一種低溫泡沫玻璃保溫材料及其製備方法
2023-10-23 00:13:52
專利名稱：一種低溫泡沫玻璃保溫材料及其製備方法
技術領域：
本發明屬於泡沫玻璃保溫材料及其製備領域，特別涉及一種低溫泡沫玻璃保溫材料及其製備方法。
背景技術：
近年來,南京中環國際廣場、哈爾濱經緯360度雙子星大廈、濟南奧體中心、北京央視新址附屬文化中心、上海膠州教師公寓、瀋陽皇朝萬鑫大廈等相繼發生建築外保溫材料火災，造成嚴重人員傷亡和財產損失，建築易燃可燃外保溫材料已成為一類新的火災隱患，由此引發的火災已呈多發勢頭。公安部、住房和城鄉建設部以公通字[2009]46號文發布了《民用建築外保溫系統及外牆裝飾防火暫行規定》，其中第二條規定民用建築外保溫材料採用燃燒性能為A級的材料。在此基礎上，中華人民共和國公安部進一步以公消[2011]65號發布了《關於進一步明確民用建築外保溫材料消防監督管理有關要求》的通知。 目前市場上無機保溫材料少見，性價比高的無機保溫材料更是罕見。當市場佔有量達90%的有機保溫材料處於停滯觀望之時，作為達到防火等級A級的外牆外保溫無機材料一泡沫玻璃和巖棉卻迎來了前所未有的市場良機。今年以來，巖棉價格已由42兀/平方米左右飆升至200多元/平方米。即便如此，市場需求仍然供不應求。保溫泡沫玻璃也在其廣泛應用上出現瓶頸問題。泡沫玻璃又稱為多孔玻璃，其內部充滿無數開口或閉口的小氣孔，氣孔的面積佔總體積的809Γ90%，孔徑大小為O. 5飛mm，也有的小到幾微米。它是一種性能優越的絕熱(保冷)、吸聲、防潮、防火的輕質高強建築材料和裝飾材料，A級不燃與建築物同壽命。然而泡沫玻璃離我們的市場需求還有一些距離。一方面，泡沫玻璃的發泡溫度在800°C以上，模具要用合金鋼，不僅價格昂貴，而且經多次高溫加熱，損耗較大，有的企業用鑄鐵為模具，雖然價格低，但加熱後會導致氧化、掉皮、變形，損耗更嚴重。發泡溫度較高的泡沫玻璃不僅意味著模具成本高，還有高能耗，即工藝成本非常高；另一方面，泡沫玻璃的彈性模量較大，而綜合考慮各種應力變化規律，在實際應用工程中保溫材料的彈性模量應越小越好。如何降低泡沫玻璃的發泡溫度及彈性模量，是實現其在有機保溫材料處於停滯觀望之時而無機材料如雨後春筍般湧現的激烈市場競爭下佔有絕對優勢的關鍵問題。一般固態玻璃粉的熔融狀態一般在800°C以上，要降低泡沫玻璃的發泡溫度必須從合成工藝的角度上另覓蹊徑。與固相反應相比，膠體化學反應將更容易進行，而且僅需要較低的合成溫度。這是因為膠體化學反應體系中組分的擴散在納米範圍內，而固相反應時組分擴散是在微米範圍內。在發現問題解決問題的思考模式下，原材料的問題也迎刃而解。水溶性矽酸鹽，俗稱是泡花鹼，這是因為水玻璃受熱後會發泡，其發泡有兩種情況一是在液態時加熱自由水鼓泡，類似於沸騰；二是硬化後發泡，一般是硬化後的結合水揮發(在200°C 300°C溫度下即可實現)所致，可製備出孔隙率非常高的材料。將未添加其他原料改性的水玻璃進行發泡或自由發泡而得到的多孔材料化學穩定性極差，而且孔結構存在著泡徑不均一、分布不均勻等缺陷。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種低溫泡沫玻璃保溫材料及其製備方法，該泡沫玻璃保溫材料力學強度好，吸水率低，導熱係數小，泡孔孔徑大小一致(孔徑d ( 2mm)、分布均勻，該製備工藝過程簡單，成本低廉，節能環保，適於工業化生產。