一种高性能、低能耗固废基轻质保温材料及其制备方法专利检索-影响或改变砂浆混凝土或人造石组合物性质的一般工艺方法例如其凝结或硬化能力专利检索查询-专利查询网

一种高性能、低能耗固废基轻质保温材料及其制备方法

专利类型	发明公开	法律事件	公开; 实质审查;
专利有效性	实质审查	当前状态	实质审查
申请号	CN202410664352.0	申请日	2024-05-27
公开(公告)号	CN118598629A	公开(公告)日	2024-09-06
申请人	山东大学;	申请人类型	学校
发明人	王文龙; 杨世钊; 王旭江; 李敬伟; 文传琦; 蒋稳; 李玉忠;	第一发明人	王文龙
权利人	山东大学	权利人类型	学校
当前权利人	山东大学	当前权利人类型	学校
省份	当前专利权人所在省份：山东省	城市	当前专利权人所在城市：山东省济南市
具体地址	当前专利权人所在详细地址：山东省济南市历下区经十路17923号	邮编	当前专利权人邮编：250061
主IPC国际分类	C04B28/14	所有IPC国际分类	C04B28/14 ; C04B38/02 ; C04B40/00 ; C04B111/40
专利引用数量	0	专利被引用数量	0
专利权利要求数量	10	专利文献类型	A
专利代理机构	济南圣达知识产权代理有限公司	专利代理人	张晓鹏;
摘要	本发明公开了一种高性能、低能耗固废基轻质保温材料及其制备方法，包括干料、湿料和发泡剂，其中，按质量份计，干料由以下组分组成：固废基硫铝铁系胶凝材料50‑70份，矿渣粉5‑20份，钢渣粉5‑15份，电石渣0.2‑0.8份，硬脂酸钙 0.3‑1份，纤维素醚0.01‑0.05份；湿料由以下组分组成：原状脱硫石膏 20‑30份，原状赤泥2‑5份，聚羧酸减水剂0.1‑0.5份，复合缓凝剂 0.05‑0.3份，短切纤维0.01‑0.5份，聚合物乳液0.5‑2份，水灰比0.3‑0.4；发泡剂为双氧水，其添加量为保温材料总质量的1‑3％。原料段分为干料组分和湿料组分两种，固废基硫铝铁系胶凝材料与矿渣粉、钢渣粉、脱硫石膏等的协同水化和微结构填充效应，大幅提升轻质保温材料的基础力学性能等参数。此外，耦合的变压发泡工艺对于轻质保温材料的性能提升和泡孔强化均发挥积极效果。
权利要求	1.一种高性能、低能耗固废基轻质保温材料，其特征在于：包括干料、湿料和发泡剂，其中，按质量份计，干料由以下组分组成：固废基硫铝铁系胶凝材料50‑70份，矿渣粉5‑20份，钢渣粉5‑15份，电石渣0.2‑0.8份，硬脂酸钙0.3‑1份，纤维素醚0.01‑0.05份；湿料由以下组分组成：原状脱硫石膏20‑30份，原状赤泥2‑5份，聚羧酸减水剂0.1‑0.5份，复合缓凝剂0.05‑0.3份，短切纤维0.01‑0.5份，聚合物乳液0.5‑2份，水灰比0.3‑0.4；发泡剂为双氧水，其添加量为保温材料总质量的1‑3％。 2.根据权利要求1所述的高性能、低能耗固废基轻质保温材料，其特征在于：固废基硫铝铁系胶凝材料、矿渣粉、钢渣粉以及电石渣的细度为过200目筛。 3.根据权利要求1所述的高性能、低能耗固废基轻质保温材料，其特征在于：所述复合缓凝剂包括酒石酸缓凝剂和硼酸缓凝剂，酒石酸缓凝剂和硼酸缓凝剂的质量比为1‑3:1。 4.根据权利要求1所述的高性能、低能耗固废基轻质保温材料，其特征在于：所述聚合物乳液为VAE乳液、硅丙乳液或苯丙乳液。 5.根据权利要求1所述的高性能、低能耗固废基轻质保温材料，其特征在于：所述短切纤维的长为6‑12mm。 6.