超轻质水泥基复合发泡材料及其制备方法

专利名称：超轻质水泥基复合发泡材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种建筑保温材料，具体是涉及一种超轻质水泥基复合发泡材料及其制备方法。
背景技术：
在建筑和工业中采用良好的保温技术与材料，往往能起到事半功倍的效果。统计表明，建筑中每使用一吨矿物棉绝热制品，一年可节约一吨石油。工业设备与管道的保温， 采用良好的绝热措施与材料，可显著降低生产能耗和成本，改善环境，同时有较好的经济效
■、Λ
frff. ο目前应用于建筑保温的泡沫保温材料主要是有机泡沫材料和无机泡沫材料两类。 有机泡沫保温材料主要有聚苯乙烯泡沫材料、聚氨酯硬质泡沫材料等。无机泡沫材料主要是加气混凝土和泡沫混凝土等。聚苯乙烯泡沫材料是目前用量最大的一类泡沫保温材料，主要分为聚苯板(EPS) 和挤塑板(XPS)两种。按相关标准要求，EPS导热系数彡0. 042ff/(m · K)，XPS导热系数通常在0. 030 0. 040ff/(m ·Κ)，保温效果好，但存在以下主要问题i)防火安全性差，保温工程屡屡发生火灾事故，造成重大人员伤亡和经济损失；ii)耐候性、耐久性差，不能与建筑物同寿命，在建筑物服役期内需多次更换保温层，浪费大量人力、物力、财力。聚氨酯硬质泡沫材料(PU)由双组分组成，甲组分主要为多元醇，乙组分主要为异氰酸酯。施工时两组分按比例从喷涂机械中混合喷出后瞬间混合，迅速发泡，凝固成聚氨酯硬泡体。优点是保温效果好、导热系数低< 0.0241/011*1()、轻质、防水、整体无缝。缺点有价格昂贵、喷涂时散发毒气、风吹影响喷涂、潮湿影响粘结、收缩大(高达2%)、防火安全性差、燃烧时烟雾大、毒性大，耐老化性能差，耐久性无法与无机保温材料相提并论。频繁的火灾事件，尤其是央视大火发生后，有机泡沫材料的防火安全性引起了业界人士巨大的担忧。我国公安部消防局会同建设部出台了《建筑外保温材料防火措施(征求意见稿)》明确要求建筑体积大于10万立方米或建筑高度大于32米的公共建筑和建筑高度大于100米的居住建筑应采用无机物制作的保温材料；建筑外装修材料应采用不燃材料。中央电视台2011年315晚会曝光保温材料的消防问题后，公安部又立即发布了公消 [2011]65号文《关于进一步明确民用建筑外保温材料消防监督管理有关要求的通知》要求从严执行《民用建筑外保温系统及外墙装饰防火暂行规定》要求的民用建筑外保温材料采用燃烧性能为A级的材料，对已经审批同意的在建工程，如建筑外保温采用易燃、可燃材料的，应提请政府组织有关主管部门督促建设单位拆除易燃、可燃保温材料；对已经审批同意但尚未开工的建设工程，建筑外保温采用易燃、可燃材料的，应督促建设单位更改设计、选用不燃材料，重新报审。近来，一些单位在尝试开发改性酚醛硬泡塑料保温材料，原料来源于石油，防火安全性相对较好，但是也无法达到A级不燃；且价格较贵，售价约1200元/m3。无机泡沫材料中，加气混凝土是以水泥、石灰、粉煤灰或砂、矿渣与发泡剂等为主要原料，经磨细、配料、搅拌、浇筑、发气膨胀、静停、切害I]、蒸压养护、成品加工和包装等工序制成的多孔混凝土制品。其发泡剂通常采用是铝粉，发泡原理是铝粉在水泥水化的碱性环境中发生化学反应生成氢气，属于化学发泡方式。而泡沫混凝土是用机械的方法将泡沫剂水溶液制备成泡沫，再将泡沫加入含硅质材料、钙质材料、水及各种外加剂组成的浆体中， 经混合搅拌、浇筑成型、养护而成的一种多孔材料。它是用机械搅拌或压缩空气发泡方式预先制备出泡沫，再与搅拌好的胶凝材料浆体混合得到无机泡沫料浆，属于物理发泡方式。
