一种磷石膏基轻质保温地暖模块及其制备方法
技术领域
本发明属于建材技术领域，一种磷石膏基轻质保温地暖模块及其制备方法。
背景技术
地暖模块是地热供暖系统末端主要的可选组件之一，用于取代传统地暖系统中的保温板、反射膜、卡钉等辅材。地暖模块的出现及应用，大大简化的地暖安装程序。地暖模块的种类：根据材质划分有EPS模块，挤塑板模块、金属与保温材料复合模块，水泥模块。地暖模块自诞生以来，因其与传统地暖工艺比较有明显的改进，大受市场欢迎。不同形式不同材质的地暖模块各有各自的优点，同时也存在众多缺点，比如复合型模块造价高、抗压强度相对较弱等缺点。塑料货材质的模块防火性能差，存在重大的火灾隐患、使用寿命短等。聚苯乙烯泡沫塑料的致命弱点是耐热温度低，在74℃就开始分解，当温度继续升高时它就会热熔萎缩，并且聚苯乙烯泡沫塑料的抗压强度，只有0.02-0.03MPa，受力较大或受力不均匀时易产生塌陷；水泥模块由于于水泥在生产过程中需要消耗大量的资源和能耗造成成本较高，并且水泥水化速率较快，大量气泡在初凝前破裂，形成消泡水、浆料塌落、泌水离析。
磷石膏是指在磷酸生产中用硫酸处理磷矿时产生的固体副产物，每生产1吨磷酸约产生4.0～5.0吨磷石膏，其主要成分为二水硫酸钙(CaSO4·2H2O)，此外还含有少量未反应的磷矿、磷酸、氟化物、有机物及钾、钠等成分。磷石膏经过净化、锻烧、改性处理后，可用来生产石膏建筑材料。磷石膏一般呈粉状，外观一般呈灰白、灰黑、灰黄等色，附着水为10％-30％，容重0.733-0.88g/cm3，颗粒直径一般为5-50um,二水硫酸钙含量一般在70-95％，我国磷石膏年产生量约7500万吨左右，累计排量近6亿吨，是副产石膏中排量最大的一种，处理不当将严重危害堆积地及其附近区域大气、土壤和地下水等生态环境。专利CN201710383656.X公开了一种轻骨料自流平，该自流平包括石膏、硅酸盐水泥、矿粉、轻骨料、消泡剂、甲基纤维素、调凝剂、减水剂、防水剂。本发明有益效果，该方案记载的自流平价格低廉，具有轻质、保温隔热的效果，可配合地暖、隔墙的施工；此外还具有流动性好、便于施工的优势；专利CN201610751291.7公开了一种发泡导热型石膏基自流平地砖材料，属于自流平地砖材料领域。它由以下质量份数的组分配制而成：半水石膏49～54份，水泥6～10份，石英砂28～30份，重钙粉10～15份，可再分散乳胶粉0.5～1.6份，减水剂0.32～0.45份，保水剂0.02～0.03份，缓凝剂0.06～0.11份，可发性聚苯乙烯颗粒5～10份，PP纤维0.1～0.5份，地暖采用该方案材料，它收缩小，不易开裂，满足地暖升温速度快，后期降温速度慢的要求，耐水性好；专利CN201610218238.0公开了一种聚氨酯-复合纤维防火地暖保温板，包括如下重量份数的组分：聚氨酯30～40份、复合纤维15～24份、脱硫石膏粉8～17份、聚丁二烯环氧树脂3～11份、乙基环己烷甲亚氨酸酯4～9份、细砂13～20份、铝矾土15～24份、蛭石粉7～13份、磺酸钙3～9份、水泥渣8～15份、防火剂2～5份、聚磷酸铵钾4～8份、水25～35份，该方案还公开了所述聚氨酯-复合纤维防火地暖保温板的制备方法，该方案所制备的保温板，具有良好的抗折强度，较低的导热系数，阻燃等级达到V-0级，符合地暖领域的应用要求；但现有技术中磷石膏利用量不高，且磷石膏低于水泥的膨胀收缩率，这会导致水泥部分出现裂缝，同时受到磷石膏杂质的影响，所以其对减水剂有严格的要求，在文献《石膏基自流平砂浆的技术进展研究》中就明确指出“由于同种类的工业副产石膏的杂质影响，减水剂使用效果不同，必须加大力度开发和研究石膏专用减水剂”，这极大地增加了磷石膏的应用难度，另外，石膏、水泥与聚苯颗粒的界面结合力较弱，也对地暖模块的力学性能造成影响。所以，利用石膏做地暖模块仍有待研究。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，提供了一种磷石膏基轻质保温地暖模块及其制备方法。
