專利名稱：一種低溫泡沫玻璃保溫材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于泡沫玻璃保溫材料及其制備領(lǐng)域，特別涉及一種低溫泡沫玻璃保溫材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
近年來,南京中環(huán)國際廣場、哈爾濱經(jīng)緯360度雙子星大廈、濟(jì)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、沈陽皇朝萬鑫大廈等相繼發(fā)生建筑外保溫材料火災(zāi)，造成嚴(yán)重人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，建筑易燃可燃外保溫材料已成為一類新的火災(zāi)隱患，由此引發(fā)的火災(zāi)已呈多發(fā)勢頭。公安部、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部以公通字[2009]46號文發(fā)布了《民用建筑外保溫系統(tǒng)及外墻裝飾防火暫行規(guī)定》，其中第二條規(guī)定民用建筑外保溫材料采用燃燒性能為A級的材料。在此基礎(chǔ)上，中華人民共和國公安部進(jìn)一步以公消[2011]65號發(fā)布了《關(guān)于進(jìn)一步明確民用建筑外保溫材料消防監(jiān)督管理有關(guān)要求》的通知。 目前市場上無機(jī)保溫材料少見，性價(jià)比高的無機(jī)保溫材料更是罕見。當(dāng)市場占有量達(dá)90%的有機(jī)保溫材料處于停滯觀望之時(shí)，作為達(dá)到防火等級A級的外墻外保溫?zé)o機(jī)材料一泡沫玻璃和巖棉卻迎來了前所未有的市場良機(jī)。今年以來，巖棉價(jià)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(yīng)求。保溫泡沫玻璃也在其廣泛應(yīng)用上出現(xiàn)瓶頸問題。泡沫玻璃又稱為多孔玻璃，其內(nèi)部充滿無數(shù)開口或閉口的小氣孔，氣孔的面積占總體積的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(yōu)越的絕熱(保冷)、吸聲、防潮、防火的輕質(zhì)高強(qiáng)建筑材料和裝飾材料，A級不燃與建筑物同壽命。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(fā)泡溫度在800°C以上，模具要用合金鋼，不僅價(jià)格昂貴，而且經(jīng)多次高溫加熱，損耗較大，有的企業(yè)用鑄鐵為模具，雖然價(jià)格低，但加熱后會(huì)導(dǎo)致氧化、掉皮、變形，損耗更嚴(yán)重。發(fā)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(yīng)力變化規(guī)律，在實(shí)際應(yīng)用工程中保溫材料的彈性模量應(yīng)越小越好。如何降低泡沫玻璃的發(fā)泡溫度及彈性模量，是實(shí)現(xiàn)其在有機(jī)保溫材料處于停滯觀望之時(shí)而無機(jī)材料如雨后春筍般涌現(xiàn)的激烈市場競爭下占有絕對優(yōu)勢的關(guān)鍵問題。一般固態(tài)玻璃粉的熔融狀態(tài)一般在800°C以上，要降低泡沫玻璃的發(fā)泡溫度必須從合成工藝的角度上另覓蹊徑。與固相反應(yīng)相比，膠體化學(xué)反應(yīng)將更容易進(jìn)行，而且僅需要較低的合成溫度。這是因?yàn)槟z體化學(xué)反應(yīng)體系中組分的擴(kuò)散在納米范圍內(nèi)，而固相反應(yīng)時(shí)組分?jǐn)U散是在微米范圍內(nèi)。在發(fā)現(xiàn)問題解決問題的思考模式下，原材料的問題也迎刃而解。水溶性硅酸鹽，俗稱是泡花堿，這是因?yàn)樗Ａ軣岷髸?huì)發(fā)泡，其發(fā)泡有兩種情況一是在液態(tài)時(shí)加熱自由水鼓泡，類似于沸騰；二是硬化后發(fā)泡，一般是硬化后的結(jié)合水揮發(fā)(在200°C 300°C溫度下即可實(shí)現(xiàn))所致，可制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(jìn)行發(fā)泡或自由發(fā)泡而得到的多孔材料化學(xué)穩(wěn)定性極差，而且孔結(jié)構(gòu)存在著泡徑不均一、分布不均勻等缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種低溫泡沫玻璃保溫材料及其制備方法，該泡沫玻璃保溫材料力學(xué)強(qiáng)度好，吸水率低，導(dǎo)熱系數(shù)小，泡孔孔徑大小一致(孔徑d ( 2mm)、分布均勻，該制備工藝過程簡單，成本低廉，節(jié)能環(huán)保，適于工業(yè)化生產(chǎn)。