加气混凝土主要是在工厂预制成砌块和板材，工地现场砌筑施工，如北京市建材研究院研发了加气混凝土墙体自保温系统及配套材料，很多地区、如武汉等地在大量应用加气混凝土进行墙体自保温。而泡沫混凝土则既可现场浇筑施工(如现浇地暖、屋面、墙体自保温、补偿地基、隧道基坑回填等)，又可预制成保温砖、砌块、墙板、装配式构件等。在一些发达国家，如欧美日韩等都大量应用加气混凝土和泡沫混凝土。德国Neopor公司研发成功了干密度400-1800kg/m3的泡沫混凝土，强度可达H8MPa，大量应用于墙体保温和屋面保温隔热。在我国，加气混凝土和泡沫混凝土以其价廉、防火、不燃、环保、耐久等优点，已成为最受欢迎的保温隔热材料之一，将逐步取代有机保温材料的使用。但目前公开的无机泡沫材料尚存很多缺陷，如自重大(加气混凝土与泡沫混凝土通常干密度大于300kg/m3)、脆性大、易开裂、吸水率高、保温效果差，不能很好地满足建筑保温隔热的需要，限制了它的应用规模
发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种新型的超轻质水泥基复合发泡材
料。
本发明的另一目的是提供上述超轻质水泥基复合发泡材料的制备方法。
为达上述目的，本发明采用了以下技术方案
一种超轻质水泥基复合发泡材料，其主要由以下重量份的组分组成
水泥 700-1000份，
粉煤灰 0-300份，
减水剂 2-4份，
泡孔调节剂 1-3份
浆料稠化调节剂4-8份，
纤维2-5份，
化学发泡剂 40-70份，
稳泡剂 20-50份，
发泡促进剂 5-8 份，
拌合水 250-400 份，
物理泡沫剂20-40 份，
物理泡沫剂稀释水 400-800 份， 其中，物理泡沫剂为重量比例为1 4的阳离子瓜尔胶和茶皂素的混合物；减水剂采用粉状减水剂，泡孔调节剂采用重量比为1 2的羟丙基甲基纤维素和黄原胶生物胶的混合物，浆料稠化调节剂采用重量比为1 :1:1: 1碳酸锂、碳酸钠、酒石酸和铝酸钠的混合物；化学发泡剂采用重量比为5 1的双氧水和三聚磷酸钠的混合物；稳泡剂采用重量比为7 11 2 200的松香热聚物、皂荚素、氧化石蜡皂和水的混合物；发泡促进剂采用质量比为1:1:1的二氧化锰、硫酸锰和次氯酸钙的混合物。所述的超轻质水泥基复合发泡材料，其中，所述减水剂采用聚羧酸盐减水剂，减水率大于等于30%。所述的超轻质水泥基复合发泡材料，其中，所述稳泡剂的制备方法为称取200份水，加热至80°C，并保持恒温，分别将7份松香热聚物、11份皂荚素和2份氧化石蜡皂放入热水中，搅拌至均勻状态，制成浓度为10 %的稳泡剂。所述的超轻质水泥基复合发泡材料，其中，所述拌合水及物理泡沫剂稀释水均为自来水。所述的超轻质水泥基复合发泡材料，其中，所述的双氧水、三聚磷酸钠、二氧化锰、 硫酸锰及次氯酸钙均采用化学分析纯试剂。所述的超轻质水泥基复合发泡材料，其中，所述水泥为硅酸盐水泥或硫铝酸盐水泥。所述的超轻质水泥基复合发泡材料，其中，所述纤维为3mm的聚丙烯短纤维。本发明还公开了上述超轻质水泥基复合发泡材料的制备方法，其包括如下步骤(1)先按比例将水泥、粉煤灰、减水剂、泡孔调节剂、浆料稠化调节剂、纤维、稳泡剂、拌合水加入搅拌机中，均勻搅拌成净浆；(2)按比例将物理泡沫剂稀释至20倍(并用机械方式制出泡沫，然后将打出的泡沫混入到(1)中搅拌好的净浆中并再次搅拌均勻，得到泡沫料浆；(3)按比例向(2)中所得泡沫浆料中加入化学发泡剂、发泡促进剂并搅拌均勻，浇筑到预热至40°C的模具中，浇筑完成后将模具放入40°C的恒温养护室内养护M-32小时后，脱模，即得超轻质水泥基复合发泡材料。所述的超轻质水泥基复合发泡材料的制备方法，其中，脱模后将超轻质水泥基复合发泡材料用塑料薄膜覆盖并浇水养护7- 天。所述的超轻质水泥基复合发泡材料的制备方法，其中，所述步骤(1)中混合搅拌时间为1-3分钟，步骤( 中混合搅拌时间为1-2分钟，步骤C3)中的混合搅拌时间为30-40秒。