用于制备无机聚合物材料的组合物及材料的制备方法
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，具体涉及一种用于制备无机聚合物材料的组合物。此外，本发明还公开了一种上述无机聚合物材料的制备方法。
背景技术
随着对建筑物的资源、能量利用效率的重视，绿色环保隔热防火材料受到越来越多的关注。目前，市场上采用的各种防火材料在生产、使用过程中皆存在不同程度的问题。氯氧镁水泥虽然耐火性能良好，但需经过高温压制加工，其生产周期长、生产效率低；而且，使用过程中如果采用氯化镁粘结剂会造成与该材料接触的金属材料腐蚀生锈。珍珠岩小板一般是由多个小板拼接，其铺装过程耗时耗力，铺装效率低，而且铺装过程中的缝隙会使其防火性能降低。岩棉板老化后对人体有害、不符合绿色环保理念。目前使用的普通水泥基材料虽然在强度上达到一定要求，但是其在受热后强度会剧烈降低，不能保持原有的支撑或防护作用，而且其生产和使用造成大量能源消耗和二氧化碳排放。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于制备无机聚合物材料的组合物及材料的制备方法，该组合物制备的无机聚合物材料制作成本较低，且高温处理后抗压性能更好；同时具有较高的强度性能、耐火性能及保温性能，在高温受热过程中无有害气体产生，不会粉化。
为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种用于制备无机聚合物材料的组合物，以所述组合物的总重量为基准，该组合物含有73.6-91.9重量％的铝硅原料、4-17重量％的结晶增强剂、4-9重量％的可溶性碱金属化合物和0.1-0.4重量％的发泡剂。
优选地，所述铝硅原料为粉煤灰和/或偏高岭土；
所述可溶性碱金属化合物为碱金属氢氧化物和/或碱金属硅酸盐；
所述发泡剂为植物蛋白类发泡剂、动物蛋白类发泡剂、表面活性剂类发泡剂或复合类发泡剂。
进一步优选地，所述粉煤灰的氧化钙含量小于或等于10重量％；
所述偏高岭土的粒径小于或等于74微米。
进一步优选地，所述铝硅原料为粉煤灰。
优选地，所述结晶增强剂为莫来石晶须、莫来石粉体和霞石中的一种或多种。
第二方面，本发明提供一种无机聚合物材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将硅铝原料、结晶增强剂、可溶性碱金属化合物和水混合，制备出凝胶材料；
将发泡剂与水混合，产生泡沫后与上述凝胶材料混合，得到混合材料；
(2)将步骤(1)中混合材料倒入模具中，固化，脱模，养护，得到所述无机聚合物材料；
其中，以硅铝原料、结晶增强剂、可溶性碱金属化合物和发泡剂的总用量为基准，所述铝硅原料的用量为73.6-91.9重量％，所述结晶增强剂的用量为4-17重量％，所述可溶性碱金属化合物的用量为4-9重量％，所述发泡剂的用量为0.1-0.4重量％，所述水的用量为硅铝原料、结晶增强剂、碱性金属和发泡剂总重量的32-38％。
优选地，所述铝硅原料为粉煤灰和/或偏高岭土；
所述可溶性碱金属化合物为碱金属氢氧化物和/或碱金属硅酸盐；
所述发泡剂为植物蛋白类发泡剂、动物蛋白类发泡剂、表面活性剂类发泡剂或复合类发泡剂；
所述结晶增强剂为莫来石晶须、莫来石粉体和霞石中的一种或多种。
进一步优选地，所述粉煤灰的氧化钙含量小于或等于10重量％；
所述偏高岭土的粒径小于或等于74微米。
优选地，步骤(2)中，所述固化温度为20-85℃，所述固化时间为20-28h；所述养护温度为20-85℃，所述常温养护时间为1-27天。
进一步优选地，所述铝硅原料为粉煤灰。
进一步优选地，所述步骤还包括：在700-1000℃的条件下高温处理步骤(2)中制备出的无机聚合物材料。
进一步优选地，所述高温处理时间为2-4h。
通过上述技术方案，本发明的有益效果为：
