本發(fā)明涉及建筑功能材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種地質(zhì)聚合物基泡沫材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
粉煤灰是火力發(fā)電的產(chǎn)物，目前我國每年粉煤灰產(chǎn)量非常高，如若不能妥善治理，會(huì)對(duì)環(huán)境和公眾健康產(chǎn)生巨大威脅。因此，粉煤灰的綜合利用已迫在眉睫。
另外，傳統(tǒng)的波特蘭水泥泡沫材料具有材料強(qiáng)度低、粘結(jié)力差、不耐高溫、熱穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，而且對(duì)工業(yè)廢棄物的利用率低(例如粉煤灰)，因此有必要開發(fā)出性能更加優(yōu)越、同時(shí)更環(huán)保的泡沫材料。
地質(zhì)聚合物(geopolymer)，指的是天然或人工的硅鋁材料，在堿激發(fā)劑的作用下，聚合形成的具有si、al、o三維網(wǎng)狀鍵接結(jié)構(gòu)的無機(jī)膠凝材料，其結(jié)構(gòu)包括三種類型，-si-al-o-(ps)，-si-o-al-o-si-o-(pss)，和-si-o-al-o-si-o-si-o-(psds)。由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，地質(zhì)聚合物具有高強(qiáng)度、快硬早強(qiáng)、耐高溫、隔熱、熱穩(wěn)定性良好等特征，因此地質(zhì)聚合物基泡沫材料可作為替代波特蘭水泥泡沫材料的優(yōu)選。但是目前的地質(zhì)聚合物基泡沫材料所采用的制備方法存在工藝條件復(fù)雜的問題，需要經(jīng)過高溫養(yǎng)護(hù)(60-90℃)，或者使用堿性較強(qiáng)的低模數(shù)水玻璃，嚴(yán)重影響機(jī)械和人力施工的安全性，后期還存在返堿的可能性。因此，急需開發(fā)一種加工條件簡單、性能優(yōu)異的地質(zhì)聚合物泡沫材料。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種地質(zhì)聚合物基泡沫材料及其制備方法，以解決傳統(tǒng)泡沫材料強(qiáng)度低、熱穩(wěn)定性差等問題，以及地質(zhì)聚合物基泡沫材料加工條件復(fù)雜的問題。
第一個(gè)方面，本發(fā)明提供一種地質(zhì)聚合物基泡沫材料，以重量份數(shù)計(jì)，包括以下組分：
可選地，所述粉煤灰的重量份數(shù)為200份，所述粉煤灰為f類灰、c類灰中的一種或兩種的混合，且所述f類灰包括一級(jí)灰和/或二級(jí)灰，所述c類灰包括一級(jí)灰和/或二級(jí)灰。
進(jìn)一步地，所述粉煤灰的化學(xué)組成包括：
其中，在所述粉煤灰中，還包括其它含量較少的化學(xué)組成。
進(jìn)一步地，在所述粉煤灰中，sio2中的si元素與al2o3中的al元素的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)之比為3.0-4.0:1。
進(jìn)一步地，在所述粉煤灰中，當(dāng)sio2中的si元素與al2o3中的al元素的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)之比小于3.0:1時(shí)，所述地質(zhì)聚合物基泡沫材料還包括無定型二氧化硅，所述無定型二氧化硅的添加量使sio2中的si元素與al2o3中的al元素的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)之比為3.0-4.0:1。在本發(fā)明中，當(dāng)sio2中的si元素與al2o3中的al元素的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)之比小于3:1時(shí)，添加無定型二氧化硅的作用是為了增加sio2的含量，使sio2中si元素的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)提高，從而滿足sio2中的si元素與al2o3中的al元素的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)之比為3.0-4.0:1的要求，也即調(diào)節(jié)硅鋁比為3.0-4.0:1。
