一种具有单向排列微孔的无机聚合物隔热板制备方法 |
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| 申请号 | CN202311220757.7 | 申请日 | 2023-09-21 | 公开(公告)号 | CN117326829B | 公开(公告)日 | 2024-05-14 |
| 申请人 | 河海大学; | 发明人 | 徐文磊; 钮新强; 朱延涛; 柳梦阳; 徐利福; 王浩然; 吕宗桀; 何旺; 张康; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种具有单向排列微孔的无机 聚合物 隔热 板制备方法，包括S1、将 粉 煤 灰 、矿粉、氢 氧 化钠溶液和 水 玻璃加入 搅拌机 中进行搅拌；S2、添加造孔 纤维 ：向搅拌机的浆料中添加造孔纤维，并继续搅拌；S3、 挤压 入模：将步骤S2制备好的混合浆料加入 挤出机 中，并挤出；将挤出的混合浆料沿单个方向铺满模具， 覆盖 塑料膜；S4、 蒸汽 养护：将入模后的混合浆料放入 温度 为60℃的 蒸汽养护 室中养护6h后脱模；S5、 热处理 成孔：将脱模后的板材放入烘箱进行热处理，在300℃下静置4h，待自然冷却后切割成所需尺寸的隔热墙板。该无机聚合物隔热板具有单向吸水率高、保温隔热、抗弯性能优良的特点，为 建筑物 通过水 蒸发 被动降温提供了新的方案。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种具有单向排列微孔的无机聚合物隔热板制备方法，其特征在于，包括如下步骤： |
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| 说明书全文 | 一种具有单向排列微孔的无机聚合物隔热板制备方法技术领域背景技术[0002] 轻质隔热的建筑物外覆材料对于实现建筑节能、缓解城市热岛效应具有重要意义。近年来出现的被动蒸发降温墙体，提供了一种低成本且环保的冷却策略，该方法通过蒸发墙体材料内水分的方式吸收建筑物外表的热量，从而达到降温目的。目前此类墙体材料通常具有杂乱无序的封闭孔结构，尽管表现出轻质、隔热、隔音的特点，但孔径取向的随机性以及封闭性导致吸水性能欠佳，实际应用中的被动蒸发降温效果尚达不到理想需求。 [0003] 在自然界中，阔叶乔木作为具有出色吸水和蒸发能力的典型植物，其能力主要源自根部渗透压、枝干内毛细管压力和叶表蒸发这三种作用机制，其中枝干内定向排列的孔道结构为毛细管作用向上提水提供了最直接、最理想的通道，这种有序且定向的圆柱形通孔具有高渗透性。模拟树木枝干的定向多孔微观结构给建筑物隔热墙体材料的设计带来了新的思路。中国专利CN109279835B，公开了一种具有定向多孔结构的仿生水泥及其制备方法，该方法利用冷冻铸造工艺使水泥浆中的水分定向凝固来实现孔的定向排列，包括浆料配制、冷冻铸造、坯体养护三个步骤。中国专利CN106892674A，公开一种基于二相造孔剂体系冷冻塑型技术制备梯度定向多孔水泥的方法，该方法将水泥粉料与基于二相造孔剂体系的混合溶液搅拌混合后，依次经过冷冻成型、冷冻干燥、养护得到梯度定向多孔水泥材料。 [0004] 上述基于冷冻铸造技术制备多孔水泥材料的现有技术中，利用水作为造孔剂，通过在冷冻床上对模具一端进行冷却，实现水分自底向上定向结冰，但是存在以下问题：第一，冰晶形成的孔径多为微米级且呈现出层状结构，这给孔径尺寸和孔径分布设计带来了困难，导致材料强度和刚度偏低。第二，冷冻床也限制了所铸材料的尺寸，不适用于大尺寸墙板材料的制造。第三，水泥基浆料所需养护时间长，且水泥熟料生产能耗大，需要新的绿色胶凝体系加以替代。 