根据权利要求1所述的高性能、低能耗固废基轻质保温材料，其特征在于：所述发泡剂为质量分数为25‑30％的双氧水。 7.权利要求1‑6任一所述高性能、低能耗固废基轻质保温材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：将固废基硫铝铁系胶凝材料、矿渣粉、钢渣粉和电石渣按比例混合后粉磨，至过200目方孔筛的筛余小于10％，得混合粉料；向混合粉料中加入硬脂酸钙和纤维素醚后，混匀，得干料；将原状脱硫石膏、赤泥、聚羧酸减水剂、复合缓凝剂、短切纤维、聚合物乳液和水按比例混合，得湿料；将干料和湿料混合，制成混合浆料；对混合浆料进行搅拌，搅拌过程中加入双氧水，之后快速搅拌20‑40s，得泡沫浆体；将得到的泡沫浆体进行变压发泡、成型设定时间，最后经养护后，即得高性能、低能耗固废基轻质保温材料。 8.根据权利要求7所述的高性能、低能耗固废基轻质保温材料的制备方法，其特征在于：将干料和湿料混合后，先慢速搅拌20‑40s，再快速搅拌2‑5min，制成混合浆料；优选的，所述慢速搅拌的搅拌速率为100‑160r/min；所述快速搅拌的搅拌速率为250‑ 300r/min。 9.根据权利要求7所述的高性能、低能耗固废基轻质保温材料的制备方法，其特征在于：所述变压发泡、成型在变压发泡模箱中进行。 10.根据权利要求7所述的高性能、低能耗固废基轻质保温材料的制备方法，其特征在于：所述变压发泡模箱的可移动压板通过弹簧组件连接于变压发泡模箱的顶部；优选的，变压发泡过程中，所述可移动压板对发泡体系的压力范围为5‑20N，对应于100 2 ×100mm受压面积；优选的，变压发泡、成型的时间为4‑6h。
说明书全文	一种高性能、低能耗固废基轻质保温材料及其制备方法技术领域 [0001] 本发明属于固废资源化利用技术领域，具体涉及一种高性能、低能耗固废基轻质保温材料及其制备方法。背景技术 [0002] 这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。 [0003] 建筑运行阶段碳排放占全国碳排放总量的21.7％，而保温隔热是降低围护结构能耗和降低碳排放的关键。因此有必要开发高性能、低能耗的装配式建筑用轻质保温材料。 [0004] 目前，轻质保温材料普遍以蒸压加气混凝土板/砌块为主，为了保证产品性能其制备过程通常需要在180‑200℃、1.1‑2MPa饱和蒸汽压的蒸压釜内养护8‑24h。该养护工艺伴随着较高的能耗和CO2排放，占整体环境影响的20％左右。此外，其原材料通常需要水泥、石灰和石英砂。 [0005] 水泥和石灰行业分别约占全球人为CO2排放量的8％和1％。砂石的过度开采严重威胁着河道和河流生态系统的稳定。这些不仅限制了装配式建筑用轻质保温材料的低碳可持续发展，还导致环境退化。 [0006] 此外，蒸压加气混凝土尽管具备优异的强度，但其孔隙结构多为连通孔隙，孔隙结构较差，这导致其本身吸水率高，保温性能较差。免蒸压类的加气混凝土强度性能无法达到蒸压加气混凝土的要求，同时其孔隙结构难以均质可控。发明内容 [0007] 针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种高性能、低能耗固废基轻质保温材料及其制备方法。 [0008] 为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现： [0009] 第一方面，本发明提供一种高性能、低能耗固废基轻质保温材料，包括干料、湿料和发泡剂，其中，按质量份计，干料由以下组分组成：固废基硫铝铁系胶凝材料50‑70份，矿渣粉5‑20份，钢渣粉5‑15份，电石渣0.2‑0.8份，硬脂酸钙0.3‑1份，纤维素醚0.01‑0.05份； [0010] 湿料由以下组分组成：原状副产石膏20‑30份，原状赤泥2‑5份，聚羧酸减水剂0.1‑0.5份，复合缓凝剂0.05‑0.3份，短切纤维0.01‑0.5份，聚合物乳液0.5‑2份，水灰比0.3‑ 0.4； [0011] 发泡剂为双氧水，其添加量为保温材料总质量的1‑3％。 [0012] 原状副产石膏，是指原始状态的高含水的脱硫石膏、磷石膏、氟石膏等，不经过烘干等预处理； [0013] 原状赤泥，是指原始状态的高含水的赤泥，未经过烘干等预处理。 [0014] 各组分的作用分别为： [0015] 固废基硫铝铁系胶凝材料：是轻质保温材料强度的主要来源，发挥胶凝作用，具有早强、高强、快硬的特性，充分发挥其早期强度优势，从而摆脱蒸压养护的养护条件； [0016] 矿渣粉：其溶出的硅离子、铝离子，可以促进C(A)‑S‑H的形成，改善和提升固废基硫铝铁系胶凝材料的后期强度和稳定性； [0017] 钢渣粉：与矿渣粉类似，具有一定的水化活性；此外，其自身含有的氧化钙还可以为复合胶凝体系提高液相碱度，从而进一步促进水化进程和强度增益；另一方面，高铁含量，可以代替传统MnO2，起到催化双氧水分解(双氧水的快速分解，才能起到发泡的作用，但是双氧水的快速分解需要催化剂、40‑55℃或pH值为12‑13，但是本发明的混合体系的温度为环境温度，一般低于30℃，且混合体系的pH值为10‑11.5，所以正常条件下，双氧水无法快速分解，进而无法起到快速发泡的作用)的作用，提高发泡效率，该催化效果为发明人首次提出，未见相关报道； [0018] 电石渣：其主要成分味为氢氧化钙，通过提高液相碱度来促进水化进程，同时影响浆体的流变和凝结特性，从而起到改善泡沫材料孔隙分布的效果； [0019] 硬脂酸钙：作为稳泡剂，用于稳定泡沫结构和调节气孔大小； [0020] 纤维素醚：通过改善浆体稠度来提高泡沫浆体的稳定性； [0021] 原状副产石膏：主要成分为二水硫酸钙，为固废基硫铝铁系胶凝材料和矿渣粉的水化作用提供充足的硫酸钙源，加速水化进程，参与水化反应； [0022] 原状赤泥：一方面其颗粒细小，呈绒球状，可以充分发挥其微结构填充效应；另一方面，高铁含量，可以代替传统MnO2，起到催化双氧水分解的效果，该催化效果为发明人首次提出，未见相关报道； [0023] 聚羧酸减水剂：调控复合胶凝体系的流变特性，增强浆体的流动性； [0024] 复合缓凝剂：调节复合胶凝浆体的凝结时间，使泡沫浆体的凝固时间与发泡膨胀过程相匹配； [0025] 短切纤维：增韧改性效果，同时还有助于促进泡沫稳定性； [0026] 聚合物乳液：一方面，其成膜特性，可以发挥增强泡孔孔壁厚度和粘连性的效果；另一方面通过降低浆体的表面张力来减少泡沫形成的阻力，稳定泡孔结构。 [0027] 在一些实施例中，固废基硫铝铁系胶凝材料、矿渣粉、钢渣粉以及电石渣的细度为过200目筛。 [0028] 在一些实施例中，所述复合缓凝剂包括酒石酸缓凝剂和硼酸缓凝剂，酒石酸缓凝剂和硼酸缓凝剂的质量比为1‑3:1。 [0029] 在一些实施例中，所述聚合物乳液为VAE乳液、硅丙乳液或苯丙乳液。 [0030] 在一些实施例中，所述短切纤维的长为6‑12mm。 [0031] 在一些实施例中，所述发泡剂为质量分数为30％的双氧水。 [0032] 第二方面，本发明提供所述高性能、低能耗固废基轻质保温材料的制备方法，包括如下步骤： [0033] 将固废基硫铝铁系胶凝材料、矿渣粉、钢渣粉和电石渣按比例混合后粉磨，至过200目方孔筛的筛余小于10％，得混合粉料； [0034] 向混合粉料中加入硬脂酸钙和纤维素醚后，混匀，得干料； [0035] 将原状脱硫石膏、赤泥、聚羧酸减水剂、复合缓凝剂、短切纤维、聚合物乳液和水按比例混合，得湿料； [0036] 将干料和湿料混合，制成混合浆料； [0037] 对混合浆料进行搅拌，搅拌过程中加入双氧水，之后快速搅拌20‑40s，得泡沫浆体； [0038] 将得到的泡沫浆体进行变压发泡、成型设定时间，最后经养护后，即得高性能、低能耗固废基轻质保温材料。 [0039] 在一些实施例中，将干料和湿料混合后，先慢速搅拌20‑40s，再快速搅拌2‑5min，制成混合浆料。 [0040] 优选的，所述慢速搅拌的搅拌速率为100‑160r/min；所述快速搅拌的搅拌速率为250‑300r/min。 [0041] 在一些实施例中，所述变压发泡、成型在变压发泡模箱中进行。 [0042] 优选的，所述变压发泡模箱的可移动压板通过弹簧组件连接于变压发泡模箱的顶部。变压发泡可明显抑制塌模现象，优化孔隙结构，并可大幅度缩短发泡体的静养脱模时间。 [0043] 进一步优选的，变压发泡过程中，所述可移动压板对发泡体系的压力范围为5‑2 20N，对应于100×100mm受压面积。 [0044] 优选的，变压发泡、成型的时间为4‑6h。 [0045] 上述本发明的一种或多种实施例取得的有益效果如下： [0046] 与现有的技术相比，本发明所制备的轻质保温材料，生产工艺上免去了在蒸压釜内高温高压、蒸汽养护的环节，使得制备工艺更简单、更安全，并且设备投资大幅减少。 [0047] 在原料的选择上，全部来源于大宗工业固废。以电石渣、赤泥等固废作为功能调控剂，结合硬脂酸钙和聚合物乳液等有机组分的加入强化了泡孔结构，构建起有机组分和无机水化产物之间的耦合和桥联作用，最终形成稳定的嵌入式孔壁结构。借助固废基硫铝铁系胶凝材料早强、快硬、高强的特性，复配矿渣粉、钢渣粉、副产石膏等，进一步强化了胶凝材料的协同水化作用和微结构填充效应，大幅提升轻质保温材料的基础力学性能等参数。 [0048] 原料的混合过程中，选择了干湿组分结合的方式，工艺天然适合直接利用高湿固废，省去了对高湿固废干燥等的预处理工艺，进一步降低了原料段的成本和能耗。 [0049] 还进一步引入了变压发泡方式，通过压力变化实现泡沫受力的动态平衡，从而强化了泡孔结构，一定程度上扩大了浆体稳定发泡的范围要求，减少了外加剂的用量，进一步降低了原料成本和潜在能耗，还确保了胶凝体系充分的水化作用。最重要的是，产品性能上固废基轻质保温材料的比抗压强度、导热系数、吸水率等性能完全超过蒸压加气混凝土的性能指标。最终制备了一种装配式建筑用的高性能、低能耗固废基轻质保温材料。这不仅能够提升建筑的能源效率和居住舒适度，还能促进建筑材料的绿色转型，对实现建筑业的可持续发展具有积极影响。附图说明 [0050] 构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。 [0051] 图1是本发明实施例的工艺流程图； [0052] 图2是本发明实施例的变压发泡装置的结构示意图； [0053] 图3是本发明轻质保温材料的放大图。