1、本发明提供的组合物加入了结晶增强剂，其制备的无机聚合物材料具有优良的耐火性能，该材料在经受高温后抗压性能更好，且在高温或受热情况下不会产生有害气体，不会粉化。
2、本发明提供的无机聚合物对频率为40-150Hz的低频声波具有很好地吸收作用，其吸波系数为0.6-0.95。
3、采用生产能耗低和二氧化碳排放量非常低的聚合物作为胶凝材料，其生产能耗仅为生产水泥的1/6-1/4，相比常用的水泥基泡沫混凝土更为环保。
4、本发明提供的无机聚合物材料干密度为623-935kg/m3，导热系数为0.16-0.23W/m·K，抗压强度为6.1-8.2MPa，高温后的抗压强度为6.4-14.1MPa，干体积密度为571-864kg/m3的无机聚合物材料其导热系数为0.14-0.21W/(m·K)，比泡沫混凝土国家行业标准JG/T266-2011对A10级泡沫混凝土导热系数的要求值(≤0.27W/(mK))小。
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
第一方面，本发明提供一种无机聚合物材料，以所述组合物的总重量为基准，该组合物含有73.6-91.9重量％的铝硅原料、4-17重量％的结晶增强剂、4-9重量％的可溶性碱金属化合物和0.1-0.4重量％的发泡剂。
根据本发明，所述铝硅原料的种类为本领域的常规选择，例如，所述硅铝原料可以选用粉煤灰、偏高岭土和矿渣中的一种或多种，优选为粉煤灰和/或偏高岭土。所述可溶性碱金属化合物的种类为本领域的常规选择，优选采用碱金属氢氧化物和/或碱金属硅酸盐。所述发泡剂可以采用任意一种可以发泡的试剂，优选为植物蛋白类发泡剂、动物蛋白类发泡剂、表面活性剂类发泡剂或复合类发泡剂。
其中，所述表面活性剂类发泡剂可以是任何能够起到发泡作用的表面活性剂，具体可以是十二烷基硫酸盐或其它表面活性剂。所述复合类发泡剂可以是植物蛋白类发泡剂和动物蛋白类发泡剂的混合，也可以是表面活性剂的混合。优选地，所述复合类发泡剂为威海汉城建材科技有限公司的植物型水泥发泡剂与BASF公司的MasterCell%2030发泡剂的混合，其混合比是1:1。
具体地，当可溶性碱金属化合物为碱金属氢氧化物和/或碱金属硅酸盐时，先将碱金属氢氧化物和/或碱金属硅酸盐分别配置成水溶液，然后铝硅原料与碱金属氢氧化物水溶液混合，再加入碱金属硅酸盐水溶液以及水搅拌。当硅铝原料为两种或两种以上时，可以先将两种或两种以上的硅铝原料混合均匀，再进行后续操作。
优选地，所述可溶性碱金属化合物为碱金属氢氧化物和碱金属硅酸盐。所述碱金属氢氧化物可以是氢氧化钠和/或氢氧化钾，所述碱金属硅酸盐可以是硅酸钠和/或硅酸钾。当碱金属硅酸盐配置成水溶液时，其模数为2。
优选地，所述粉煤灰采用低钙粉煤灰。也就是说，所述粉煤灰的氧化钙含量小于或等于10重量％。进一步优选地，所述铝硅原料为粉煤灰。所述偏高岭土的粒径小于或等于74微米。当可溶性碱金属化合物为碱金属氢氧化物和碱金属硅酸盐时，碱金属氢氧化物和碱性金属硅酸盐的质量比进一步为1:5.5。
所述结晶增强剂可以是任意能够起到结晶增强作用的化合物，优选为莫来石晶须、莫来石粉体和霞石中的一种或多种。
第二方面，本发明提供一种无机聚合物材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将硅铝原料、结晶增强剂、可溶性碱金属化合物和水混合，制备出凝胶材料；
将发泡剂与水混合，产生泡沫后与上述凝胶材料混合，得到混合材料；
(2)将步骤(1)中混合材料倒入模具中，固化，脱模，养护，得到所述无机聚合物材料；
其中，以硅铝原料、结晶增强剂、可溶性碱金属化合物和发泡剂的总用量为基准，所述铝硅原料的用量为73.6-91.9重量％，所述结晶增强剂的用量为4-17重量％，所述可溶性碱金属化合物的用量为4-9重量％，所述发泡剂的用量为0.1-0.4重量％，所述水的用量为硅铝原料、结晶增强剂、碱性金属和发泡剂总重量的32-38％。