为了能够达到上述所述目的，本发明采用以下技术方案：
一种磷石膏基轻质保温地暖模块，由以下重量份的原料制成：磷建筑石膏80-105份、玻化微珠3-10份、粒径≤2cm的聚苯颗粒1-5份、水泥3-10份、聚丙烯纤维0.1-3份、缓凝剂0.1-0.5份。
进一步地，所述的磷石膏基轻质保温地暖模块，由以下重量份的原料制成：磷建筑石膏100份、水泥5份、聚丙烯纤维1.5份、缓凝剂0.15份、玻化微珠6份、粒径≤2cm的聚苯颗粒1份。
进一步地，所述磷建筑石膏是将磷石膏经煅烧脱除结晶水后的产物。
进一步地，所述磷建筑石膏中半水石膏含量占比超过75％，余量为二水石膏(CaSO4·2H2O)或无水硫酸钙(CaSO4)中的一种或两种。
所述水泥为硅酸盐水泥，强度等级不低于42.5。
进一步地优选，所述水泥以改性水泥代替；所述改性方法为：将荷叶粉和质量浓度30-50％的乙醇溶液按照质量比1：(2-5)置于反应釜中，于70-80℃条件下加热10-15min，然后置于130-170W条件下超声分散10-18min，然后加入水料质量比1：(24-30)的水泥混合搅拌5-10min，置于130-170W条件下超声分散8-10min，固液分离后，置于80-100℃的微波条件下干燥至表面水分含量≤4％。
本发明掺入水泥后可提高产品的抗压强度和防水性能，同时还可有效提高料浆pH，避免成品在使用后出现发霉、发黄现象。
本发明利用荷叶粉改性水泥，改善了水泥的水化速率，降低了水泥的化学收缩率、塑性收缩率、吸水性能，同时使得水泥与荷叶中有机物相互结合，加强了水泥与聚苯颗粒之间的界面结合，同时增强了料浆的和易性以及地暖模块的防水性能。
所述玻化微珠，其容重≥110kg/m3，筒压强度≥200kPa，吸水率≤45％，表面闭孔率≥80％。
进一步地优选，所述玻化微珠以改性玻化微珠代替；所述改性方法为：将油酸钠与水按照质量比1：(1-3)置于反应釜中，加热至油酸钠溶解，于130-170W条件下超声分散8-10min，然后加入水料质量比1：(32-37)的玻化微珠混合搅拌5-10min，置于130-170W条件下超声分散12-16min，固液分离后，固体部分经干燥。
本发明所用玻化微珠和聚苯颗粒作为物美价廉的轻质骨料，加入后降低产品的容重，提高产品的保温性能。
本发明利用油酸钠改性玻化微珠，由于油酸钠具有疏水基团和亲水基团，能够与物质上特定的原子发生物理和化学吸附，通过改变玻化微珠结构的致密性和表面亲、疏水基团的比例，进而当玻化微珠与水泥相互接触时，能够改善了水泥的发泡性能，使水泥浆体内部产生大量的孔隙。同时利用油酸钠改性玻化微珠还具有增加物料结合力的作用，改善了施工效率与导热系数，增强了地暖模块的传热能力，克服了《膨胀玻化微珠保温板性能优化及应用研究》中记载的“玻化微珠施工效率低、导热系数基本咋0.07W/(m·K)左右……无法在北方地区大面积应用”的缺陷。
本发明利用玻化微珠，具有轻质、物理化学性能优良，耐久性能突出，导热系数低，且拥有较为优异的防水、耐高温等性能，能够有效解决料浆吸水率高、产品后期强度下降、空鼓开裂等问题。
进一步地，所述聚丙烯纤维，其长度≤3cm。
