替代石棉的矽基難燃材料及其製備方法

2023-06-05 15:45:41

專利名稱：替代石棉的矽基難燃材料及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種矽基難燃材料(silica-based nonflammable material)及其製備方法，更具體地，本發明涉及一種包括矽石、石灰巖和鈉長石作為主要成分的矽基難燃材料及其製備方法，所述矽基難燃材料是通過包括碾碎、熔融、噴塗和成型在內的一系列工藝過程而獲得的，且該矽基難燃材料可替代石棉。
背景技術：
石棉是一種本質上為纖維狀且富含鎂的含水矽酸鹽礦物質。石棉被廣泛應用於諸如厚紙板、石棉板等的建築材料、防火材料、耐火材料、隔熱材料、電絕緣材料、電解質膜材料、制動襯片材料、或類似物。特別地，石棉因具有優秀的隔熱、絕緣性質、抗磨損性、抗張強度、對酸性或鹼性化學物質的耐受性且價格非常便宜而被廣泛應用。然而，由於最近已發現石棉是致癌物，於是石棉被逐漸棄用。此外，為了取代石棉，研究正在進展當中。該研究結果的代表性實例包括登記號為No. 20-0351515的韓國實用新型公開了一種難燃的薄板，其中碳纖維板通過粘合劑被粘合到矽纖維板的兩面；登記號為 No. 20-043M18的韓國實用新型公開了一種建築草(纖維)水泥板，其中通過將草或草本植物打漿而得的纖維與水泥和水混合來生產隔熱或隔聲材料，該隔熱或隔聲材料被用於內部建築或外部建築並且該隔熱或隔聲材料可防水和防火；以及韓國專利公開號 No. 2007-0065854公開了一種使用回收的合成纖維廢品來製備吸音材料的方法和一種用於建築的吸音板。上述現有技術部分地解決了在石棉中存在的有害性問題並且是具有額外功能的建築材料。然而，此類常規的現在技術仍存在不足，由於它們包含了從中會部分地釋放有害物質的原材料，故這些現有技術並沒有完全解決有害性的問題。因此，本發明人做出了大量的努力以解決常規現有技術的相關問題，並因此發現了，可以通過將矽石、石灰巖和鈉長石，或鈣矽石和鈉長石經過包括碾碎、熔融、噴塗和成型在內的一系列工藝過程而製備出一種對人體無害的難燃建築材料，前述矽石、石灰巖和鈉長石，或鈣矽石和鈉長石均為天然礦物質，從而完成了本發明。

發明內容
技術問題本發明的一個目的是提供一種可替代石棉的矽基難燃材料及其製備方法。技術方案為了達到上述目的，一方面，本發明提供了一種矽基難燃材料的製備方法，所述方法包括以下步驟(a)將包括矽石、石灰巖和鈉長石作為主要成分的天然礦物質碾碎成天然礦物質粉末；
(b)將在步驟(a)被碾碎的、包括矽石、石灰巖和鈉長石的天然礦物質粉末進行熔融，以形成液態熔融物；和(c)將在步驟(b)所形成的液態熔融物進行噴塗，以獲得作為被噴塗的材料的矽基難燃材料。另一方面，本發明提供了由所述方法製備的、包括矽石、石灰巖和鈉長石的矽基難燃材料。又一方面，本發明提供了一種矽基難燃材料的製備方法，所述方法包括以下步驟(a)將包括鈣矽石和鈉長石作為主要成分的天然礦物質碾碎成天然礦物質粉末；(b)將在步驟(a)被碾碎的、包括鈣矽石和鈉長石的天然礦物質粉末進行熔融，以形成液態熔融物；和(c)將在步驟(b)所形成的液態熔融物進行噴塗，以獲得作為被噴塗的材料的矽基難燃材料。再一方面，本發明提供了由所述方法製備的、包括鈣矽石和鈉長石的矽基難燃材料。以下詳細的說明書及所附的權利要求書將更明確地說明本發明的其它特徵和實施方式。