所述发泡剂与水的混合质量比为0.01-0.1:1，优选为0.025:1。
所述铝硅原料可以选用粉煤灰、偏高岭土和矿渣中的一种或多种，优选为粉煤灰和/或偏高岭土。所述可溶性碱金属化合物可以采用碱金属氢氧化物和/或碱金属硅酸盐。所述发泡剂可以采用任意一种可以发泡的试剂，优选为植物蛋白类发泡剂、动物蛋白类发泡剂、表面活性剂类发泡剂或复合类发泡剂。所述结晶增强剂为莫来石晶须、莫来石粉体和霞石中的一种或多种。
进一步优选地，所述粉煤灰的氧化钙含量低于10重量％；所述偏高岭土的粒径小于或等于74微米。所述碱性金属水溶液的质量溶度为10-35％。
优选地，步骤(2)中，所述固化温度为20-85℃，所述固化时间为20-28h；所述养护温度为20-85℃，所述常温养护时间为1-27天。更优选地，所述固化时间为24h。当然这些参数的设定可以根据实际生产情况进行调整。
进一步优选地，所述铝硅原料为粉煤灰。所述步骤还包括：在700-1000℃的条件下高温处理步骤(2)中制备出的无机聚合物材料2-4h。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
以下实施例中，干体积密度根据美国标准ASTM%20C495，将压碎的试样在105℃的烘干箱中干燥24小时后测得；抗压强度根据中国国家标准GB/T50081-2016，使用美特斯MTS万能试验机(型号C43.304)测得混凝土标准立方体试件的抗压强度；抗折强度根据中国国家标准GB/T%2050081-2016，使用美特斯MTS万能试验机(型号C43.304)测得混凝土标准棱柱体试件的抗折强度；导热系数通过瞬态平面热源法测得，从试件上切割下直径为53毫米、厚度为15毫米的圆盘作为样品，将所有样品均打磨平整平行，并用压缩空气清洗，使用Hot%20Disk导热系数仪-2500测得导热系数。吸波系数通过抗阻管法测得，根据美国标准ASTM%20E%201050，将试样切割成厚度为25mm的小块，然后打磨成直径为95mm的小块，放入标本架，使用声学抗阻管、两只麦克风和一个数字频率分析系统测定，测试频率为0-1600Hz。。
F类粉煤灰及C类粉煤灰购于澳大利亚昆士兰州塔容发电站；矿渣及偏高岭土购于澳大利亚水泥公司(Cement%20Australia%20Pty%20Ltd)；NaOH、KOH购于Science%20Essentials公司，硅酸钠和硅酸钾是美国PQ公司药品；植物蛋白类发泡剂购于威海中盛新型建材有限公司，产品编号12241611412；动物蛋白类发泡剂购于威海中盛新型建材有限公司，产品编号122416101718；复合类发泡剂购于威海汉城建材科技有限公司及BASF公司；莫来石粉及莫来石晶须购于淄博鲁宏沃尔森陶瓷有限公司；霞石购于登封市润之釉材有限公司。
实施例1
(1)将158kg的F类粉煤灰(氧化钙含量小于10重量％)、16kg的莫来石晶须和20.4kg质量百分数为10％氢氧化钠水溶液搅拌混合，加入34kg模数为2、质量百分数为30％的水玻璃溶液和20kg的水，搅拌10分钟，制备出凝胶材料；
将8.5kg的水和0.2kg的植物蛋白类发泡剂加入气压泡沫发生器中产生泡沫；然后将泡沫与凝胶材料混合，搅拌1分钟，得到混合材料；
(2)将步骤(1)中混合材料倒入模具中，在40℃、RH＝100％的条件下固化24小时后脱模，然后在40℃的条件下养护27天，得到所述无机聚合物材料。测量其干密度体积、抗压强度、抗折强度和导热系数。
(3)800℃的条件下高温处理3h后测量其干密度体积、抗压强度、抗折强度和导热系数。
实施例2
(1)将130kg的F类粉煤灰(氧化钙含量小于10重量％)、30kg的莫来石粉和53kg质量百分数为30％氢氧化钠水溶液搅拌混合，加入4.8kg的水，搅拌10分钟，制备出凝胶材料；