所述的超轻质水泥基复合发泡材料的制备方法，其中，所述物理泡沫剂稀释至20 倍的方法为分别按质量比为1 4 100的比例称取阳离子瓜尔胶、茶皂素和物理泡沫剂稀释水，将水加热恒定在60度，然后将阳离子瓜尔胶溶解在水中，搅拌均勻，30分钟后将茶皂素均勻分散溶解在水中并搅拌均勻，保温1小时，最后形成的均勻溶液即为稀释20倍的物理泡沫剂。所述的超轻质水泥基复合发泡材料的制备方法，其中，脱模后的超轻质水泥基复合发泡材料的干表观密度为120-200kg/m3，抗压强度为100_500kPa，导热系数为 0. 045-0. 052W/(m · K)，体积吸水率 6-15%, A 级不燃。本发明的工作原理为化学发泡剂的主要成分是双氧水和三聚磷酸钠，其能在水泥水化生成氢氧化钙碱性环境的条件下，产生化学反应，并生成气体，使水泥浆发泡；即在水泥水化产生的碱性环境下，产生化学反应产生氧气，借助这些气体的膨胀力将水泥浆吹制成水泥泡。泡孔调节剂，主要成分为羟丙基甲基纤维素和黄原胶生物胶，其可以在生产中起到任意调整材料的泡孔直径的作用，实现超轻质水泥基复合发泡材料泡沫防火保温板材料孔径的可设计性，两者之间质量比为羟丙基甲基纤维素黄原胶生物胶=2 1。化学和物理发泡程序中料浆发气膨胀的动力是气泡内的内压力，其阻力则是上层料浆的重力和料浆的剪应力，如果气泡生成膨胀过程中，浆料或液膜塑性不够就会发生串泡，甚至塌模。为避免发生上述状况，通常在生产上都要加入气泡稳定剂。本发明采用松香热聚物、皂荚素、氧化石蜡皂等的混合物作为稳泡剂，加入料浆后，吸附于气-液界面，形成了单分子吸附膜，降低了体系的表面能，同时增强了气泡壁的机械弹性，使气泡不易破裂， 能同时保证发泡过程的料浆稳定性。有效解决发泡过程的料浆体积稳定性问题，解决了塌模、串泡以及料浆在发泡过程中对环境、介质、工艺等的敏感性难题，浆料稠化调节剂主要成分是碳酸锂、碳酸钠、酒石酸、铝酸钠，这几种材料主要通过调整水泥的凝结固化时间，来配合材料的发泡，稠化硬化过快，则气泡不能膨胀，相反硬化过慢，胶凝材料浆体不能将生成并不断膨胀的气泡固结住，往往就会发生串泡、气泡逸出甚至塌模现象，本发明的浆料稠化调节剂中酒石酸主要起缓凝剂，其他三种起速凝作用，由于两者起作用的时间点不同，通过交叉作用，酒石酸通过对水泥的缓凝作用保证发泡膨胀的顺利完成，之后通过其他三种材料通过对水泥的速凝作用，保证发泡体的及时固结。基于这一原理，料浆稠化调节剂能够调节浆体发泡膨胀和适时固泡两者之间的平衡，使发出的气泡能够均勻的贯穿于胶凝材料之中，并及时硬化固结产生强度。可以有效的解决料浆发泡、稠化以及硬化阶段的协调性问题，满足材料生产过程中所需的可操作时间。泡孔调节剂为羟丙基甲基纤维素和黄原胶生物胶，其可以调整胶凝材料的粘弹度，通过胶凝材料粘滞力的不同，其对气泡产生不同的约束力，就可以影响气泡的受力，改变气泡的生成、变大、膨胀过程，从而达到控制气泡孔径的的作用。采用的纤维为3mm聚丙烯短纤维，可以起到防止材料收缩开裂的作用。发泡促进剂采用为二氧化锰、硫酸锰、次氯酸钙，主要起催化作用，这三种物质主要起到促进双氧水与氢氧根离子的的化学反应，使得反应能够完全进行，产生气体，保证化学发泡的顺利完成，达到较佳的干表观密度。物理发泡剂采用阳离子瓜尔胶和茶皂素两种表面活性剂进行混合。将两种表面活性剂的混合物，加水稀释至20倍，通过空气压缩型的发泡机产生大量水膜型气泡，掺入到胶凝材料浆体中混合均勻后，即完成了物理发泡过程。本发明通过物理发泡和化学发泡相结合的方法来制备超轻质水泥基复合发泡材料，旨在综合两种发泡方式的各自优点，取长补短。化学发泡组分的引入一方面大大降低了物理发泡发泡剂中影响水泥水化的表面活性剂含量，大大提高了材料强度；另一方面在物理发泡的基础上在进行化学发泡，可以对原有的泡壁结构产生挤压作用，使泡壁更加密实， 同时也优化了泡径级配，从而促进材料性能的提高。由于采用了上述技术手段，使得本发明具有如下技术效果(1)利用物理发泡与化学发泡相结合的技术路线来制备超轻质水泥基复合发泡材料，泡壁更加密实，泡径级配更加优化，同时降低了泡沫料浆中影响水泥水化的表面活性剂含量，进而促进了泡沫材料综合性能的大大提高。
