CN101224987A - 一种聚合硅铝耐火隔热材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种聚合硅铝耐火隔热材料及其制备方法，涉及一种用于建筑和工业设施用的聚合硅铝耐火隔热材料。其特征在于该材料是由富含Al₂O₃、SiO₂及其复合物的工业废弃物经过激发、发气、聚合形成的内部结构为含有多种非晶质至半晶质相的三维铝硅酸盐矿物，内部形态为硅氧四面体和铝氧四面体；分子之间结合以离子键和共价键方式为主，外在呈现无机凝结体的力学特性。本发明的材料原材料由高岭土、粉煤灰、煤矸石、矿渣、赤泥等硅铝材料组成。不需要添加任何胶凝材料，经过激发、发气、聚合形成多孔长链结构，耐高温、耐腐蚀，强度可达0.8MPa以上，导热系数在0.087(千卡/米·时·度)。不但可用于建筑隔热墙板，而且可用于工业热力管线及设备的隔热保温。

Description

一种聚合硅铝耐火隔热材料及其制备方法

技术领域

一种聚合硅铝耐火隔热材料及其制备方法，涉及一种用于建筑和工业设施用的聚合硅铝耐火隔热材料。

背景技术

建筑和工业设施的隔热是工业生产和人类生活重要的课题。由于太阳热辐射使石油化工储罐和粮库设施的温度升高，增加了运行费用。船舶、车辆和建筑的升温，致使大量地使用空调，消耗了大量的电能及大量使用氟利昂，对环境和资源造成了威胁。为此人们在寻找更好的隔热材料，以提高建筑和工业设施的隔热保温性能。目前，已有的隔热材料有聚苯乙烯泡沫板、硅酸盐复合料浆(含水泥聚苯乙烯颗粒)，也有少量岩棉矿渣棉制品、玻璃棉制品、泡沫玻璃、硅酸钙、膨胀珍珠岩等制品。

目前，伴随着工业生产的发展产生的工业固体废弃物也对环境造成了极大的影响。尾矿、赤泥、矿渣、粉煤灰、煤矸石、石膏渣等工业固体废弃物的综合利用率还很低，废渣利用方面存在利用率低和附加值低两个方面的问题。在各类固体废弃物利用中，粉煤灰利用是应用较为成功和全面的，现在粉煤灰不但在高等级道路、建筑制品和水泥配制方面发挥了重要作用，而且在商品混凝土、农业肥料、塑料填充剂等方面也有成功的应用，但粉煤灰的利用还停留在较低的价值阶段，其中的高氧化铝和耐腐、防火性没有得到有效的发挥。长期以来煤矸石成功利用只是在建筑墙砖等方面，国内大部分煤矸石没有利用而堆积如山，不但占用大量土地资源，且由于矸石山溃塌而引发重大安全事故。在经济发展的同时提高固体废弃物利用率，实现资源的循环利用、高价利用是现代社会发展需要解决的重大课题。

目前，建筑保温广泛使用的泡沫聚苯或聚脂，是以树脂为基料，加入一定剂量的发泡剂、催化剂、稳定剂等辅助材料经加热发泡而制成，虽然隔热效果好、重量轻、使用方便、吸声、防震、吸水性小、耐酸碱、耐低温，但存在着易燃、易老化、外观强度低、生态效果差等弊端。美国有关专家预言，凡是石油副产品加工的制品都对环境构成不同程度的污染。泡沫塑料制品的使用寿命在10～15年，而无机材料尤其是纤维状材料加工的绝热材料制品的使用寿命远长于塑料制品，且无毒，不污染环境。我国有关建设管理部门和建筑新材料研究机构都主张大力发展无机绝热材料。

长期以来，工业热力管网和工业炉窑隔热材料品种单一，缺少性能优异的耐高温、耐腐蚀专用隔热材料，现阶段广泛应用的矿棉制品具有容重小、加工工艺简单优点，但由于采用酚醛树脂等为黏结剂其导热系数、使用温度都有限，而且胶粘剂中的残余甲醛会对环境有一定程度的影响。铝氧镁水泥胶结粉煤灰隔热材料虽有耐高温性，但其较差的抗水性限制它的应用；普通硅酸盐水泥或磷酸铝胶结膨胀珍珠岩、硅藻土、蛭石等多孔材料均存在吸水率高等弊端。