進(jìn)一步地，所述調(diào)凝劑為富含鈣的材料，所述調(diào)凝劑的重量份數(shù)為10-50份。
可選地，所述富含鈣的材料選自礦渣、水泥熟料、赤泥、水泥中的一種或幾種的混合物。
優(yōu)選地，所述調(diào)凝劑是水泥或水泥熟料，所述調(diào)凝劑的重量份數(shù)為30份。
優(yōu)選地，所述水泥的化學(xué)組成包括：
進(jìn)一步地，所述堿激發(fā)劑為堿金屬硅酸鹽溶液、堿金屬氫氧化物溶液中的一種或幾種混合液，所述堿激發(fā)劑的固含量為30％-50％。
優(yōu)選地，所述堿激發(fā)劑為模數(shù)為2.2-2.4的水玻璃，所述水玻璃的固含量為35.0-50.0％。
優(yōu)選地，所述發(fā)泡劑為鋁粉，所述發(fā)泡劑的重量份數(shù)為0.3-0.5份。
進(jìn)一步地，所述功能性助劑選自早強(qiáng)劑、緩凝劑、減水劑、穩(wěn)泡劑、防凍劑、著色劑中的一種或幾種的混合物。
其中，所述早強(qiáng)劑選自氯化鈣、硫酸鹽類和有機(jī)胺中的一種或幾種的混合物。所述緩凝劑選自羥基羧酸及其鹽類、含糖碳水化合物類、無機(jī)鹽類、木質(zhì)素磺酸鹽類中的一種或幾種的混合物。所述減水劑選自木質(zhì)素系減水劑、萘系高效減水劑、聚羧酸鹽系高效減水劑中的一種或幾種的混合物。所述穩(wěn)泡劑選自硬脂酸鹽、聚丙烯酰、多肽類大分子穩(wěn)泡劑、十二烷基二甲基氧化胺中的一種或幾種的混合物。所述防凍劑選自氯鹽、亞硝酸鹽或醇類有機(jī)化合物中的一種或幾種的混合物。
第二個(gè)方面，本發(fā)明提供一種上述地質(zhì)聚合物基泡沫材料的制備方法，包括以下步驟：
混合攪拌：將所述粉煤灰、所述堿激發(fā)劑、所述調(diào)凝劑、所述發(fā)泡劑、所述功能性助劑按照重量份數(shù)混合攪拌，并加水?dāng)嚢杈鶆颍玫綕{料混合物；
注模養(yǎng)護(hù)：將所述漿料混合物注模，常溫條件養(yǎng)護(hù)成型；
脫模：成型后脫模，得到所述地質(zhì)聚合物基泡沫材料。
進(jìn)一步地，在所述混合攪拌步驟中，采用攪拌機(jī)混合攪拌，混合攪拌的轉(zhuǎn)速為20-100rpm；加水?dāng)嚢钑r(shí)間為1-10min；在所述注模養(yǎng)護(hù)步驟中，先等待3-5min，再將得到的所述漿料混合物注模；在所述脫模步驟中，所述脫模時(shí)間為5-24h。
優(yōu)選地，在所述混合攪拌步驟中，混合攪拌的轉(zhuǎn)速為50-60rpm；加水?dāng)嚢钑r(shí)間為2-3min；在所述脫模步驟中，所述脫模時(shí)間為8-10h。
可選地，所述粉煤灰的重量份數(shù)為200份，所述粉煤灰為f類灰、c類灰中的一種或兩種的混合，且所述f類灰包括一級(jí)灰和/或二級(jí)灰，所述c類灰包括一級(jí)灰和/或二級(jí)灰。
進(jìn)一步地，所述粉煤灰中各組分的化學(xué)組成波動(dòng)范圍包括：
其中，在所述粉煤灰中，還包括其它含量較少的化學(xué)組成。
進(jìn)一步地，在所述粉煤灰中，sio2中的si元素與al2o3中的al元素的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)之比為3.0-4.0:1。
進(jìn)一步地，在所述粉煤灰中，當(dāng)sio2中的si元素與al2o3中al元素的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)之比小于3.0:1時(shí)，所述地質(zhì)聚合物基泡沫材料還包括無定型二氧化硅，所述無定型二氧化硅的添加量使sio2中的si元素與al2o3中的al元素的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)之比為3.0-4.0:1。在本發(fā)明中，當(dāng)sio2中的si元素與al2o3中的al元素的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)之比小于3:1時(shí)，添加無定型二氧化硅的作用是為了增加sio2的含量，使sio2中si元素的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)提高，從而滿足sio2中的si元素與al2o3中的al元素的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)之比為3.0-4.0:1的要求，也即調(diào)節(jié)硅鋁比為3.0-4.0:1。