(2)采用的稳泡剂可有效解决两次发泡过程的料浆体积稳定性问题，可解决塌模、 串泡及料浆在发泡过程中对环境、介质、工艺的敏感性难题。(3)综合物理发泡与化学发泡技术优势，超轻质水泥基复合发泡材料内部含有大量泡孔，因此材料密度低，通常在120-200kg/m3，属于超轻质水泥基材料；强度可达 100-500kPa，比同等密度的普通泡沫混凝土高30%以上。在轻质保温的前提下，强度提高 30%以上，综合性能大大优于传统保温材料，不燃、耐久、建筑节能率可达65%以上。(4)超轻质水泥基复合发泡材料含有大量的独立、封闭的泡孔，因此材料保温效果好，导热系数低，一般在0. 045-0. 0525W/ (m · K)以下，保温效果超过其他水泥基类保温材料。(5)由于超轻质水泥基复合发泡材料表面是凹面的泡壁，具有较高的界面面积，因此板材与界面砂浆粘结时，具有较大的粘结面积，与墙体具有很高的粘结力，可降低空鼓、 脱落等弊端，大大的增强了此类材料与墙体的一体化。(6)开发的泡沫保温板完全符合公安部和住建部联合颁布公通字[2009]46号文的防火要求，适用于建筑外墙外保温及防火隔离带，满足市场急需，填补市场空白。(7)本发明的超轻质水泥基复合发泡材料与主体建筑物一样同属于水泥基材料， 因此具有很好的耐久性，与建筑物同寿命，避免了有机保温材料因老化问题，需要多次更换造成的资源浪费及更换费用。在实现建筑节能率65%的同时，保证防火安全和使用寿命。(8)超轻质水泥基复合发泡材料的干密度等性能可以通过加入化学发泡剂数量的多少来进行调整，化学发泡剂加入的量多，产生的泡孔就越多，干密度就越小，反之干密度就越大。，因此可以根据具体工程要求进行量体裁衣，而且材料还具备可钻、可锯等机械加工性能，实际工程适用性很强。(9)具有较高的泡孔封闭性，其还具有较强的憎水性能，这主要是因为泡孔调节剂中的羟丙基甲基纤维素和黄原胶为高分子材料，可以提高水泥浆体的柔韧性，在发泡膨胀过程中，水泥浆体具有一定的延展性，泡壁不会出现漏气的小孔，因此泡孔具有很好的封闭性；再加上泡孔调节剂硬化后形成的高分子薄膜，也保证了材料的憎水性能。由于本材料为物理发泡和化学发泡相结合的方式制备而成，化学发泡泡孔一般较大，物理发泡泡孔较小， 两种发泡方式有机结合，使得材料泡孔形成了大小结合的级配分布。外界的水份较难渗入到材料内部，吸水率大大低于普通泡沫混凝土，可减缓因保温材料吸水而降低保温效果。(10)所用原料均为纯无机材料，属A级不燃材料，可有效的从源头上杜绝火灾的发生，起到防火保温作用，并保护居民的人身财产免受火灾威胁。本发明材料的性能如下
权利要求
1. 一种超轻质水泥基复合发泡材料，其特征在于主要由以下重量份的组分组成其中，物理泡沫剂为重量比例为1 4的阳离子瓜尔胶和茶皂素的混合物；减水剂采用粉状减水剂，泡孔调节剂采用重量比为1 2的羟丙基甲基纤维素和黄原胶生物胶的混合物，浆料稠化调节剂采用重量比为1 :1:1: 1碳酸锂、碳酸钠、酒石酸和铝酸钠的混合物；化学发泡剂采用重量比为5 1的双氧水和三聚磷酸钠的混合物；稳泡剂采用重量比为7 11 2 200的松香热聚物、皂荚素、氧化石蜡皂和水的混合物；发泡促进剂采用质量比为1:1:1的二氧化锰、硫酸锰和次氯酸钙的混合物。
2.根据权利要求1所述的超轻质水泥基复合发泡材料，其特征在于所述减水剂采用聚羧酸盐减水剂，减水率大于等于30%。