本發明的一種低溫泡沫玻璃保溫材料，該泡沫玻璃保溫材料按質量分數包括Si0240 80%、B2O3 O 16%、Al2O3 O 10%、R2O 10 40% ;其中 R2O 為鹼金屬氧化物。所述的鹼金屬氧化物為Li20、Na2O, K2O中的一種或幾種。本發明的一種低溫泡沫玻璃保溫材料的製備方法，包括(I)按質量分數為 SiO2 40 80%,B2O3 O 16%、A1203 O 10%,R2O 10 40%(R20 為鹼金屬氧化物，其中B2O3與Al2O3的含量不同時為零。)，將含硼原料、含鋁原料、鹼ROH (R為Li、Na、K等鹼金屬元素中的一種或幾種)中的一種或幾種與化學式為R2O -IiiSiO2的矽酸鹽水溶液在攪拌下混合均勻，在不凝膠的前提下得到一種高粘度的溶膠體系；(2)將上述溶膠體系進行乾燥得到含水率為25 50%的中間料，如圖2所示，乾燥時間隨乾燥溫度的不同而變化；(3)將得到的中間料進行碎裂處理，碎裂後的中間料顆粒粒徑範圍為O. 3
I.6mm ；(4)將上述破碎後的中間料在密閉條件下按照以下熱處理制度進行處理升溫發泡階段，以速率10 40°C /min升溫至250 500°C並保溫，保溫時間不少於O. 5h ;降溫冷卻階段，以降溫速率I 30°C /min降至室溫即得低溫泡沫玻璃。步驟(I)中所述的化學式為R2OiSiO2的矽酸鹽水溶液，俗稱水玻璃，30彡。Β ( 60，其中R為Li、Na、K等鹼金屬元素中的一種或幾種，m為二氧化矽與鹼金屬氧化物的摩爾數比值，稱為水玻璃的模數。步驟(I)中所述的所述含硼原料為硼酸、硼砂、含硼礦物中的一種或幾種。步驟(I)中所述的含鋁原料為磷酸二氫鋁、磷酸鋁、氫氧化鋁、含鋁礦物中的一種或幾種。本發明所述的一種低溫泡沫玻璃保溫材料，是指通過膠體化學工藝得到的新型非晶態、多孔水合玻璃材料，其原料組分是化學式為R2O ^SiO2矽酸鹽水溶液(俗稱水玻璃)，30彡波美度(° Β )彡60，其中R為Li、Na、K等鹼金屬元素或它們的混合物，m為二氧化矽與鹼金屬氧化物摩爾數比值，稱為水玻璃的模數；含硼或含鋁原料，或加入鹼以增加含硼或含鋁原料的加入量；將這些原料按一定比例混合，控制其主要成分的質量分數為Si0240 80% ；B203 O 16% ；A1203 O 10% ；R20 10 40%。本發明研發的低溫泡沫玻璃保溫材料是從高化學穩定性高耐久性鈉硼矽系玻璃及其內秉結構特徵的角度出發的。硼元素有奪取游離氧或取代Si元素形成帶負電荷的[BO4]-四面體的趨勢從而將體系中的R+牢牢地吸附，使結構趨向緊密從而大大提高了其穩定性。下面以硼酸為硼原料示例，闡述其硼改性後耐水性提高的機理未改性前的矽酸鹽水溶液的膠團結構和雙電層示意圖如圖I所示，其中表示Si-0，「 + 」表示R+等陽離子，「Θ」表示OH-等陰離子。矽酸鹽水溶液的膠團中心是膠核，它是由成千上萬個SiO2分子組成的緊密聚合體，其內部結構為Si-O-Si鍵相聯結的立體網狀結構，在膠核和水接觸的界面上形成了 Si-OH矽醇鍵。由於此矽醇鍵為極性分子鍵，因此使得膠核表面呈現了負熱力學電位。在膠核的負電位作用下，膠核吸附水合氫離子比0+，同時也將吸附R+等陽離子。吸附層與膠核結合緊密，當膠核運動時，吸附層能相隨一起運動，因此帶有吸附層的膠核統稱為膠粒。由於膠粒動電電位的存在，溶液中H3O+和R+等陽離子也將受其電場的靜電作用，但由於熱運動而使其離子擴散分布，形成擴散層。擴散層不隨膠粒一起運動，膠粒與擴散層一起組成膠團。由於膠粒所帶負電量與擴散層所帶正電量相等，一次整個膠團呈電中性。習慣上將吸附層和擴散層總稱為雙電層。當向矽酸鹽水溶液中加入硼酸時，一方面間接引入了 H3O+,另一方面引入了硼元素。硼酸的酸性來源不是本身給出質子，而是由於硼是缺電子原子能加合水分子的OH-而釋放出質子。硼酸顯酸性原因見下式