圖1是根據本發明製備矽基難燃材料的工藝流程圖；圖2是根據本發明所製備的、包括矽石、石灰巖和鈉長石的矽基難燃材料的照片， 其中圖2(a)顯示了成型前的矽基難燃材料和圖2(b)顯示了成型後的矽基難燃材料；圖3是根據本發明所製備的、包括鈣矽石和鈉長石的矽基難燃材料的照片，其中圖3(a)顯示了成型前的矽基難燃材料和圖3(b)顯示了成型後的矽基難燃材料。
具體實施例方式除非另有定義，本發明使用的所有技術術語和科學術語都具有本發明所屬技術領域的普通技術人員通常理解的含義。通常，本發明中所使用的術語和下文將描述的實驗方法都是本領域公知的或常用的。一方面，本發明涉及一種矽基難燃材料的製備方法，所述方法包括步驟(a)將包括矽石、石灰巖和鈉長石作為主要成分的天然礦物質碾碎成天然礦物質粉末；(b)將在步驟(a)被碾碎的、包括矽石、石灰巖和鈉長石的天然礦物質粉末進行熔融，以形成液態熔融物；和(c)將在步驟(b)所形成的液態熔融物進行噴塗，以獲得作為被噴塗的材料的矽基難燃材料。(參見圖1)矽砂(silica sand)是含有高含量的二氧化矽(SiO2)的石英砂。具體地，矽砂是指通過自然現象形成的砂，在該自然現象中由於風化的原因，其它礦物原料分解致消失，只有石英存留或被轉移。韓國的矽砂的總預計儲量為約1.09億萬噸，且長期以來矽砂被用於包括混凝土等不同種類的建築材料。因此，本發明提供一種矽基難燃材料，該矽基難燃材料對人體無害且包含作為一類矽砂的矽石和鈣矽石，也即在韓國很容易獲得的天然礦物質。具體地，由於矽石具有超出 1400-1600°C的較高的熔融溫度，故為了降低該矽石的熔融溫度，使用石灰巖和鈉長石與矽石一起作為主要成分。由於鈣矽石具有相對較低的熔融溫度600-800°C，因此只使用鈉長石與矽石一起作為主要成分。矽石是一種化學式為SiO2W礦物質，通常以石英的形式存在。由於矽石具有防火的物理性質，矽石被用作包括耐火漿泥、耐火磚之類的耐火建築材料的主要分成，且矽石具有在1400-1600°C的高溫下被熔融的性質。因此，在本發明中，矽石的作用是為了賦予最終製備的矽基難燃材料具有難燃的性質，以使得生產表現出難燃性的功能性建築材料成為可能。此外，由於矽石是以砂石等形式天然存在的礦物質，所以矽石顯現出不釋放對人體有害物質的效果。石灰巖是一種具有耐火和隔熱性質、隔音、重量輕、可成型性等物理性質的礦物質。此外，石灰巖包含作為主要成分的CaCO3並具有在900-1100°C的低溫下被熔融的性質。因此，在本發明中，石灰巖的作用是為了降低熔融工藝中進行熔融的溫度，並且石灰巖可表現出降低生產矽基難燃材料的成本開銷的效果。鈉長石(Nei2O · Al2O3 · 6Si02)是一種分子量為524. 3和熔點為1000-1100°C的礦物質。鈉長石具有在較低溫度時可將材料的顆粒彼此順利地粘合的物理性質。因此，在本發明中，利用鈉長石的前述物理性質，鈉長石的作用是為了使作為矽基難燃材料主要成分的矽石粉末顆粒之間相互粘合，這使得在較低的熔融溫度下生產矽基難燃材料成為可能，從而降低生產成本。