具体实施方式 [0054] 应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。 [0055] 下面结合实施例对本发明作进一步说明。 [0056] 实施例1 [0057] 本发明提供了一种高性能、低能耗固废基轻质保温材料，该轻质保温材料原材料由干料和湿料两部分构成，总的来说是以固废基硫铝铁系胶凝材料、矿渣粉、钢渣粉、原状脱硫石膏为主体胶凝材料，以电石渣、赤泥等作为固废基功能调控剂，以硬脂酸钙、纤维素醚作为稳泡剂，以聚合物乳液作为泡孔增强剂，以短切纤维作为增韧材料，以聚羧酸减水剂、复合缓凝剂作为流变调节剂，以浓度30％的双氧水作为发泡剂，所述水符合混凝土拌合用水要求。 [0058] 该高性能、低能耗固废基轻质保温材料的制备方法，包括以下步骤： [0059] (1)取固废基硫铝铁系胶凝材料55份，外加矿渣粉15份，钢渣粉5份，电石渣0.4份，进行粉磨和预混处理，细度要求满足200目方孔筛，筛余小于10％； [0060] (2)向步骤(1)中混合料加入0.5份的硬脂酸钙，0.02份的纤维素醚后干混搅拌1分钟，作为干料组分，备用； [0061] (3)取原状脱硫石膏25份，原状赤泥2份，聚羧酸减水剂0.2份，复合缓凝剂(酒石酸和硼酸的质量比为1:1)0.2份，短切纤维0.2份，VAE乳液1份，水30份，湿法混合搅拌1分钟，作为湿料组分，备用； [0062] (4)取步骤(2)中干料组分混入步骤(3)中湿料组分，先慢速搅拌30秒，后快速搅拌3分钟，制成混合浆料； [0063] (5)在步骤(4)中混合浆料慢速搅拌过程中，加入质量分数为30％的双氧水1.5份，之后快速搅拌20秒； [0064] (6)将步骤(5)中搅拌好的泡沫浆体，浇筑到特制的变压发泡模箱中，即在模箱的基础上，加装带有弹簧可上下伸缩的“活塞式盖板”，在泡沫浆体自由膨胀到一定位置，将接触到盖板从而受到向下的变压力，最终轻质保温材料成型5小时后脱模，之后标准养护室内进行适当养护即可得到高性能、低能耗固废基轻质保温材料。 [0065] 实施例2 [0066] 本发明提供了一种高性能、低能耗固废基轻质保温材料，该轻质保温材料原材料由干料和湿料两部分构成，总的来说是以固废基硫铝铁系胶凝材料、矿渣粉、钢渣粉、原状脱硫石膏为主体胶凝材料，以电石渣、赤泥等作为固废基功能调控剂，以硬脂酸钙、纤维素醚作为稳泡剂，以聚合物乳液作为泡孔增强剂，以短切纤维作为增韧材料，以聚羧酸减水剂、复合缓凝剂作为流变调节剂，以浓度30％的双氧水作为发泡剂，所述水符合混凝土拌合用水要求。 [0067] 本发明所提出了一种高性能、低能耗固废基轻质保温材料及其制备方法，包括以下步骤： [0068] (1)取固废基硫铝铁系胶凝材料60份，外加矿渣粉5份，钢渣粉5份，电石渣0.6份，进行粉磨和预混处理，细度要求满足200目方孔筛筛余小于10％； [0069] (2)向步骤(1)中混合料加入0.8份的硬脂酸钙，0.03份的纤维素醚后干混搅拌，作为干料组分，备用； [0070] (3)取原状脱硫石膏30份，赤泥3份，聚羧酸减水剂0.3份，复合缓凝剂(酒石酸和硼酸的质量比为1:1)0.3份，短切纤维0.4份，硅丙乳液2份，水40份，湿法混合搅拌，作为湿料组分，备用； [0071] (4)取步骤(2)中干料组分混入步骤(3)中湿料组分，先慢速搅拌30秒，后快速搅拌3分钟，制成混合浆料； [0072] (5)在步骤(4)中混合浆料慢速搅拌过程中，加入质量分数为30％的双氧水2份，之后快速搅拌30秒； [0073] (6)将步骤(5)中搅拌好的泡沫浆体，浇筑到特制的变压发泡模箱中，即在模箱的基础上，加装带有弹簧可上下伸缩的“活塞式盖板”，在泡沫浆体自由膨胀到一定位置，将接触到盖板从而受到向下的变压力，最终轻质保温材料成型6小时后脱模，之后标准养护室内进行适当养护即可得到高性能、低能耗固废基轻质保温材料。 [0074] 实施例3 [0075] 本发明提供了一种高性能、低能耗固废基轻质保温材料，该轻质保温材料原材料由干料和湿料两部分构成，总的来说是以固废基硫铝铁系胶凝材料、矿渣粉、钢渣粉、原状脱硫石膏为主体胶凝材料，以电石渣、赤泥等作为固废基功能调控剂，以硬脂酸钙、纤维素醚作为稳泡剂，以聚合物乳液作为泡孔增强剂，以短切纤维作为增韧材料，以聚羧酸减水剂、复合缓凝剂作为流变调节剂，以浓度30％的双氧水作为发泡剂，所述水符合混凝土拌合用水要求。 [0076] 一种高性能、低能耗固废基轻质保温材料及其制备方法，包括以下步骤： [0077] (1)取固废基硫铝铁系胶凝材料70份，外加矿渣粉5份，钢渣粉5份，电石渣0.2份，进行粉磨和预混处理，细度要求满足200目方孔筛筛余小于10％； [0078] (2)向步骤(1)中混合料加入0.3份的硬脂酸钙，0.01份的纤维素醚后干混搅拌，作为干料组分，备用； [0079] (3)取原状脱硫石膏20份，赤泥5份，聚羧酸减水剂0.4份，复合缓凝剂(酒石酸和硼酸的质量比为1:1)0.1份，短切纤维0.1份，苯丙乳液0.5份，水35份，湿法混合搅拌，作为湿料组分，备用； [0080] (4)取步骤(2)中干料组分混入步骤(3)中湿料组分，先慢速搅拌30秒，后快速搅拌3分钟，制成混合浆料； [0081] (5)在步骤(4)中混合浆料慢速搅拌过程中，加入质量分数为30％的双氧水1.2份，之后快速搅拌40秒； [0082] (6)将步骤(5)中搅拌好的泡沫浆体，浇筑到特制的变压发泡模箱中，即在模箱的基础上，加装带有弹簧可上下伸缩的“活塞式盖板”，在泡沫浆体自由膨胀到一定位置，将接触到盖板从而受到向下的变压力，最终轻质保温材料成型4小时后脱模，之后标准养护室内进行适当养护即可得到高性能、低能耗固废基轻质保温材料。 [0083] 对比例1 [0084] 与实施例1的区别为：省略矿渣粉，其他与实施例1相同。 [0085] 对比例2 [0086] 与实施例1的区别为：省略钢渣粉，其他与实施例1相同。 [0087] 对比例3 [0088] 与实施例1的区别为：省略电石渣，其他与实施例1相同。 [0089] 对比例4 [0090] 与实施例1的区别为：省略硬脂酸钙，其他与实施例1相同。 [0091] 对比例5 [0092] 与实施例1的区别为：省略纤维素醚，其他与实施例1相同。 [0093] 对比例6 [0094] 与实施例1的区别为：省略聚合物乳液，其他与实施例1相同。 [0095] 对比例7 [0096] 与实施例1的区别为：恒压发泡、成型，其他与实施例1相同。 [0097] 表1实施例1‑3制备的固废基轻质保温材料的性能 [0098] [0099] [0100] 表1中，由于不同实施例中添加的发泡剂的含量不同，产品的密度发生变化，所以对应标准中不同的指标要求。 [0101] 表2对比例1‑7制备的固废基轻质保温材料的性能 [0102] [0103] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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