權利要求
1.一種低溫泡沫玻璃保溫材料，其特徵在於所述的泡沫玻璃保溫材料按質量分數包括=SiO2 40 80%,B2O3 0 16%、A1203 0 10%,R2O 10 40% ;其中 R2O 為鹼金屬氧化物，B2O3與Al2O3的含量不同時為零。
2.根據權利要求I所述的一種低溫泡沫玻璃保溫材料，其特徵在於所述的鹼金屬氧化物為Li20、Na2O, K2O中的一種或幾種。
3.如權利要求I所述的一種低溫泡沫玻璃保溫材料的製備方法，包括 (1)按質量分數為SiO2 40 80%,B2O3 0 16%、A1203 0 10%,R2O 10 40%，將含硼原料、含鋁原料、鹼ROH中的一種或幾種與化學式為R2O ^mSiO2的矽酸鹽水溶液在攪拌下混合均勻，在不凝膠的前提下得到溶膠體系； (2)將上述溶膠體系進行乾燥得到含水率為25 50%的中間料； (3)將得到的中間料進行碎裂處理，碎裂後的中間料顆粒粒徑範圍為0.3 I. 6mm ; (4)將上述破碎後的中間料在密閉條件下按照以下熱處理制度進行處理升溫發泡階段，以速率10 40°C /min升溫至250 500°C並保溫，保溫時間不少於0. 5h ;降溫冷卻階段，以降溫速率I 30°C /min降至室溫即得低溫泡沫玻璃。
4.根據權利要求3所述的一種低溫泡沫玻璃保溫材料的製備方法，其特徵在於步驟(I)中所述的化學式為R2O HiSiO2的矽酸鹽水溶液，俗稱水玻璃，30 B6 < 60，其中R為Li、Na、K中的一種或幾種，m為二氧化矽與鹼金屬氧化物的摩爾數比值，稱為水玻璃的模數。
5.根據權利要求3所述的一種低溫泡沫玻璃保溫材料的製備方法，其特徵在於步驟(I)中所述的含硼原料為硼酸、硼砂、含硼礦物中的一種或幾種。
6.根據權利要求3所述的一種低溫泡沫玻璃保溫材料的製備方法，其特徵在於步驟(I)中所述的含鋁原料為磷酸二氫鋁、磷酸鋁、氫氧化鋁、含鋁礦物中的一種或幾種。
全文摘要
本發明涉及一種低溫泡沫玻璃保溫材料及其製備方法，該泡沫玻璃保溫材料按質量分數包括SiO2 40～80%、B2O3 0～16%、Al2O3 0～10%、R2O 10～40%；其中R2O為鹼金屬氧化物；製備方法包括(1)將含硼原料、含鋁原料、鹼ROH中的一種或幾種與水玻璃在攪拌下混合均勻，在不凝膠的前提下得到溶膠體系；(2)將上述溶膠體系乾燥得到含水率為25～50%的中間料；(3)將得到的中間料進行碎裂處理，然後在密閉條件下進行發泡熱處理即可。本發明的低溫泡沫玻璃力學強度好、吸水率低、導熱係數小，可作為優良絕熱保溫材料；本發明的製備工藝過程簡單，成本低廉，節能環保，適於工業化生產。
文檔編號C03C11/00GK102795781SQ20121029563
公開日2012年11月28日 申請日期2012年8月20日 優先權日2012年8月20日
發明者高錦秀, 王智宇, 屠浩馳, 王小山, 阮華, 李陸寶 申請人:寧波榮山新型材料有限公司