进一步地，所述聚丙烯纤维以改性聚丙烯纤维替代；所述改性方法为：将硅烷偶联剂与聚丙烯纤维按1：(45-50)质量比，于温度为45-50℃条件下混合10-20min。
本发明掺入聚丙烯纤维后可大幅度提高产品的断裂荷载，减少产品在搬运、施工中的破损率。
本发明利用硅烷偶联剂改性聚丙烯纤维，能够改善纤维的热稳定性能和吸水性能，进而增强石膏、水泥、聚苯颗粒的粘合能力，形成稳固结构，有效提高了地暖模块的力学性能和防水性能。
缓凝剂为pH值8-9。
所述聚苯颗粒粒径≤2cm。
进一步地，一种磷石膏基轻质保温地暖模块及其制备方法，包括以下步骤：
(1)计量：按照重量份数称取磷建筑石膏、水泥、玻化微珠、聚苯颗粒、聚丙烯纤维、缓凝剂；
(2)混料与搅拌：将上述计量好的磷建筑石膏、水泥、聚丙烯纤维、缓凝剂倒入搅拌机进行混合，混合均匀后再将计量好的玻化微珠、聚苯颗粒倒入搅拌机进行二次混合，加水进行湿拌和，得料浆；
(3)成型与整平：将料浆倒入模具进行成型，成型过程中边振捣边刮去多余的料浆，待料浆凝固后进行整平；
(4)烘干：将上述经成型和整平的半成品进行干燥，以排出附着水，从而得到成品。
进一步地，在步骤(1)，所述缓凝剂的计量误差不得超过0.2％。
进一步地，在步骤(2)采用二次搅拌的方式，搅拌时间不少于3min，加水量占干物料质量的50％-100％。
进一步地，在步骤(3)，所述浆体的振捣时间为1-3min。
进一步地，在步骤(4)，烘干温度不超过100℃。
由于本发明采用了以上技术方案，具有以下有益效果：
磷石膏基轻质保温地暖模块地暖模盒容重不高于1000kg/m3，抗压强度不低于100Kpa,断裂荷载不低于200N，导热系数不高于0.1W/(m·k)，不含甲醛，是一种轻质、保温的新型建筑材料。
(1)本发明采用磷建筑石膏、水泥、玻化微珠、聚苯颗粒、纤维和缓凝剂为原料，其中磷建筑石膏所用的原料为工业废弃物，其作为一种气硬性胶凝材料，由于采用低温煅烧即可，相对于采用高温煅烧的水泥和石灰等胶凝材料来说，生产成本更低，用来生产地暖模块可有效降低地暖模块的生产成本，提高生产效益。
(2)本发明以磷建筑石膏为主要原料，可提高工业废弃物的使用率，是国家大力推广的绿色建材新品种；并且磷建筑石膏作为不燃材料，防火性能优良，用其加工制成的产品具备天然的防火优势，使用后可减少火灾隐患；加之磷建筑石膏具有快凝、可塑性好的特点，用其生产的地暖模块生产周期短、效率高，可根据模具生产各种形状的产品。
(3)本发明的地暖模块施工比同类产品更快捷，可实现与地暖管同步完成施工，即一边铺设地暖管，一边铺盖模块。
(4)本发明的地暖模块不仅具有良好的保温、导热、力学性能，还具有良好的防水性能，有效解决了地暖关闭后，地暖管与地暖模块之间形成的冷凝水汽对传统模块的破坏，进而本发明的地暖模块的使用寿命较长。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，但本发明并不局限于这些实施方式，任何在本实施例基本精神上的改进或代替，仍属于本发明权利要求所要求保护的范围。
实施例1
一种磷石膏基轻质保温地暖模块及其制备方法，由以下重量份的原料制成：磷建筑石膏100份、水泥5份、纤维1.5份、缓凝剂0.15份、玻化微珠6份、聚苯颗粒1份；
所述磷建筑石膏为磷石膏经煅烧脱去部分结晶水后的产物，其化学成分为：半水石膏(CaSO4·1/2H2O)含量占比≥80％，二水石膏(CaSO4·2H2O)≤1％，Ⅲ无水硫酸钙含量为(CaSO4)≤4％；所述水泥为水泥厂生产的通用水泥，强度等级为42.5；玻化微珠容重为120kg/m3，筒压强度为210kPa，吸水率为48％，表面闭孔率为80％；所述纤维为聚丙烯纤维，其长度0.6cm；缓凝剂为石膏专用缓凝剂，PH值：9；聚苯颗粒粒径为1cm；