发明内容

本发明的目就是针对上述已有技术存在的不足，提供一种能有效利用工业废弃物、内部结构为无机聚合物、耐高温、耐腐蚀、防火的聚合硅铝耐火隔热材料及其制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种聚合硅铝耐火隔热材料，其特征在于该材料是由富含A₂O₃、SiO₂及其复合物的工业废弃物经过激发、发气、聚合形成的内部结构为含有多种非晶质至半晶质相的三维铝硅酸盐矿物，内部形态为硅氧四面体和铝氧四面体；分子之间结合以离子键和共价键方式为主，外在呈现无机凝结体的力学特性。

本发明的一种聚合硅铝耐火隔热材料，其特征在于该材料的内部结构为：

本发明的一种聚合硅铝耐火隔热材料，其特征在于形成的网状聚合物结构为双硅铝聚物sialate-siloxo结构。

本发明的一种聚合硅铝耐火隔热材料，其特征在于形成的网状聚合物结构为三硅铝土聚物sialate-disiloxo结构。

本发明的一种聚合硅铝耐火隔热材料的制备方法，其特征在于其制备过程是将富含A₂O₃、SiO₂及其复合物的工业废弃物预处理后加入碱性激发剂，在常温或60～120℃温度下聚合而成。

本发明的一种聚合硅铝耐火隔热材料的制备方法，其特征在于制备过程中，加入漂珠或聚苯颗粒形成复合结构。

本发明的一种聚合硅铝耐火隔热材料的制备方法，其特征在于其制备过程步骤包括：

(1)将富含A₂O₃、SiO₂及其复合物的工业废弃物预处理活化，加入碱性激发剂并采用机械使之搅拌混合均匀；

(2)在25～40℃条件下，加入水和占总重量0.1％～4％的发气剂形成低粘度浆料，浆料体积增大形成多孔材料；

(3)在模具内进行成型；

(4)将成型好的凝固体送入养护室养护。

本发明的一种聚合硅铝耐火隔热材料的制备方法，其特征在于其加入的碱性激发剂为氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸钾、硅酸钠等其中的一种或二种以上的混合物，促硬剂为氟硅酸钠、尿素。

本发明的一种聚合硅铝耐火隔热材料的制备方法，其特征在于其富含A₂O₃、SiO₂及其复合物的工业废弃物为高岭土、粉煤灰、煤矸石、矿渣、赤泥中的一种或二种以上的混合物，其中A₂O₃的重量含量为20％～50％、SiO₂的重量含量为30～70％。

本发明的一种聚合硅铝耐火隔热材料原材料由高岭土、粉煤灰、煤矸石、矿渣、赤泥等硅铝材料组成。不需要添加任何胶凝材料，经过激发、发气、聚合形成多孔长链结构，耐高温、耐腐蚀，强度可达0.8MPa以上，导热系数在0.087(千卡/米·时·度)。不但可用于建筑隔热墙板，而且可用于工业热力管线及设备的隔热保温。

本发明以粉煤灰、矿渣、煤矸石、赤泥等工业废弃物为原材料，它们当中含有较高成分的Al2O3，而本身又以无定型状态存在。其主要特点是在配制过程中不需要添加任何胶粘剂，依靠材料本身成分在常温或60～120℃温度下聚合而成，形成硅铝长链或高分子结构。其中碱性激发剂和促硬剂共同作用，矿物发生硅铝氧链的解聚，再聚合为网状硅铝氧化合物。

一般条件下，上述材料反应后的生成物是一种无定形的硅铝酸盐化合物，在较高的温度下，可生成类沸石型的微晶体结构。由于原材料大多为多孔轻质物料，具有较高的水化活性，在保持较高强度的同时，经再次发气后，材料密度进一步减少，隔热性能进一步增强。生产过程中，可根据需要加入漂珠或聚苯颗粒形成复合结构，进一步降低导热系数和改善性能。

本发明的一种聚合硅铝耐火隔热材料原材料具有下列显著的优点：

1)由于本发明所采用的原材料均为天然无机材料，具备无机隔热保温隔热材料质轻、绝热、吸音、无毒、无味、不燃烧、不发霉且能吸收放射性等特点。

2)与有机(聚苯、聚脂)泡沫塑料相比，具有明显的防火、防老化和耐候性，其表观强度更为突出，为工业应用提供方便。

3)氯氧镁水泥是将氧化镁粉与氯化镁溶液混合，其主要相为Mg₃(OH)₅Cl·4H₂O、Mg₂(OH)₃Cl·4H₂O。在相同的孔结构条件下，氯氧镁水泥比硅酸盐水泥有较高的强度。其主要缺点包括体积的不稳定性，较低的抗冻融循环能力，并且不能抗大气的侵蚀，关键是氯氧镁水泥为水溶性的，并且水解后会释放一些锈蚀溶液。聚合硅铝轻质墙材与氯氧镁水泥轻质墙板相比，具有防水、防潮、易加工特点。