進(jìn)一步地，所述調(diào)凝劑為富含鈣的材料，所述調(diào)凝劑的重量份數(shù)為10-50份。
可選地，所述富含鈣的材料選自礦渣、水泥熟料、赤泥、水泥中的一種或幾種的混合物。
優(yōu)選地，所述調(diào)凝劑是重量份數(shù)為30份的水泥或水泥熟料。
優(yōu)選地，所述水泥的化學(xué)組成包括：
進(jìn)一步地，所述堿激發(fā)劑為堿金屬硅酸鹽溶液、堿金屬氫氧化物溶液中的一種或幾種混合液，所述堿激發(fā)劑的固含量為30％-50％。
優(yōu)選地，所述堿激發(fā)劑是模數(shù)為2.2-2.4的水玻璃，所述水玻璃的固含量為35.0-50.0％。
優(yōu)選地，所述發(fā)泡劑為鋁粉，所述發(fā)泡劑的重量份數(shù)為0.3-0.5份。
進(jìn)一步地，所述功能性助劑選自早強(qiáng)劑、緩凝劑、減水劑、穩(wěn)泡劑、防凍劑、著色劑中的一種或幾種的混合物。
其中，所述早強(qiáng)劑選自氯化鈣、硫酸鹽類和有機(jī)胺中的一種或幾種的混合物。所述緩凝劑選自羥基羧酸及其鹽類、含糖碳水化合物類、無機(jī)鹽類、木質(zhì)素磺酸鹽類中的一種或幾種的混合物。所述減水劑選自木質(zhì)素系減水劑、萘系高效減水劑、聚羧酸鹽系高效減水劑中的一種或幾種的混合物。所述穩(wěn)泡劑選自硬脂酸鹽、聚丙烯酰、多肽類大分子穩(wěn)泡劑、十二烷基二甲基氧化胺中的一種或幾種的混合物。所述防凍劑選自氯鹽、亞硝酸鹽或醇類有機(jī)化合物中的一種或幾種的混合物。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具備以下有益效果：
首先，本發(fā)明的地質(zhì)聚合物基泡沫材料及其制備方法具有環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的原料來源廣泛，不需要進(jìn)行二次加工，尤其是可以大批量使用粉煤灰作為原料，既能提高粉煤灰作為工業(yè)廢棄物的利用價(jià)值，又能降低生產(chǎn)能耗、減少二氧化碳的排放量，對(duì)于環(huán)保十分有利。
其次，本發(fā)明合成地質(zhì)聚合物基泡沫材料具有高強(qiáng)度、隔熱性能好、不易開裂等優(yōu)異性能。傳統(tǒng)的波特蘭水泥泡沫材料具有強(qiáng)度低、粘結(jié)力差、不耐高溫、熱穩(wěn)定性差等一系列缺點(diǎn)，而本發(fā)明的泡沫材料以地質(zhì)聚合物為基礎(chǔ)，其獨(dú)特的三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使得本發(fā)明的泡沫材料可具有強(qiáng)度高、不易開裂且隔熱性能良好等特點(diǎn)。
尤為重要的，本發(fā)明所采用制備方法簡便快捷易操作，對(duì)工藝條件的要求不苛刻。在發(fā)明中，可在堿激發(fā)劑的堿性較低情況下，制備地質(zhì)聚合物基泡沫材料，由于不需要強(qiáng)堿條件的堿激發(fā)劑，因此本發(fā)明方法更適合常規(guī)條件的加工操作；另外，在本發(fā)明中，通過室溫條件就能固化脫模，實(shí)現(xiàn)常溫養(yǎng)護(hù)，而無需高溫養(yǎng)護(hù)，故整個(gè)工藝所需設(shè)備儀器更少、工藝操作更簡單快捷。因此本發(fā)明能夠以更簡便的工藝操作、更常規(guī)的工藝條件得到一種具有高強(qiáng)度、隔熱性能好、不易開裂等優(yōu)異性能的地質(zhì)聚合物基泡沫材料。
附圖說明
圖1是實(shí)施例一的地質(zhì)聚合物基泡沫材料的實(shí)物圖。
具體實(shí)施方式