一种以磷石膏为主要原料生产的地暖模块的制备方法，包括以下步骤：
(1)计量：按照重量份数称取磷建筑石膏、水泥、玻化微珠、聚苯颗粒、纤维、缓凝剂；所述缓凝剂的计量误差不得超过0.2％；
(2)混料与搅拌：将上述计量好的磷建筑石膏、水泥、纤维、缓凝剂倒入搅拌机进行混合，混合均匀后再将计量好的玻化微珠、聚苯颗粒倒入搅拌机进行二次混合，加水进行湿拌和；在步骤(2)采用二次搅拌的方式，搅拌时间为3min，加水量占干物料质量的70％；
(3)成型与整平：将上述拌和好的料浆倒入模具进行成型，成型过程中边振捣边刮去多余的料浆，待料浆凝固后进行整平；所述料浆的振捣时间为2min；
(4)烘干：将上述经成型和整平的半成品进行干燥，以排出附着水，从而得到成品；所述烘干温度为100℃。
实施例2
一种磷石膏基轻质保温地暖模块及其制备方法，由以下重量份的原料制成：磷建筑石膏100份、水泥5份、纤维1.5份、缓凝剂0.1份、玻化微珠8份；
所述磷建筑石膏为磷石膏经煅烧脱去部分结晶水后的产物，其化学成分为：半水石膏(CaSO4·1/2H2O)含量占比≥85％，二水石膏(CaSO4·2H2O)≤3％，Ⅲ无水硫酸钙含量为(CaSO4)≤4％；所述水泥为水泥厂生产的通用水泥，强度等级为42.5；玻化微珠容重为120kg/m3，筒压强度为210kPa，吸水率为48％，表面闭孔率为80％；所述纤维为聚丙烯纤维，其长度0.6cm；缓凝剂为石膏专用缓凝剂，PH值：9；
一种以磷石膏为主要原料生产的地暖模块的制备方法，包括以下步骤：
(1)计量：按照重量份数称取磷建筑石膏、水泥、玻化微珠、聚苯颗粒、纤维、缓凝剂；所述缓凝剂的计量误差不得超过0.2％；
(2)混料与搅拌：将上述计量好的磷建筑石膏、水泥、纤维、缓凝剂倒入搅拌机进行混合，混合均匀后再将计量好的玻化微珠、聚苯颗粒倒入搅拌机进行二次混合，加水进行湿拌和；在步骤(2)采用二次搅拌的方式，搅拌时间为10min，加水量占干物料质量的50％；
(3)成型与整平：将上述拌和好的料浆倒入模具进行成型，成型过程中边振捣边刮去多余的料浆，待料浆凝固后进行整平；所述料浆的振捣时间为1min；
(4)烘干：将上述经成型和整平的半成品进行干燥，以排出附着水，从而得到成品；所述烘干温度为88℃。
实施例3
一种磷石膏基轻质保温地暖模块及其制备方法，由以下重量份的原料制成：磷建筑石膏100份、水泥5份、纤维1.5份、缓凝剂0.1份、聚苯颗粒6份；
所述磷建筑石膏为磷石膏经煅烧脱去部分结晶水后的产物，其化学成分为：半水石膏(CaSO4·1/2H2O)含量占比≥85％，二水石膏(CaSO4·2H2O)≤3％，Ⅲ无水硫酸钙含量为(CaSO4)≤4％；所述水泥为水泥厂生产的通用水泥，强度等级为42.5；所述纤维为聚丙烯纤维，其长度0.6cm；缓凝剂为石膏专用缓凝剂，PH值：9；
一种以磷石膏为主要原料生产的地暖模块的制备方法，包括以下步骤：
(1)计量：按照重量份数称取磷建筑石膏、水泥、玻化微珠、聚苯颗粒、纤维、缓凝剂；所述缓凝剂的计量误差不得超过0.2％；
(2)混料与搅拌：将上述计量好的磷建筑石膏、水泥、纤维、缓凝剂倒入搅拌机进行混合，混合均匀后再将计量好的玻化微珠、聚苯颗粒倒入搅拌机进行二次混合，加水进行湿拌和；在步骤(2)采用二次搅拌的方式，搅拌时间为20min，加水量占干物料质量的100％；
(3)成型与整平：将上述拌和好的料浆倒入模具进行成型，成型过程中边振捣边刮去多余的料浆，待料浆凝固后进行整平；所述料浆的振捣时间为3min；