4)本产品与微孔硅酸钙材料相比，不需要高温烧结，生产工艺简单，环境效益好。

5)由于膨胀珍珠岩为开孔材料，胶结时需要较多的胶粘剂，同时由于其特殊的吸水性，影响了制品的在水环境下的使用。与膨胀珍珠岩保温隔热材料相比，吸水率低、强度高。

6)加气混凝土以粉煤灰为主要原料，石灰、水泥为胶结剂，铝粉为发气剂经成型、蒸养后所得的轻质墙材。本产品中虽然也有粉煤灰材料，但主要依靠其中的硅铝成分聚合而成，与加气混凝土轻质墙材相比(导热系数在0.15左右)，隔热效果及耐高温性好。

7)泡沫玻璃是以废玻璃、粉煤灰和富含玻璃相的物质为主要原料，在其中添加发泡剂、改性剂和促进剂等物质，经破碎、均匀混合，形成配合料，放到耐热的模具中，再经预热、熔融、发泡、退火等工艺制成的多孔状玻璃材料。本产品与泡沫玻璃相比，具有泡沫玻璃防水、防火、化学稳定性好、强度高等优点外，加工工艺最为简单、生产效率高、成本低。

8)本产品主要原材料可由煤矸石、粉煤灰等工业废渣组成，有利于消除环境污染，实现资源的循环利用。

具体实施方式

一种聚合硅铝耐火隔热材料，该材料是由富含A₂O₃、SiO₂及其复合物的工业废弃物经过激发、发气、聚合形成的内部结构为含有多种非晶质至半晶质相的三维铝硅酸盐矿物，内部形态为硅氧四面体和铝氧四面体；分子之间结合以离子键和共价键方式为主，外在呈现无机凝结体的力学特性。该材料的内部结构为：

化学表达式为：

形成的网状聚合物结构为单硅铝土聚物sialate：结构式为：

形成的网状聚合物结构为双硅铝土聚物sialate：结构式为：

形成的网状聚合物结构为三硅铝土聚物sialate：结构式为：

经检结果：1)容重(kg/m³)500～600(由中国矿业大学测试中心提供

2)抗压强度(MPa)0.5～0.8(由中国矿业大学测试中心提供)

3)耐热性(不变形)(℃)≥800(由北京建筑材料检测中心提供)

4)耐寒性(不脆性)(℃)≤-80(由北京建筑材料检测中心提供)

5)导热系数(千卡/米·时·度)0.087(由北京建筑材料检测中心提供)。

一种聚合硅铝耐火隔热材料的制备方法，其制备过程是将富含A₂O₃、SiO₂及其复合物的工业废弃物，其中A₂O₃的重量含量为20～50％、SiO₂的重量含量为30～70％；加入氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸钾、硅酸钠、氟硅酸钠、氢氧化钙等碱性激发剂，在60～120℃温度下聚合而成制备过程中，加入漂珠或聚苯颗粒形成复合结构。其制备过程步骤包括：

(1)将富含A₂O₃、SiO₂及其复合物的工业废弃物加入碱性激发剂混合搅拌均匀；

(2)发气：在25～40℃条件下，加入适量水和0.1～4％的发气剂等形成低粘度浆料，表观形态为牛顿流体，静置使水电离反应产生内生气体。在碱性环境下，由于内部气体的作用，浆料体积增大形成多孔材料。一般情况下，隔热材料的成孔率、容重与发气剂用量成正比关系，发气反应速度与温度有关；；

(3)成型：根据工程需要确定隔热材料的规格，成型过程在一定的规则模具内进行。发气静止后，在激发剂的作用下，活性硅铝材料发生初步凝聚形成凝固体，具有外在强度。采用专用切割设备将发气成型好的凝固体切割成规则形状。制备隔热材料时，可根据需要加入聚笨乙烯颗粒、漂珠或与板状聚苯乙烯泡沫形成复合材料；；

(4)养护：将成型好的凝固体送入养护室养护，养护在常压高温条件下进行。其中的多孔硅铝材料，在碱性激发剂作用下，在60～120℃聚合形成长链结构，强度进一步增加，形成高强度的防火隔热材料，养护时间以8～12h为宜。