下面將對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
需要說明的是，本發(fā)明實(shí)施例的術(shù)語“包括”和“具有”以及它們的任何變形，意圖在于覆蓋不排他的包含，例如，包含了一系列步驟或單元的過程、方法、系統(tǒng)、產(chǎn)品或設(shè)備不必限于清楚地列出的那些步驟或單元，而是可包括沒有清楚地列出的或?qū)τ谶@些過程、方法、產(chǎn)品或設(shè)備固有的其它步驟或單元。
實(shí)施例一
本實(shí)施例提供一種地質(zhì)聚合物基泡沫材料及其制備方法，以重量份數(shù)計(jì)，該地質(zhì)聚合物基泡沫材料包括以下組分：
其中，粉煤灰的化學(xué)組成包括：
在上述粉煤灰中，sio2中的si元素的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)與al2o3中的al元素的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)之比在3.0-4.0:1的范圍內(nèi)，因此本實(shí)施例中無需添加無定型二氧化硅來調(diào)節(jié)硅鋁含量比。上述粉煤灰的化學(xué)組成通過icp全元素分析測定。
其中，堿激發(fā)劑為水玻璃，具體是利用氫氧化鈉將40份干粉水玻璃調(diào)節(jié)至模數(shù)為2.2，該干粉水玻璃為120目，可通過商業(yè)購買獲得。
其中，水泥作為調(diào)凝劑，可通過商業(yè)購買獲得，本實(shí)施例采用的水泥標(biāo)號(hào)為52.5。
其中，鋁粉作為發(fā)泡劑，其粒度大于500目。
上述地質(zhì)聚合物基泡沫材料的制備方法包括以下步驟：
混合攪拌：以重量份數(shù)計(jì)，將200份粉煤灰、100份堿激發(fā)劑、30份水泥、2份鋁粉、0.8份硬脂酸鹽穩(wěn)泡劑通過攪拌機(jī)以50-60rpm的轉(zhuǎn)速混合攪拌，并加水?dāng)嚢?min至攪拌均勻，得到漿料混合物；
注模養(yǎng)護(hù)：等待5min后，將漿料混合物注模，常溫條件養(yǎng)護(hù)成型；
脫模：成型后脫模，脫模時(shí)間為10h，得到上述地質(zhì)聚合物基泡沫材料，如圖1所示為本實(shí)施例得到的地質(zhì)聚合物基泡沫材料的實(shí)物圖。脫模后的地質(zhì)聚合物基泡沫材料可經(jīng)自然養(yǎng)護(hù)、切割成型后包裝銷售。
實(shí)施例二
本實(shí)施例提供一種地質(zhì)聚合物基泡沫材料及其制備方法，以重量份數(shù)計(jì)，該地質(zhì)聚合物基泡沫材料包括以下組分：
其中，粉煤灰為f類灰的一級(jí)灰，其經(jīng)全元素分析所得化學(xué)組成包括：
在上述粉煤灰中，sio2中的si元素的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)與al2o3中的al元素的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)之比小于3.0:1的范圍內(nèi)，因此本實(shí)施例的地質(zhì)聚合物基泡沫材料還包括無定型二氧化硅，其添加量使sio2中的si元素與al2o3中的al元素的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)之比為3.0-4.0:1。在本發(fā)明中，當(dāng)sio2中的si元素與al2o3中的al元素的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)之比小于3:1時(shí)，添加無定型二氧化硅的作用是為了增加sio2的含量，使sio2中si元素的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)提高，從而滿足sio2中的si元素與al2o3中的al元素的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)之比為3.0-4.0:1的要求，也即硅鋁比為3.0-4.0:1。