发明内容[0005] 本发明的目的在于提供一种具有单向排列微孔的无机聚合物隔热板制备方法，解决现有技术中基于冷冻铸造技术制备的多孔水泥基材料强度和刚度偏低，且养护时间长、能耗大的技术问题。 [0006] 为了解决上述技术问题，本发明采用如下方案实现： [0007] 一种具有单向排列微孔的无机聚合物隔热板制备方法，包括如下步骤： [0009] 本发明与现有技术中的水泥浆料的水化反应不同，无机聚合物体系的反应机理为：粉煤灰和矿粉中的活性硅铝质在强碱溶液中溶解，促使硅氧键和铝氧键的断裂和重组，形成硅氧四面体结构，水玻璃提供可参与凝胶形成和生长的硅酸根离子，特别是在链状结构的形成方面起到重要作用，经充分反应后，这些链状结构缩聚成致密的三维网状地质聚合物。 [0012] S4、蒸汽养护：将放入混合浆料的模具放入温度为60℃的蒸汽养护室中养护6h，然后脱模，形成板材。蒸汽养护进一步加快了地聚物反应，使地聚物基质迅速固化，强度快速发展，且缩短养护时间，使得整个隔热板的制备周期大大缩短。 [0013] S5、热处理成孔：将脱模后的板材放入烘箱中，在300℃下静置4h，待自然冷却后切割成所需尺寸的隔热墙板，即无机聚合物隔热板。热处理后地质聚合物基质中的纤维被分解，留下圆柱形单向排列的微孔，而地质聚合物基质本身具有很好的热稳定性，热分解温度在600℃以上，因此板材本体的性能不会受热处理的影响。 [0014] 进一步优化，所述步骤S1中，采用搅拌机对粉煤灰、矿粉、氢氧化钠溶液和水玻璃进行搅拌混合，先以100 rpm慢速搅拌1min，然后再以400 rpm快速搅拌1min，将粉煤灰、矿粉、氢氧化钠溶液和水玻璃混合的更加均匀。 [0015] 进一步优化，所述步骤S2中，采用搅拌机进行搅拌混合，保持搅拌机以100 rpm慢速搅拌，边搅拌边加入造孔纤维，造孔纤维的加入量为地质聚合物浆料总体积的30%。造孔纤维的体积决定了成型后板材的孔隙率，当造孔纤维体积过低，会导致板材孔隙率小，吸水性差且导热系数大；反之，造孔纤维体积过高，板材孔隙率大，抗弯强度偏低，板材易折断。 [0016] 所述造孔纤维选用热降解温度为300℃以下的易燃加捻纤维，包括但不限于聚对苯二甲酸乙二酯纤维、竹纤维、尼龙纤维或聚乙烯醇纤维中的一种，纤维长度为1‑2cm，直径为0.1‑0.5mm，纤维长径比为20‑200。 [0017] 进一步优化，所述步骤S2中，添加造孔纤维后向浆料中添加油酸，并搅拌；油酸的添加量为地质聚合物浆料重量的0.03%。通过添加油酸可降低混合浆料的黏度，改善流动性，便于后续挤出并铺满模具。适量的油酸可以降低浆料黏度，提高浆料的流动性，有助于造孔纤维在挤出流动时，以降低流动阻力的方式取向。油酸过少达不到效果，而过多的油酸会延长浆料硬化时间，此外油酸过量还会与空气接触发生氧化，使成型试样表面出现油渍，影响外观。 [0018] 进一步优化，所述步骤S3中，挤出机的汇聚区呈带状，长度不小于纤维长度的15倍，宽度不超过汇聚区长度的1/5，高度不超过汇聚区宽度的1/5。带状汇聚区保证了混合浆料有足够的时间在狭长的空间内流动，具有高长径比的纤维在汇聚流动时倾向于以降低流动阻力的方式取向，即与挤出方向平行，实现了造孔纤维的单向排列。 [0019] 与现有技术相比，本发明具有如下益效果： [0020] 1、本发明中板材基质由无机聚合物代替传统水泥体系，以富含活性硅铝质的大宗工业副产品为原料，降低了原料生产能耗。 [0021] 2、与现有技术中的冷冻铸造技术相比，本发明采用易燃纤维作为造孔剂并结合挤压制备方法，工艺简单，且孔结构可通过造孔纤维的尺寸进行人为控制，成孔单向排列更为规则，成品具有良好的吸水、隔热和力学性能。 [0023] 图1为本发明所述具有单向排列微孔的无机聚合物隔热板制备工艺流程图； [0024] 图2为挤压机带状汇聚区示意图； [0025] 图3为实施例1制备的具有单向排列孔的无机聚合物隔热板垂直于纤维排列方向断面显微图片； [0026] 图4为实施例1制备的具有单向排列孔的无机聚合物隔热板平行于纤维排列方向断面显微图片。 具体实施方式[0027] 下面给出发明的具体实施方法，并结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例1： [0028] 如图1所示，一种具有单向排列微孔的无机聚合物隔热板制备方法，具体制备工艺步骤如下： [0029] 步骤1、地质聚合物浆料制备：称取粉煤灰3500g、矿粉1500g、浓度为5mol/L氢氧化钠溶液1500g、模数为2.3的水玻璃1500g，将所有原料投入容量为15L的搅拌机，以慢速100 rpm搅拌1min，然后再以快速400 rpm搅拌1min，混合均匀。 [0030] 步骤2、添加造孔纤维：将搅拌机保持在慢速100 rpm，边搅拌边加入2900g造孔纤维，同时加入2.4g油酸。在本实施例中，选用PET加捻纤维作为造孔纤维，纤维用量为地质聚合物浆体体积的30%。PET加捻纤维长度为1cm，直径为0.2mm。 [0031] 步骤3、挤压入模：将步骤2）制备好的混合浆料投入挤出机，挤出机的汇聚区呈带状，长宽高分别为25cm、5cm和1cm，将挤出的混合浆料沿单个方向铺满模具，如图2所示。模具包括尺寸为300mm×300mm×30mm的板状模具和100mm×100mm×100mm的立方体模具，铺满模具后覆盖塑料膜，其中板状试样用于测试导热系数和抗弯强度，立方体试样用于测试吸水率。 [0032] 步骤4、蒸汽养护：将加入混合浆料的模具放入温度为60℃的蒸汽养护室中养护6h后脱模。 [0033] 步骤5、热处理成孔：脱模后的试样放入电炉式烘箱进行热处理，在300℃下静置4h后自然冷却，制得具有单向排列微孔的无机聚合物试样，板状试样记为A1，立方体试样记为A2。实施例2： [0034] 与实施例1的区别在于，本实施例中添加的PET加捻纤维的加入量为1900g,占地质聚合物浆体体积的20%。 [0035] 其他步骤与实施例1中相同，制得具有单向排列微孔的无机聚合物试样，板状试样记为B1，立方体试样记为B2。实施例3： [0036] 与实施例1的区别在于，本实施例中添加的造孔纤维为PET加捻纤维的加入量为3800g,占地质聚合物浆体体积的40%。 [0037] 其他步骤与实施例1中相同，制得具有单向排列微孔的无机聚合物试样，板状试样记为C1，立方体试样记为C2。实施例4： [0038] 与实施例1的区别在于，本实施例中添加的造孔纤维为PVA加捻纤维，长度为1.5cm，直径为0.3mm。纤维加入量为2500g,占地质聚合物浆体体积的30%。 [0039] 其他步骤与实施例1中相同，制得具有单向排列微孔的无机聚合物试样，板状试样记为D1，立方体试样记为D2。实施例5： [0040] 与实施例1的区别在于，本实施例中添加的造孔纤维为尼龙66加捻纤维，长度为1.5cm，直径为0.1mm。纤维加入量为2250g,占地质聚合物浆体体积的30%。 [0041] 其他步骤与实施例1中相同，制得具有单向排列微孔的无机聚合物试样，板状试样记为E1，立方体试样记为E2。 [0042] 对比例1： [0043] 与实施例1的区别在于，本对比例中地质聚合物浆料的份量为：粉煤灰3000g、矿粉2000g、浓度为5mol/L氢氧化钠溶液1500g、模数为2.3的水玻璃1500g。 [0044] 其他步骤与实施例1中相同，制得具有单向排列微孔的无机聚合物试样，板状试样记为F1，立方体试样记为F2。 [0045] 对比例2： [0046] 与实施例1的区别在于，本对比例中地质聚合物浆料的份量为：粉煤灰4000g、矿粉1000g、浓度为5mol/L氢氧化钠溶液1500g、模数为2.3的水玻璃1500g。 [0047] 其他步骤与实施例1中相同，制得具有单向排列微孔的无机聚合物试样，板状试样记为G1，立方体试样记为G2。 [0048] 性能测试： [0049] 对实施例1‑5和对比例1‑2制备的试样分别进行吸水率、导热系数和抗弯强度的性能测试。 [0050] 1、吸水率测试： [0051] 将立方体试样A2‑G2置于盛有自来水的盆中，微孔朝上，试样浸入水中的高度为10mm，静置1h后称取试样重量，分别计算试样单向吸水率，计算公式为：（吸水后试样的重量‑吸水前试样的重量）/吸水前试样的重量×100%。 [0052] 2、导热系数测试： [0053] 参考GB/T 10294‑2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法》，分别测试板状试样A1‑G1垂直于微孔方向的导热系数。 [0054] 3、抗弯强度测试： [0055] 参考JG/T 159‑2004《外墙内保温板》，分别测试板状试样A1‑G1平行和垂直于微孔方向的抗弯强度。 [0056] 测试结果如下表1所示。 [0057] 表1 试样性能测试结果 [0058] [0059] 根据表1的数据，采用本发明所述方法制备的具有单向排列微孔的无机聚合物板材1h单向吸水率超过20%，导热系数低于0.12 W/(m·K)，垂直于微孔方向的抗弯强度超过1.8 MPa，相对较弱的平行于微孔方向的抗弯强度也达到0.7 MPa以上，兼具高吸水率、保温隔热和良好的抗弯性能。其中，实施例2相比实施例1区别在于造孔纤维含量由30%减少至 20%，尽管两个方向的抗弯强度有所增加，但较少的孔隙直接导致单向吸水率降低和导热系数增加，牺牲了过多的保温隔热性能；实施例3相比实施例1区别在于造孔纤维含量由30%增加至40%，更多的孔隙提高了单向吸水率并减小了导热系数，但以牺牲抗弯强度为代价，使得墙板的整体力学性能降低。实施例4和实施例5与实施例1的区别在于造孔纤维由PET加捻纤维变为PVA加捻纤维和尼龙66加捻纤维，性能表现与实施例1接近，综合实施例1‑5，建议造孔纤维掺量以地质聚合物浆料体积的30%为宜。 [0060] 对比例1和实施例1的区别在于地质聚合物浆料前驱体中矿粉的比例由30%提高至40%，在吸水率和保温隔热性能基本不变的情况下，对比例1的抗弯强度略有增加，但在蒸养后对比例1表面出现一些微裂缝，可能的原因是矿粉中的氧化钙在早期与激发剂快速反应生成C‑S‑H凝胶，提高强度的同时伴随着大量水化热的聚集，容易引起基体开裂。对比例2和实施例1的区别在于地质聚合物浆料前驱体中矿粉的比例由30%降低至20%，抗弯强度明显减小。因此建议地质聚合物浆料前驱体中矿粉的比例不宜过高或过低，以30%左右为佳。 [0061] 如图3、4为本发明所述具有单向排列微孔的无机聚合物板材的采用扫描电镜图。其中，图3为垂直于纤维排列方向断面图；图4为平行于纤维排列方向断面图。通过上图能够看出板材孔径单向排列且分布比较均匀。 [0062] 采用本发明所述的具有单向排列微孔的无机聚合物板材外覆建筑外墙，使微孔竖直设置，太阳照射在板材外表面，则板材中吸附的水分蒸发沿微孔排出，带走热量，保持室内处于较低的温度。 |
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