(4)烘干：将上述经成型和整平的半成品进行干燥，以排出附着水，从而得到成品；所述烘干温度为75℃。
实施例4
一种磷石膏基轻质保温地暖模块及其制备方法，由以下重量份的原料制成：磷建筑石膏100份、水泥8份、纤维2份、缓凝剂0.15份、玻化微珠3份、聚苯颗粒3份；
所述磷建筑石膏为磷石膏经煅烧脱去部分结晶水后的产物，其化学成分为：半水石膏(CaSO4·1/2H2O)含量占比≥85％，二水石膏(CaSO4·2H2O)≤2％，Ⅲ无水硫酸钙含量为(CaSO4)≤3％；所述水泥为水泥厂生产的通用水泥，强度等级为42.5；玻化微珠容重为140kg/m3，筒压强度为220kPa，吸水率为48％，表面闭孔率为82％；所述纤维为聚丙烯纤维，其长度1cm；缓凝剂为石膏专用缓凝剂，PH值：9；聚苯颗粒粒径为0.5cm；
一种以磷石膏为主要原料生产的地暖模块的制备方法，包括以下步骤：
(1)计量：按照重量份数称取磷建筑石膏、水泥、玻化微珠、聚苯颗粒、纤维、缓凝剂；所述缓凝剂的计量误差不得超过0.2％；
(2)混料与搅拌：将上述计量好的磷建筑石膏、水泥、纤维、缓凝剂倒入搅拌机进行混合，混合均匀后再将计量好的玻化微珠、聚苯颗粒倒入搅拌机进行二次混合，加水进行湿拌和；在步骤(2)采用二次搅拌的方式，搅拌时间为7min，加水量占干物料质量的64％；
(3)成型与整平：将上述拌和好的料浆倒入模具进行成型，成型过程中边振捣边刮去多余的料浆，待料浆凝固后进行整平；所述料浆的振捣时间为1.5min；
(4)烘干：将上述经成型和整平的半成品进行干燥，以排出附着水，从而得到成品；所述烘干温度为63℃。
实施例5
在实施例1的基础上，以改性水泥代替水泥；所述改性方法为：将荷叶粉和质量浓度50％的乙醇溶液按照质量比1：5置于反应釜中，于80℃条件下加热15min，然后置于170W条件下超声分散18min，然后加入水料质量比1：30的水泥混合搅拌10min，置于170W条件下超声分散10min，固液分离后，置于100℃的微波条件下干燥至表面水分含量≤4％。
实施例6
在实施例1的基础上，以改性水泥代替水泥；所述改性方法为：将荷叶粉和质量浓度30％的乙醇溶液按照质量比1：2置于反应釜中，于70℃条件下加热10min，然后置于130W条件下超声分散10-18min，然后加入水料质量比1：24的水泥混合搅拌5min，置于130W条件下超声分散8min，固液分离后，置于80℃的微波条件下干燥至表面水分含量≤4％；
同时以改性玻化微珠代替玻化微珠；所述改性方法为：将油酸钠与水按照质量比1：1置于反应釜中，加热至油酸钠溶解，于130W条件下超声分散8min，然后加入水料质量比1：32的玻化微珠混合搅拌5min，置于130W条件下超声分散12min，固液分离后，固体部分经干燥。
实施例7
在实施例2的基础上，以改性玻化微珠代替玻化微珠；所述改性方法为：将油酸钠与水按照质量比1：3置于反应釜中，加热至油酸钠溶解，于170W条件下超声分散10min，然后加入水料质量比1：37的玻化微珠混合搅拌10min，置于170W条件下超声分散16min，固液分离后，固体部分经干燥。
实施例8
在实施例2的基础上，以改性玻化微珠代替；所述改性方法为：将油酸钠与水按照质量比1：2置于反应釜中，加热至油酸钠溶解，于140W条件下超声分散9min，然后加入水料质量比1：34的玻化微珠混合搅拌6min，置于160W条件下超声分散14min，固液分离后，固体部分经干燥；
同时以改性聚丙烯纤维替代聚丙烯纤维；所述改性方法为：将硅烷偶联剂与聚丙烯纤维按1：48质量比，于温度为47℃条件下混合10-20min。