在本發明中，以100重量份的矽石為基礎，石灰巖和鈉長石的含量分別為60-90重量份和60-90重量份。如果石灰巖的含量少於60重量份(基於100重量份的矽石)，則出現熔融溫度仍然高的問題。相反，如果石灰巖的含量超出90重量份(基於100重量份的矽石)，則隨著加入的石灰巖量的增加也無益處。此外，如果鈉長石的含量少於60重量份(基於100重量份的矽石)，則出現熔融溫度仍然高的問題。相反，如果鈉長石的含量超出90重量份(基於 100重量份的矽石)，則隨著加入的鈉長石量的增加也無益處。在本發明中，優選地，作為主要成分使用的矽石和鈉長石被碾碎成粒徑為l_3mm 的天然礦物質粉末。為了將矽石和鈉長石碾碎到粒徑小於Imm的天然礦物質粉末，需耗費更多的時間。如果天然礦物質粉末的粒徑超過3mm，則會出現需要耗費更多的時間來熔融該天然礦物質粉末的問題。可將矽石、石灰巖和鈉長石分別碾碎，然後一起熔融。或者，可將石灰巖和鈉長石一起碾碎後熔融。在本發明中，步驟(b)中進行熔融是在700-1，300°C下進行20-50分鐘。如果天然礦物質粉末的進行熔融的溫度低於700°C，則熔融不充分。相反地，如果進行熔融的溫度超過1，300°C，則隨著熔融溫度的增加也無益處。另外，如果天然礦物質粉末的進行熔融的時間少於20分鐘，則熔融不能充分進行。相反地，如果進行熔融的時間超過50分鐘，則隨著熔融時間的增加也無益處。優選以窯作為進行包括熔融、煅燒等在內的常規加熱處理工藝的裝置進行熔融， 但不限於此且任何可以熔融天然礦物質粉末的裝置都是可以的。在本發明中，步驟(c)中進行噴塗可通過高壓噴塗器(high-pressure sprayer)來進行，且被噴塗的材料是棉纖維形式的材料。在本發明中，將步驟(C)中被噴塗的材料成型的步驟是額外進行的。所述成型是擠壓成型工藝。步驟(c)中作為被噴塗的材料的、所獲得的矽基難燃材料是棉纖維形式的。對該象棉纖維般的矽基難燃材料施用額外的成型步驟可獲得平板形式的矽基難燃材料。作為一個具體的實例，將在下文描述使用滾筒的擠壓成型工藝。將在窯裡通過熔融工藝形成的液態熔融物噴塗到滾筒上，和當從一對滾筒之間經過時，該棉纖維形式的被噴塗的材料就被擠壓，因此板狀樣的矽基難燃材料便卷繞在滾筒上，從而獲得卷狀物形式的矽基難燃材料。當該矽基難燃材料被實際用作建築材料時，如果需要，可以被切割並使用該矽基難燃材料。同時，可以將液態熔融物與有機粘合劑一起噴塗到滾筒上，以進一步促進在使用滾筒的擠壓成型的工藝中的成型。此外，為了防止經過滾筒時擠壓出來的板狀樣矽基難燃材料卷與卷繞在滾筒上的矽基難燃材料相互粘著，可在底部放置聚合樹脂、樹脂等以形成卷狀物。另一方面，本發明還涉及一種由所述方法製備的、包含矽石、石灰巖和鈉長石的矽基難燃材料。如上所述，包含矽石、石灰巖和鈉長石作為主要成分的、棉纖維形式的矽基難燃材料可通過包括碾碎、熔融和噴塗在內的一系列工藝而獲得。此外，平板形式的矽基難燃材料可通過包括碾碎、熔融、噴塗和成型在內的一系列工藝而獲得。在另一方面，本發明還涉及一種矽基難燃材料的製備方法，所述方法包括步驟 (a)將包括鈣矽石和鈉長石作為主要成分的天然礦物質碾碎成天然礦物質粉末；(b)將步驟(a)中所碾碎的、包括鈣矽石和鈉長石的天然礦物質粉末進行熔融，以形成液態熔融物； 和(c)將步驟(b)所形成的液態熔融物進行噴塗，以獲得矽基難燃材料。