将15.6kg的水和0.4kg的复合蛋白类发泡剂加入气压泡沫发生器中产生泡沫；然后将泡沫与凝胶材料混合，搅拌1分钟，得到混合材料；
(2)将步骤(1)中混合材料倒入模具中，在20℃、RH＝100％的条件下固化28小时后脱模，然后在20℃的条件下养护1天，得到所述无机聚合物材料。测量其干密度体积、抗压强度、抗折强度和导热系数。
(3)700℃的条件下高温处理3h后测量其干密度体积、抗压强度、抗折强度和导热系数。
实施例3
(1)将100kg的F类粉煤灰(氧化钙含量小于10重量％)、80kg粒径小于74微米的偏高岭土、8kg的霞石和26kg质量百分数为14％氢氧化钾水溶液搅拌混合，加入24kg模数为2、质量百分数为30％的硅酸钾水溶液和0.1kg的水，搅拌10分钟，制备出凝胶材料；
将29kg的水和0.75kg的动物蛋白类发泡剂加入气压泡沫发生器中产生泡沫；然后将泡沫与凝胶材料混合，搅拌1分钟，得到混合材料；
(2)将步骤(1)中混合材料倒入模具中，在85℃、RH＝100％的条件下固化20小时后脱模，然后在85℃的条件下养护15天，得到所述无机聚合物材料。测量其干密度体积、抗压强度、抗折强度和导热系数。
(3)1000℃的条件下高温处理3h后测量其干密度体积、抗压强度、抗折强度和导热系数。
实施例4
(1)将158kg的C类粉煤灰(氧化钙含量大于10重量％)、16kg的莫来石晶须和20.4kg质量百分数为10％氢氧化钠水溶液搅拌混合，加入34kg模数为2、质量百分数为30％的水玻璃溶液和20kg的水，搅拌10分钟，制备出凝胶材料；
将8.5kg的水和0.2kg的植物蛋白类发泡剂加入气压泡沫发生器中产生泡沫；然后将泡沫与凝胶材料混合，搅拌1分钟，得到混合材料；
(2)将步骤(1)中混合材料倒入模具中，在40℃下、RH＝100％的条件下固化24小时后脱模，然后在40℃的条件下养护27天，得到所述无机聚合物材料。测量其干密度体积、抗压强度、抗折强度和导热系数。
(3)800℃的条件下高温处理3h后测量其干密度体积、抗压强度、抗折强度和导热系数。
实施例5
(1)将100kg的C类粉煤灰(氧化钙含量大于10重量％)、80kg粒径小于149微米的偏高岭土、8kg的霞石和26kg质量百分数为14％氢氧化钾水溶液搅拌混合，加入24kg模数为2、质量百分数为30％的硅酸钾水溶液和5.6kg的水，搅拌10分钟，制备出凝胶材料；
将18.3kg的水和0.47kg的动物蛋白类发泡剂加入气压泡沫发生器中产生泡沫；然后将泡沫与凝胶材料混合，搅拌1分钟，得到混合材料；
(2)将步骤(1)中混合材料倒入模具中，在85℃、RH＝100％的条件下固化20小时后脱模，然后在85℃的条件下养护15天，得到所述无机聚合物材料。测量其干密度体积、抗压强度、抗折强度和导热系数。
(3)1000℃的条件下高温处理2h后测量其干密度体积、抗压强度、抗折强度和导热系数。
对比例
(1)将100kg的标号425水泥、50kg%20F类粉煤灰(氧化钙含量大于10重量％)、16.5kg硅灰和58.5kg的水混合，搅拌10分钟，制备出混合水泥凝胶材料；
将15kg的水和0.38kg的动物蛋白类发泡剂加入气压泡沫发生器中产生泡沫；
(2)然后将泡沫与混合水泥凝胶材料混合，搅拌1分钟，得到发泡混凝土；
(3)将步骤(1)中发泡混凝土倒入模具中，在50℃、RH＝100％的条件下固化24小时后脱模，常温养护27天，得到所述水泥基材料。测量其干密度体积、抗压强度、抗折强度和导热系数。
(3)1000℃的条件下高温处理3h后测量其干密度体积、抗压强度、抗折强度和导热系数。
上述测量结果如表1和表2所示：
表1高温处理前的无机聚合物材料的物理性能
表2高温处理后的无机聚合物材料的物理性能
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。