其中，堿激發(fā)劑為水玻璃，具體是利用氫氧化鈉將35份干粉水玻璃調(diào)節(jié)至模數(shù)為2.4，該干粉水玻璃為120目，可通過商業(yè)購買獲得。
其中，水泥作為調(diào)凝劑，該水泥的化學(xué)組成包括：
其中，鋁粉作為發(fā)泡劑，其粒度大于500目。
上述地質(zhì)聚合物基泡沫材料的制備方法包括以下步驟：
混合攪拌：以重量份數(shù)計(jì)，將180份粉煤灰、100份堿激發(fā)劑、40份水泥、1.5份鋁粉、0.8份硬脂酸鹽穩(wěn)泡劑、10份無定型二氧化硅通過攪拌機(jī)以50-60rpm的轉(zhuǎn)速混合攪拌，并加水?dāng)嚢?min至攪拌均勻，得到漿料混合物；
注模養(yǎng)護(hù)：等待5min后，將漿料混合物注模，常溫條件養(yǎng)護(hù)成型；
脫模：成型后脫模，脫模時(shí)間為8h，得到上述地質(zhì)聚合物基泡沫材料。脫模后的地質(zhì)聚合物基泡沫材料可經(jīng)自然養(yǎng)護(hù)、切割成型后包裝銷售。
在本發(fā)明中，制備地質(zhì)聚合物基泡沫材料的原理是：由于粉煤灰是富含硅鋁的材料，其在水和強(qiáng)親核試劑的作用下，能夠發(fā)生si-o和al-o共價(jià)鍵的斷裂，因此可以認(rèn)為在水溶液中生成硅酸和氫氧化鋁的混合溶膠，溶膠顆粒之間部分脫水縮合生成正鋁硅酸，然后正鋁硅酸分子進(jìn)一步脫水縮合形成聚鋁硅氧大分子鏈，即形成地質(zhì)聚合物。接著，作為發(fā)泡劑的鋁粉利用地質(zhì)聚合物的堿性環(huán)境，于漿料混合物中產(chǎn)生均勻的氣泡，地質(zhì)聚合物硬化后就成為泡沫材料。
在本發(fā)明的制備方法中，通過常溫養(yǎng)護(hù)、無需高溫養(yǎng)護(hù)即可實(shí)現(xiàn)地質(zhì)聚合物基泡沫材料的固化成型、脫模，關(guān)鍵在于本發(fā)明中采用了富含鈣的調(diào)凝劑。在地質(zhì)聚合物的反應(yīng)原料中，增加鈣的含量可以促使凝結(jié)的發(fā)展，硅酸鹽與鈣離子快速反應(yīng)，首先生成有早強(qiáng)作用的硅酸鈣，從而加速地質(zhì)聚合物的聚合，使地質(zhì)聚合物具有快硬早強(qiáng)的特點(diǎn)，在常溫條件下即可達(dá)到養(yǎng)護(hù)效果。
此外，本發(fā)明的制備方法只需在低堿條件下，即可實(shí)現(xiàn)地質(zhì)聚合物的生成，關(guān)鍵在于本發(fā)明將所采用的粉煤灰中的硅鋁比控制在3.0-4.0的范圍內(nèi)。在此范圍內(nèi)時(shí)，ca2+首先與二氧化硅形成水化硅酸鹽凝膠，硅的無定型相比例較多，有足夠數(shù)量的si4+與al3+聚合成鏈以形成地質(zhì)聚合物結(jié)構(gòu)(即ps、pss、psds三種結(jié)構(gòu))，所需堿激發(fā)劑的含量相對(duì)較少，因此可實(shí)現(xiàn)在低堿條件下使粉煤灰發(fā)生反應(yīng)。當(dāng)粉煤灰中的硅鋁比控制低于上述范圍值時(shí)，本發(fā)明則通過添加無定型二氧化硅來調(diào)節(jié)使上述范圍值達(dá)到3.0-4.0的范圍值。
綜上，本發(fā)明通過對(duì)原料組份的選擇與配比、制備方法的工藝條件優(yōu)化，最終在較簡便、常規(guī)的制備方法下得到一種具有高強(qiáng)度、隔熱性能好、不易開裂等優(yōu)異性能的地質(zhì)聚合物基泡沫材料。
以上對(duì)本發(fā)明實(shí)施例公開的一種地質(zhì)聚合物基泡沫材料及其制備方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹，本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對(duì)本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時(shí)，對(duì)于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實(shí)施方式及應(yīng)用范圍上均會(huì)有改變之處，綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明的限制。