本發(fā)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(zhì)量分?jǐn)?shù)包括Si0240 80%、B2O3 O 16%、Al2O3 O 10%、R2O 10 40% ;其中 R2O 為堿金屬氧化物。所述的堿金屬氧化物為Li20、Na2O, K2O中的一種或幾種。本發(fā)明的一種低溫泡沫玻璃保溫材料的制備方法，包括(I)按質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 SiO2 40 80%,B2O3 O 16%、A1203 O 10%,R2O 10 40%(R20 為堿金屬氧化物，其中B2O3與Al2O3的含量不同時(shí)為零。)，將含硼原料、含鋁原料、堿ROH (R為Li、Na、K等堿金屬元素中的一種或幾種)中的一種或幾種與化學(xué)式為R2O -IiiSiO2的硅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(jìn)行干燥得到含水率為25 50%的中間料，如圖2所示，干燥時(shí)間隨干燥溫度的不同而變化；(3)將得到的中間料進(jìn)行碎裂處理，碎裂后的中間料顆粒粒徑范圍為O. 3
I.6mm ；(4)將上述破碎后的中間料在密閉條件下按照以下熱處理制度進(jìn)行處理升溫發(fā)泡階段，以速率10 40°C /min升溫至250 500°C并保溫，保溫時(shí)間不少于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(xué)式為R2OiSiO2的硅酸鹽水溶液，俗稱水玻璃，30彡。Β ( 60，其中R為Li、Na、K等堿金屬元素中的一種或幾種，m為二氧化硅與堿金屬氧化物的摩爾數(shù)比值，稱為水玻璃的模數(shù)。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(fā)明所述的一種低溫泡沫玻璃保溫材料，是指通過膠體化學(xué)工藝得到的新型非晶態(tài)、多孔水合玻璃材料，其原料組分是化學(xué)式為R2O ^SiO2硅酸鹽水溶液(俗稱水玻璃)，30彡波美度(° Β )彡60，其中R為Li、Na、K等堿金屬元素或它們的混合物，m為二氧化硅與堿金屬氧化物摩爾數(shù)比值，稱為水玻璃的模數(shù)；含硼或含鋁原料，或加入堿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(zhì)量分?jǐn)?shù)為Si0240 80% ；B203 O 16% ；A1203 O 10% ；R20 10 40%。本發(fā)明研發(fā)的低溫泡沫玻璃保溫材料是從高化學(xué)穩(wěn)定性高耐久性鈉硼硅系玻璃及其內(nèi)秉結(jié)構(gòu)特征的角度出發(fā)的。硼元素有奪取游離氧或取代Si元素形成帶負(fù)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(jié)構(gòu)趨向緊密從而大大提高了其穩(wěn)定性。下面以硼酸為硼原料示例，闡述其硼改性后耐水性提高的機(jī)理未改性前的硅酸鹽水溶液的膠團(tuán)結(jié)構(gòu)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。硅酸鹽水溶液的膠團(tuán)中心是膠核，它是由成千上萬個(gè)SiO2分子組成的緊密聚合體，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)為Si-O-Si鍵相聯(lián)結(jié)的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在膠核和水接觸的界面上形成了 Si-OH硅醇鍵。由于此硅醇鍵為極性分子鍵，因此使得膠核表面呈現(xiàn)了負(fù)熱力學(xué)電位。在膠核的負(fù)電位作用下，膠核吸附水合氫離子比0+，同時(shí)也將吸附R+等陽離子。