鈣矽石是一種分子式為CaSiO3的鏈矽酸鈣(calcium inosilicate)礦物質，其包含48. 3%重量的CaO和51. 7%重量的Si02。另外，鈣矽石是一種天然存在的礦物質，具有即使在超過1000°C的高溫仍保持難燃的特性。因此，在本發明中，鈣矽石的作用是賦予最終製備的矽基難燃材料有難燃的性質， 從而使生產表現出難燃的功能性建築材料成為可能。此外，由於鈣矽石是天然存在的礦物質，具有不釋放對人體有害物質的效果。在本發明中，以100重量份的鈣矽石為基礎，鈉長石的含量為10-50重量份。如果鈉長石的含量少於10重量份(基於100重量份的鈣矽石)，則出現天然礦物粉末的熔融溫度仍然高的問題。相反地，如果鈉長石的含量超出50重量份(基於100重量份的鈣矽石)，則隨著加入的鈉長石量的增加也無益處。在本發明中，步驟(b)的熔融是在700-800°C下進行10_30分鐘。如果天然礦物質粉末進行熔融的溫度低於700°C，則熔融不充分。相反地，如果進行熔融的溫度超過800°C， 則隨著熔融溫度的增加也無益處。另外，如果天然礦物質粉末進行熔融的時間少於20分鐘，則熔融不充分，相反地，如果進行熔融的時間超過50分鐘，則隨著熔融時間的增加也無益處。在本發明中，將步驟(C)中被噴塗的材料進行成型的步驟是額外進行的。
在本發明中，所述成型是使用滾筒進行擠壓成型工藝。另一方面，本發還涉及由所述方法製備的、包含鈣矽石和鈉長石的矽基難燃材料。由於根據本發明的矽基難燃材料是以棉纖維形式或平板形式獲得的，該矽基難燃材料可以以任意可選的方式在實際的建築建設中被適當地用作隔熱和隔音等建築材料。此夕卜，本發明的矽基難燃材料由於包含天然礦物質作為主要成分而對人體無害，這與已被廣泛用作建築材料但由於釋放致癌物質而被認為有害的石棉不同。實施例以下，將參考實施例進一步詳細描述本發明。顯然，對本領域的技術人員來說，這些實施例僅用於解釋的目的並不能理解為對本發明範圍的限制。實施例1製備包括矽石、石灰巖和鈉長石的矽基難燃材料使用球磨機(韓國陶瓷有限公司)將40kg矽石、30kg石灰巖、30kg鈉長石碾碎成粒徑為l_3mm的天然礦物質粉末。將所述碾碎的粉末投放到窯中並在1100°C下熔融35分鐘。使用高壓空氣壓縮機(韓國Dong-A精確有限公司(Korean Dong-A Precision Co.，Ltd))噴塗被熔融並流出窯的液態熔融物以獲得棉纖維形式的矽基難燃材料(參見圖 2(a))。另外，當在一對滾筒(韓國陶瓷有限公司)之間經過時，作為被噴塗的材料的、該棉纖維形式的矽基難燃材料被擠壓成型，並且然後被卷繞到該滾筒上從而獲得平板形式的矽基難燃材料(參見圖2(b))。實施例2製備包括鈣矽石和鈉長石的矽基難燃材料使用球磨機(韓國陶瓷有限公司)將70kg鈣矽石、30kg鈉長石碾碎成粒徑為 l-3mm的天然礦物質粉末。將所述碾碎的粉末投放到窯中並在650°C下熔融35分鐘。使用高壓空氣壓縮機(韓國Dong-A精確有限公司)噴塗被熔融並流出窯的液態熔融物以獲得棉纖維形式的矽基難燃材料(參見圖3(a))。另外，當在一對滾筒(韓國陶瓷有限公司)之間經過時，作為被噴塗的材料的、該棉纖維形式的矽基難燃材料被擠壓成型，並且然後被卷繞到該滾筒上從而獲得平板形式的矽基難燃材料(參見圖3(b))。