实施例9
在实施例3的基础上，以改性聚丙烯纤维替代聚丙烯纤维；所述改性方法为：将硅烷偶联剂与聚丙烯纤维按1：45质量比，于温度为45℃条件下混合10min。
实施例10
在实施例3的基础上，以改性水泥代替水泥；所述改性方法为：将荷叶粉和质量浓度40％的乙醇溶液按照质量比1：4置于反应釜中，于75℃条件下加热12min，然后置于150W条件下超声分散13min，然后加入水料质量比1：27的水泥混合搅拌10min，置于150W条件下超声分散7min，固液分离后，置于90℃的微波条件下干燥至表面水分含量≤4％；
同时，以改性聚丙烯纤维替代聚丙烯纤维；所述改性方法为：将硅烷偶联剂与聚丙烯纤维按1：50质量比，于温度为50℃条件下混合20min。
实施例11
在实施例4的基础上，以改性水泥代替水泥；所述改性方法为：将荷叶粉和质量浓度40％的乙醇溶液按照质量比1：4置于反应釜中，于75℃条件下加热12min，然后置于150W条件下超声分散13min，然后加入水料质量比1：27的水泥混合搅拌10min，置于150W条件下超声分散7min，固液分离后，置于90℃的微波条件下干燥至表面水分含量≤4％；
以改性玻化微珠代替玻化微珠；所述改性方法为：将油酸钠与水按照质量比1：1.8置于反应釜中，加热至油酸钠溶解，于155W条件下超声分散9min，然后加入水料质量比1：35的玻化微珠混合搅拌7min，置于145W条件下超声分散15min，固液分离后，固体部分经干燥；
以改性聚丙烯纤维替代聚丙烯纤维；所述改性方法为：将硅烷偶联剂与聚丙烯纤维按1：49质量比，于温度为47℃条件下混合13min。
对比例1
在实施例1的基础上，与实施例1的区别在于：由以下重量份的原料制成：磷建筑石膏79份、玻化微珠6份、聚苯颗粒1份、水泥2.8份、纤维1.5份、缓凝剂0.15份。
对比例2
在实施例1的基础上，与实施例1的区别在于：磷建筑石膏105份、水泥5份、纤维1.5份、缓凝剂0.15份、玻化微珠10.3份、聚苯颗粒5.5份。
对比例3
在实施例2的基础上，与实施例2的区别在于：所述聚丙烯纤维替换为聚乙烯醇纤维。
对比例4
在实施例3的基础上，与实施例3的区别在于：所述聚丙烯纤维替换为玻璃纤维。
对比例5
在实施例4的基础上，与实施例4的区别在于：所述玻化微珠替换为膨胀珍珠岩。
对比例6
在实施例5的基础上，与实施例5的区别在于：所述荷叶粉替换为油酸钠。
对比例7
在实施例11的基础上，与实施例11的区别在于：所述荷叶粉替换为硬脂酸。
实验例1
1.防水性能测试
将实施例及对比例所得试样浸泡在(20±2)℃的清水中，24h后取出，擦干表面的水分，然后对每组进行三个试样的测试，取其平均值，计算公式如式1：Wa＝(m2-m1)/m1；其中：m1—试样烘干时的质量；m2—试样浸水24h后的质量；结果如表1所示：
表1
2.导热性能测试
本次实验测定导热系数所用的仪器是TPMBE-300平板导热仪；测试导热系数的试件规格尺寸为200mm×200mm×50mm；热板起始温度34℃，冷板起始温度8℃，功率3.4W；测试结果如表2所示；
表2
3.力学性能测试
3.1抗折强度的测定：试样规格50mm×50mm×100mm，放在抗折试验机的夹具中心位置，测试其抗折强度，当试件被折断后，停止仪器，记录仪器上所显示的数据；结果如表3；
表3
3.2抗压强度的测定：在之前进行的抗折强度测定后，将三个试件由于折断形成的2个半块试件依顺序放在数控抗压试验机夹具的中心位置，开始测量其抗压强度，待测试结束后记录试验数据；结果如表4；
表4