吸附層與膠核結(jié)合緊密，當(dāng)膠核運(yùn)動(dòng)時(shí)，吸附層能相隨一起運(yùn)動(dòng)，因此帶有吸附層的膠核統(tǒng)稱為膠粒。由于膠粒動(dòng)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，但由于熱運(yùn)動(dòng)而使其離子擴(kuò)散分布，形成擴(kuò)散層。擴(kuò)散層不隨膠粒一起運(yùn)動(dòng)，膠粒與擴(kuò)散層一起組成膠團(tuán)。由于膠粒所帶負(fù)電量與擴(kuò)散層所帶正電量相等，一次整個(gè)膠團(tuán)呈電中性。習(xí)慣上將吸附層和擴(kuò)散層總稱為雙電層。當(dāng)向硅酸鹽水溶液中加入硼酸時(shí)，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(zhì)子，而是由于硼是缺電子原子能加合水分子的OH-而釋放出質(zhì)子。硼酸顯酸性原因見下式
權(quán)利要求
1.一種低溫泡沫玻璃保溫材料，其特征在于所述的泡沫玻璃保溫材料按質(zhì)量分?jǐn)?shù)包括=SiO2 40 80%,B2O3 0 16%、A1203 0 10%,R2O 10 40% ;其中 R2O 為堿金屬氧化物，B2O3與Al2O3的含量不同時(shí)為零。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種低溫泡沫玻璃保溫材料，其特征在于所述的堿金屬氧化物為Li20、Na2O, K2O中的一種或幾種。
3.如權(quán)利要求I所述的一種低溫泡沫玻璃保溫材料的制備方法，包括 (1)按質(zhì)量分?jǐn)?shù)為SiO2 40 80%,B2O3 0 16%、A1203 0 10%,R2O 10 40%，將含硼原料、含鋁原料、堿ROH中的一種或幾種與化學(xué)式為R2O ^mSiO2的硅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(jìn)行干燥得到含水率為25 50%的中間料； (3)將得到的中間料進(jìn)行碎裂處理，碎裂后的中間料顆粒粒徑范圍為0.3 I. 6mm ; (4)將上述破碎后的中間料在密閉條件下按照以下熱處理制度進(jìn)行處理升溫發(fā)泡階段，以速率10 40°C /min升溫至250 500°C并保溫，保溫時(shí)間不少于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(jù)權(quán)利要求3所述的一種低溫泡沫玻璃保溫材料的制備方法，其特征在于步驟(I)中所述的化學(xué)式為R2O HiSiO2的硅酸鹽水溶液，俗稱水玻璃，30 B6 < 60，其中R為Li、Na、K中的一種或幾種，m為二氧化硅與堿金屬氧化物的摩爾數(shù)比值，稱為水玻璃的模數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種低溫泡沫玻璃保溫材料的制備方法，其特征在于步驟(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(jù)權(quán)利要求3所述的一種低溫泡沫玻璃保溫材料的制備方法，其特征在于步驟(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(fā)明涉及一種低溫泡沫玻璃保溫材料及其制備方法，該泡沫玻璃保溫材料按質(zhì)量分?jǐn)?shù)包括SiO2 40～80%、B2O3 0～16%、Al2O3 0～10%、R2O 10～40%；其中R2O為堿金屬氧化物；制備方法包括(1)將含硼原料、含鋁原料、堿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)將上述溶膠體系干燥得到含水率為25～50%的中間料；(3)將得到的中間料進(jìn)行碎裂處理，然后在密閉條件下進(jìn)行發(fā)泡熱處理即可。本發(fā)明的低溫泡沫玻璃力學(xué)強(qiáng)度好、吸水率低、導(dǎo)熱系數(shù)小，可作為優(yōu)良絕熱保溫材料；本發(fā)明的制備工藝過程簡單，成本低廉，節(jié)能環(huán)保，適于工業(yè)化生產(chǎn)。
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(yōu)先權(quán)日2012年8月20日
發(fā)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