工業適用性如上所述，根據本發明，由於使用由矽基礦物質構成的矽基難燃材料可以製備即使在高溫下仍難燃的功能性建築材料，並且由於只使用天然礦物質作為主要成分，故所述矽基難燃材料可用作建築材料而對人體無害，並可替代已經被廣泛用作隔熱和隔音等常規建築材料的石棉。儘管對本發明的詳細描述中涉及具體的特徵，顯然，對本領域的技術人員來說，這種描述只是一種優選的實施方式並不限制本發明的範圍。因此，本發明的實質範圍由所附的權利要求書及其等同來限定。
權利要求
1.一種矽基難燃材料的製備方法，所述方法包括以下步驟(a)將包括矽石、石灰巖和鈉長石作為主要成分的天然礦物質碾碎成天然礦物質粉末；(b)將步驟(a)所碾碎的、包括矽石、石灰巖和鈉長石的天然礦物質粉末進行熔融，以形成液態熔融物；和(c)將步驟(b)所形成的液態熔融物進行噴塗，以獲得作為被噴塗的材料的矽基難燃材料。
2.權利要求1所述的方法，其中，基於100重量份的矽石，石灰巖和鈉長石的含量分別是60-90重量份和60-90重量份。
3.權利要求1所述的方法，其中，步驟(b)中進行熔融是在700-1，300°C下進行20-50 分鐘。
4.權利要求1所述的方法，進一步包括將在步驟(c)獲得的矽基難燃材料進行成型。
5.根據權利要求1-4中任一項所製備的、包含矽石、石灰巖和鈉長石的矽基難燃材料。
6.權利要求5所述的矽基難燃材料，其中，基於100重量份的矽石，石灰巖和鈉長石的含量分別是60-90重量份和60-90重量份。
7.—種矽基難燃材料的製備方法，所述方法包括以下步驟(a)將包括鈣矽石和鈉長石作為主要成分的天然礦物質碾碎成天然礦物質粉末；(b)將步驟(a)所碾碎的、包括鈣矽石和鈉長石的天然礦物質粉末進行熔融，以形成液態熔融物；和(c)將步驟(b)所形成的液態熔融物進行噴塗，以獲得作為被噴塗的材料的矽基難燃材料。
8.權利要求7所述的方法，其中，基於100重量份的鈣矽石，鈉長石的含量是10-50重量份。
9.權利要求7所述的方法，其中，步驟(b)中進行熔融是在700-800°C下進行20-50分鐘。
10.權利要求7所述的方法，進一步包括將在步驟(C)獲得的矽基難燃材料進行成型。
11.根據權利要求7-11中任一項所製備的、包含鈣矽石和鈉長石的矽基難燃材料。
12.權利要求11所述的矽基難燃材料，其中，基於100重量份的鈣矽石，鈉長石的含量是10-40重量份。
全文摘要
本發明涉及一種矽基難燃材料及其製備方法，更具體地，涉及一種包含矽石、石灰巖和鈉長石作為主要成分的矽基難燃材料及其製備方法，所述矽基難燃材料是通過包括碾碎、熔融、噴塗和成型在內的一系列工藝而獲得的，並可替代石棉。根據本發明，由於可使用由矽基礦物質構成的矽基難燃材料來製備即使在高溫下也難燃的功能性建築材料，並且由於只使用天然礦物質為主要成分，所述矽基難燃材料可被用作對人體無害的建築材料，並且可替代已經被廣泛用於作隔熱和隔音等常規建築材料的石棉。
文檔編號C09K21/02GK102459114SQ201080025594
公開日2012年5月16日 申請日期2010年5月10日 優先權日2009年5月8日
發明者吳長燮, 李世麟 申請人:李世麟