，促使有機木纖維的多孔質有效的封閉，以降低粒料的吸水率，並可依需求控制粒料的吸水率在5-50wt%之間。
樹脂浸泡處理是將前述製成的輕質隔熱粒料以樹脂浸泡，再經由60至90℃的烘烤，此浸泡與烘烤處理步驟可以重複數次，以使得粒料表面的孔隙有效封閉。在一實施例中，所使用的樹脂可以是防水樹脂漆料，例如醇酸樹脂、環氧樹脂、氯化橡膠、丙烯酸樹脂、聚氨酯樹脂、壓克力樹脂等。由於各種樹脂塗料產品的使用特性差異甚大，因此粒料的樹脂浸泡處理步驟需依塗料的使用特性調整。
經由上述方法所得到的紙渣污泥與無機膠結材料複合粒料具有輕質性、隔熱性及低吸水率等性能，且為符合環保需求的綠建材產品。
以下列舉本發明各實施例之粒料的製造方式及其材料特性，並與比較例之傳統骨材的材料特性比較。
【實施例1】
取2公斤紙廠產生的紙渣污泥(含水率約75重量%，乾基木纖維佔總容積率約76%)，加入2公斤1N氫氧化鈉溶液，攪拌至紙渣污泥均浸泡在鹼液中，經隔夜浸潤後，置入錨狀式高扭力混拌機中，以高扭力混拌分散1小時後，確定紙渣纖維已充分解離，無紙渣顆粒存在。
接著，加入1公斤水玻璃溶液，其比重為50波美度(Be`)，再繼續以高扭力分散混拌1小時，然後添加3公斤飛灰(燃煤火力電廠產出，比重為0.92)，以高扭力分散混拌1小時，形成均勻的漿體後，直接將漿體充填到擠出造粒機中，形成粒徑約5-10mm的複合粒料。然後將粒料放入烘箱中進行90℃的隔夜高溫養護，得到實施例1之複合粒料。
經物性檢測結果，實施例1的複合粒料之體密度與吸水率如表1所示。
接著，將實施例1的複合粒料與飛灰及水泥搭配，其中複合粒料為70%容積比，飛灰與水泥的重量比例為1：1，依CNS13295與CNS7333的方法製成混凝土隔熱試體(30*30*3cm)與抗壓試體，其物性檢測結果如表2所列。
【實施例2】
取2公斤紙廠產生的紙渣污泥(含水率約75重量%，乾基木纖維佔總容積率約76%)，加入3公斤濃度為1wt%的水玻璃溶液，先攪拌再進行隔夜浸潤，然後以錨狀式高扭力混拌機分散混拌1小時，確定紙渣纖維已充分解離，無紙渣顆粒存在。
接著，添加0.5公斤水泥以及1公斤飛灰(燃煤火力電廠產出，比重為0.92)，以高扭力分散混拌1小時，形成均勻的漿體後，直接將漿體充填到擠出造粒機中，形成粒徑約5-10mm的複合粒料。然後將粒料常溫靜置養護1星期，再放入烘箱中進行90℃的隔夜高溫養護，得到實施例2之複合粒料。
經物性檢測結果，實施例2的複合粒料之體密度與吸水率如表1所示。
接著，將實施例2的複合粒料以同實施例1之方式製成隔熱試體與抗壓試體，其物性檢測結果如表2所列。
【實施例3】
取1公斤實施例1的複合粒料，將粒料置入以二甲苯稀釋1倍(重量比)的丙烯酸樹脂中，浸泡10分鐘後，濾乾並置入烘箱進行約90℃的烘乾處理1小時。重複前述樹脂浸泡與烘乾處理步驟3次，得到實施例3之經過樹脂浸泡處理的複合粒料。
經物性檢測結果，實施例3的複合粒料之體密度與吸水率如表1所示。
接著，將實施例3的複合粒料以同實施例1之方式製成隔熱試體與抗壓試體，其物性檢測結果如表2所列。
【實施例4】
實施例4的複合粒料為實施例2的複合粒料經過樹脂浸泡處理後，其樹脂浸泡處理方式與實施例3相同。
經物性檢測結果，實施例4的複合粒料之體密度與吸水率如表1所示。
接著，將實施例4的複合粒料以同實施例1之方式製成隔熱試體與抗壓試體，其物性檢測結果如表2所列。
【比較例1及2】