3.根据权利要求1所述的超轻质水泥基复合发泡材料，其特征在于所述稳泡剂的制备方法为称取200份水，加热至80°C，并保持恒温，分别将7份松香热聚物、11份皂荚素和2份氧化石蜡皂放入热水中，搅拌至均勻状态，制成浓度为10 %的稳泡剂。
4.根据权利要求1所述的超轻质水泥基复合发泡材料，其特征在于所述拌合水及物理泡沫剂稀释水均为自来水。
5.根据权利要求1所述的超轻质水泥基复合发泡材料，其特征在于所述的双氧水、三聚磷酸钠、二氧化锰、硫酸锰及次氯酸钙均采用化学分析纯试剂；所述水泥为硅酸盐水泥或硫铝酸盐水泥；所述纤维为3mm的聚丙烯短纤维。
6.根据权利要求1-5中任一所述的超轻质水泥基复合发泡材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤(1)先按比例将水泥、粉煤灰、减水剂、泡孔调节剂、浆料稠化调节剂、纤维、稳泡剂、拌合水加入搅拌机中，均勻搅拌成净浆；(2)按比例将物理泡沫剂稀释至20倍，并用机械方式制出泡沫，然后将打出的泡沫混入到(1)中搅拌好的净浆中并再次搅拌均勻，得到泡沫料浆；(3)按比例向(2)中所得泡沫浆料中加入化学发泡剂、发泡促进剂并搅拌均勻，浇筑到预热至40°C的模具中，浇筑完成后将模具放入40°C的恒温养护室内养护M-32小时后，脱模，即得超轻质水泥基复合发泡材料。水泥粉煤灰减水剂0-300份， 2-4 份，1-3份，4-8份，2-5份， 40-70 份， 20-50 份，5-8份，700-1000 份，泡孔调节剂浆料稠化调节剂纤维化学发泡剂稳泡剂发泡促进剂拌合水物理泡沫剂物理泡沫剂稀释水250-400 份， 20-40 份， 400-800 份，
7.根据权利要求6所述的超轻质水泥基复合发泡材料的制备方法，其特征在于所述步骤C3)养护脱模后再将超轻质水泥基复合发泡材料用塑料薄膜覆盖并浇水养护7-28天。
8.根据权利要求6所述的超轻质水泥基复合发泡材料的制备方法，其特征在于所述步骤(1)中混合搅拌时间为1-3分钟，步骤O)中混合搅拌时间为1-2分钟，步骤 (3)中的混合搅拌时间为30-40秒。
9.根据权利要求6所述的超轻质水泥基复合发泡材料的制备方法，其特征在于所述物理泡沫剂稀释至20倍的方法为分别按质量比为1 4 10的比例称取阳离子瓜尔胶、茶皂素和物理泡沫剂稀释水，将水加热恒定在60度，然后将阳离子瓜尔胶溶解在水中，搅拌均勻，30分钟后将茶皂素均勻分散溶解在水中并搅拌均勻，保温1小时，最后形成的均勻溶液即为稀释20倍的物理泡沫剂。
10.根据权利要求6-9中任一所述的超轻质水泥基复合发泡材料的制备方法，其特征在于脱模后的超轻质水泥基复合发泡材料的干表观密度为120-200kg/m3，抗压强度为 100-500kPa，导热系数为0. 045-0. 052W/(m · K)，体积吸水率6-15%, A级不燃。
全文摘要
本发明涉及一种超轻质水泥基复合发泡材料及其制备方法。先将水泥、粉煤灰、减水剂、泡孔调节剂、浆料稠化调节剂、纤维、稳泡剂、拌合水均匀搅拌成净浆；再将物理泡沫剂稀释至20倍并用机械方式制出泡沫，然后将打出的泡沫混入到搅拌好的净浆中并再次搅拌均匀，得到泡沫料浆；然后将所得泡沫浆料中加入化学发泡剂、发泡促进剂并搅拌均匀，浇筑到预热至40℃的模具中，浇筑完成后将模具放入40℃的恒温养护室内养护24-32小时后，脱模，即得超轻质水泥基复合发泡材料。本发明通过物理发泡和化学发泡相结合的方法来制备发泡材料，所得产品密度低、轻度高、A级不燃，寿命长，综合性能好，适宜推广应用。
文档编号C04B28/00GK102285778SQ20111015531
公开日2011年12月21日 申请日期2011年6月10日 优先权日2011年6月10日
发明者扈士凯, 朱立德, 李应权, 段策, 王笑帆, 秦洪友 申请人:建筑材料工业技术监督研究中心