实施例1

1、原材料：粉煤灰用量67.5％，矿渣用量为25.0％，高岭土用量为7.5％；

2、外加碱性激发剂：氢氧化钠、硅酸钠(液体)：7.4％和28.9％；

3、发气剂用量：0.2％

4、养护成型温度：80℃

5、检验得到材料性能指标为：

1)容重(kg/m³)510

2)抗压强度(MPa)0.96

3)耐热性(不变形)(℃)≥800

4)导热系数(千卡/米·时·度)0.087。

实施例2

1、原材料：高岭土33.9％，粉煤灰52.9％，矿渣13.2％；

2、碱性激发剂：氢氧化钠2.6％，氢氧化钾2.6％，硅酸钠21.2％、氟硅酸钠0.5％(外加)；

3、发气剂：3％

4、养护成型温度：60℃

5、性能指标：

1)容重(kg/m³)480

2)抗压强度(MPa)0.86

3)耐热性(不变形)(℃)≥800

4)导热系数(千卡/米·时·度)0.077

实施例3

1、原材料：煅烧煤矸石65％，矿渣25％，赤泥10％；

2、碱性激发剂：硅酸钠(液体)24.2％，氢氧化钠2.6％，氢氧化钾1.0％、氟硅酸钠0.3％

3、发气剂：1.3％

4、养护成型温度：100℃

5、性能指标：

1)容重(kg/m³)560

2)抗压强度(MPa)1.2

3)耐热性(不变形)(℃)≥800

4)导热系数(千卡/米·时·度)0.089

实施例4

1、原材料：煅烧煤矸石40％，高岭土30％，矿渣15％，赤泥15％；

2、碱性激发剂：硅酸钠31.8％，氢氧化钠7％，氟硅酸钠0.3％

3、发气剂：1.5％

4、养护成型温度：120℃

5、性能指标：

1)容重(kg/m³)530

2)抗压强度(MPa)0.83

3)耐热性(不变形)(℃)≥800

4)导热系数(千卡/米·时·度)0.088

实施例5

1、原材料：高岭土55％，粉煤灰30％，石灰15％；

2、碱性激发剂：硅酸钠25％，氢氧化钠4％，碳酸钠5％，氟硅酸钠0.3％

3、发气剂：0.7％

4、聚苯颗粒：0.8％

4、养护成型温度：60℃

5、性能指标：

1)容重(kg/m³)480

2)抗压强度(MPa)0.8

3)耐热性(不变形)(℃)≥800

4)导热系数(千卡/米·时·度)0.068

Claims (9)

1.一种聚合硅铝耐火隔热材料，其特征在于该材料是由富含A₂O₃、SiO₂及其复合物的工业废弃物经过激发、发气、聚合形成的内部结构为含有多种非晶质至半晶质相的三维铝硅酸盐矿物，内部形态为硅氧四面体和铝氧四面体；分子之间结合以离子键和共价键方式为主，外在呈现无机凝结体的力学特性。

2.根据权利要求1所述的一种聚合硅铝耐火隔热材料，其特征在于该材料的内部结构为：

3.根据权利要求1所述的一种聚合硅铝耐火隔热材料，其特征在于形成的网状聚合物结构为双硅铝聚物sialate-siloxo结构。

4.根据权利要求1所述的一种聚合硅铝耐火隔热材料，其特征在于形成的网状聚合物结构为三硅铝土聚物sialate-disiloxo结构。

5.一种聚合硅铝耐火隔热材料的制备方法，其特征在于其制备过程是将富含A₂O₃、SiO₂及其复合物的工业废弃物加入碱性激发剂，在常温或60～120℃温度下聚合而成。

6.根据权利要求5所述的一种聚合硅铝耐火隔热材料的制备方法，其特征在于制备过程中，加入漂珠或聚苯颗粒形成复合结构。

7.根据权利要求5所述的一种聚合硅铝耐火隔热材料的制备方法，其特征在于其制备过程步骤包括：

(1)将富含A₂O₃、SiO₂及其复合物的工业废弃物预处理后，加入碱性激发剂并采用机械方法使之充分混合搅拌均匀；

(2)在25～40℃条件下，加入水和占总重量0.1％～4％的发气剂形成低粘度浆料，静置使水电离反应产生内生气体；

(3)在模具内进行成型；

(4)将成型好的凝固体送入养护室养护；

8.根据权利要求5所述的一种聚合硅铝耐火隔热材料的制备方法，其特征在于其加入的碱性激发剂为氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸钾、硅酸钠、氟硅酸钠、偏硅酸钠、氢氧化钙等其中的一种或二种以上混合物；碱性激发剂和促硬剂用量重量比为10％～28％。

9.根据权利要求5所述的一种聚合硅铝耐火隔热材料的制备方法，其特征在于其富含A₂O₃、SiO₂及其复合物的工业废弃物为高岭土、粉煤灰、煤矸石、矿渣、赤泥中的一种或二种以上的混合物，其中A₂O₃的重量含量为20％～50％、SiO₂的重量含量为30％～70％。