比較例1為陶粒(來源為國內預鑄牆板業現行使用的大陸進口品)，經物性檢測結果，其體密度與吸水率如表1所示。接著，將比較例1的陶粒以同實施例1之方式製成隔熱試體與抗壓試體，其物性檢測結果如表2所列。
比較例2為使用矽砂(來源為國內營建業現行使用的河砂)作為骨材，以同實施例1之方式製成隔熱試體與抗壓試體，其物性檢測結果如表2所列。
由表1的比較結果可得知，經過樹脂浸泡處理的實施例3及4之複合粒料可以大幅地降低吸水率，其降低幅度可達到約85%，且其吸水率低於傳統陶粒。
另外，由表2的比較結果可得知，利用本發明各實施例之複合粒料所製得的混凝土試體之輕質性與隔熱性優於傳統的矽砂骨材，且其輕質性、隔熱性及抗壓強度則與使用陶粒的混凝土試體相當，而本發明實施例之經過樹脂浸泡處理的複合粒料則可以有效地降低混凝土試體的吸水率。
雖然本發明已揭露較佳實施例如上，然其並非用以限定本發明，任何熟悉此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定為準。
S100-S110．．．輕質隔熱複合粒料之製造方法的各製程步驟
第1圖為依據本發明實施例之輕質隔熱複合粒料的製造方法流程圖。
S100-S110．．．輕質隔熱複合粒料之製造方法的各製程步驟
Claims (27)
- 一種輕質隔熱複合粒料，包括：一第一混合物，包括一紙渣污泥及一鹼性界面劑，其中該紙渣汙泥具有複數條有機木纖維；一無機膠結材料，與該第一混合物均勻混合，其中該些有機木纖維各自獨立地分散於該無機膠結材料中；以及一樹脂，密封該輕質隔熱複合粒料之表面的複數個孔隙。
- 如申請專利範圍第1項所述之輕質隔熱複合粒料，其中該紙渣污泥還包括無機黏土以及水分，且該紙渣污泥的含水率包括30至80重量%。
- 如申請專利範圍第1項所述之輕質隔熱複合粒料，其中該無機膠結材料包括矽鋁無機聚合物、高溫灰渣波索蘭膠結劑、水泥膠結劑或高溫灰渣波索蘭膠結劑與水泥膠結劑之組合。
- 如申請專利範圍第3項所述之輕質隔熱複合粒料，其中該矽鋁無機聚合物由矽酸鹽溶液與高溫相氧化鋁質粉體材料聚合而成。
- 如申請專利範圍第1項所述之輕質隔熱複合粒料，其中該無機膠結材料與該紙渣污泥中的該些有機木纖維的重量混合比值介於5至25之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之輕質隔熱複合粒料，其粒徑範圍介於1mm至50mm之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之輕質隔熱複合粒料，其中該樹脂包括醇酸樹脂、環氧樹脂、氯化橡膠、丙烯酸 樹脂、聚氨酯樹脂或壓克力樹脂。
- 一種輕質隔熱複合粒料的製造方法，包括：提供一紙渣污泥，具有複數個纖維團，其中該纖維團係由複數條有機木纖維互相纏繞而形成；提供一鹼性界面劑與該紙渣污泥均勻混合，形成一第一混合物；提供一無機膠結材料與該第一混合物均勻混合，形成一第二混合物；對該第二混合物進行擠出造粒成型處理，形成複數個輕質隔熱複合粒料，其中該些有機木纖維各自獨立地分散於該無機膠結材料中；對該些輕質隔熱複合粒料進行養護固化處理；以及對該些輕質隔熱複合粒料進行一樹脂浸泡處理，其中該些輕質隔熱複合粒料具有複數個開放式孔隙，且該些開放式孔隙被該樹脂密封。
- 如申請專利範圍第8項所述之輕質隔熱複合粒料的製造方法，其中該無機膠結材料包括矽鋁無機聚合物、高溫灰渣波索蘭膠結劑、水泥膠結劑或高溫灰渣波索蘭膠結劑與水泥膠結劑之組合。
- 如申請專利範圍第9項所述之輕質隔熱複合粒料的製造方法，其中該無機膠結材料為矽鋁無機聚合物，且該矽鋁無機聚合物由矽酸鹽溶液與高溫相氧化鋁質粉體材料聚合而成。
- 如申請專利範圍第10項所述之輕質隔熱複合粒料 的製造方法，其中該第一混合物為一漿體，且該漿體與該高溫相氧化鋁質粉體材料的漿/固混合重量比值介於1至5之間。
- 如申請專利範圍第10項所述之輕質隔熱複合粒料的製造方法，其中該第一混合物為一漿體，且該漿體與該高溫相氧化鋁質粉體材料的漿/固混合重量比值介於2至4之間。
- 如申請專利範圍第10項所述之輕質隔熱複合粒料的製造方法，其中該鹼性界面劑包括苛性鹼液與矽酸鹽水溶液。
- 如申請專利範圍第13項所述之輕質隔熱複合粒料的製造方法，其中該苛性鹼液包括氫氧化鈉或氫氧化鉀水溶液，其濃度介於0.1N至10N之間，該苛性鹼液與該紙渣污泥形成一紙渣污泥之纖維單離漿體，且該苛性鹼液與該紙渣污泥的液/固混合重量比值為1至10之間。
- 如申請專利範圍第13項所述之輕質隔熱複合粒料的製造方法，其中該苛性鹼液包括氫氧化鈉或氫氧化鉀水溶液，其濃度介於1N至5N之間，該苛性鹼液與該紙渣污泥形成一紙渣污泥之纖維單離漿體，且該苛性鹼液與該紙渣污泥的液/固混合重量比值為1至3之間。
- 如申請專利範圍第13項所述之輕質隔熱複合粒料的製造方法，其中該矽酸鹽水溶液與該紙渣污泥之纖維單離漿體的混合重量比值介於1至10之間。
- 如申請專利範圍第13項所述之輕質隔熱複合粒料 的製造方法，其中該矽酸鹽水溶液包括矽酸鈉或矽酸鉀水溶液，其矽氧/鹼氧莫耳比值為2.4至3.6之間，且其液/固重量比值為1至10之間。
- 如申請專利範圍第13項所述之輕質隔熱複合粒料的製造方法，其中該矽酸鹽水溶液包括矽酸鈉或矽酸鉀水溶液，其矽氧/鹼氧莫耳比值為2.5至3.0之間，且其液/固重量比值為2至5之間。
- 如申請專利範圍第9項所述之輕質隔熱複合粒料的製造方法，其中該無機膠結材料為高溫灰渣波索蘭膠結劑、水泥膠結劑或前述之組合。
- 如申請專利範圍第19項所述之輕質隔熱複合粒料的製造方法，其中該鹼性界面劑為矽酸鹽水溶液。
- 如申請專利範圍第20項所述之輕質隔熱複合粒料的製造方法，其中該矽酸鹽水溶液與該紙渣污泥的混合重量比值介於1至10之間。
- 如申請專利範圍第20項所述之輕質隔熱複合粒料的製造方法，其中該矽酸鹽水溶液包括矽酸鈉或矽酸鉀水溶液，其矽氧/鹼氧莫耳比值為2.4至3.6之間，且其液/固重量比值介於10至100之間。
- 如申請專利範圍第22項所述之輕質隔熱複合粒料的製造方法，其中該矽酸鉀水溶液的液/固重量比值介於50至70之間。
- 如申請專利範圍第8項所述之輕質隔熱複合粒料的製造方法，其中該無機膠結材料與該紙渣污泥中的該些 有機木纖維的重量混合比值介於5至25之間。
- 如申請專利範圍第8項所述之輕質隔熱複合粒料的製造方法，其中該些輕質隔熱複合粒料的粒徑範圍介於1mm至50mm之間。
- 如申請專利範圍第8項所述之輕質隔熱複合粒料的製造方法，其中該樹脂包括醇酸樹脂、環氧樹脂、氯化橡膠、丙烯酸樹脂、聚氨酯樹脂或壓克力樹脂。
- 如申請專利範圍第8項所述之輕質隔熱複合粒料的製造方法，其中該樹脂浸泡處理包括一次或一次以上的樹脂浸泡步驟與60至90℃的烘烤步驟。
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