用于消耗二氧化碳的材料的固化系统的制作方法

用于消耗二氧化碳的材料的固化系统的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请主张2013年3月14日提交的共同未决的美国临时专利申请号61/785,226的 优先权及权益，该申请的全文W引用的方式并入本文中。
技术领域
[0003] 本发明大体上设及用于制备新型复合材料的系统及方法。更具体地，本发明设及 用于由包括水及二氧化碳的各种常见原材料(或前体材料)制造合成材料的设备及方法。所 述复合材料适用于建造、基础设施、艺术品及装演中的各种用途。
【背景技术】
[0004] 混凝±及石料
[000引自古W来，人类已知并且使用混凝±及石材。举例而言，诸如混凝±、板岩、花岗岩 及大理石的材料用于建造各种有用结构。
[0006] 混凝±用于各种结构，包括道路、建筑物及诸如，管、搁块、铺设材料及铁道枕木建 筑组件。混凝±具有许多有益性质，诸如，坚硬(或抗机械力变形）、防火、拒水W及对包括霉 变及菌类生长的要素耐性。
[0007] 板岩为主要由石英及云母组成的细纹理变质岩(有时化学式为KAb(AlSi3化0))。 因为板岩为平坦、坚硬、防火、拒水W及对包括霉变及菌类生长的要素耐性，故发现板岩在 建筑物及建造中的更广范使用，诸如，铺设材料及屋面材料。板岩存在各种颜色，例如，灰色 (浅灰至暗灰）、绿色、青色(蓝绿色)或紫色。板岩为大体"页片状的"或分层的，W使得板岩 分裂形成不同的平坦表面图案。板岩的独特美学及物理质量使其在建筑物及建造中W及在 装饰艺术及雕塑中成为理想材料。
[0008] 已经努力研究了人造板岩类材料，W低成本、易生产的仿制品取代更昂贵并且稀 有的天然板岩。然而，所述努力尚未生产合成材料，该合成材料具有板岩的所需外观、纹理、 密度、硬度、孔隙率及其他美观特征，同时可W低成本及最小环境影响大量制造合成材料。
[0009] "复合板岩"为由回收橡胶及塑胶制成的仿造板岩替代品。虽然所述产品在外观及 一些性质上类似于板岩(主要在于所述产品是拒水及要素耐性的），但所述产品缺乏板岩的 硬度，所述产品的防火程度不如板岩，并且所述产品具有明显不同的"手感"。所述产品在近 距离看起来不同。最终，虽然所述产品可含有回收材料，但所述产品基于源自石油化学产品 的材料。
[0010] 层压渐青片具有使其与天然板岩相比相当不理想的人造外观。其他人造板岩仿制 品由合成树脂粘结剂制备。所述方法受众多缺陷影响，包括不良再现性、低产率、劣化、高加 工成本、不尽人意的机械性质等。
[0011] 花岗岩为主要包含石英、云母及长石的火成岩。花岗岩在细粒基质内通常具有粗 粒。众所周知，花岗岩自然存在各种颜色。
[0012] 自古W来，人类已知并且使用花岗岩。花岗岩的独特美观及物理质量使其在建筑 物及建造 w及在装饰艺术及雕塑中为理想材料。已经努力研究了人造花岗岩类材料，w低 成本、易生产的仿制品取代昂贵并且稀有的材料。然而，所述努力尚未生产合成材料，该合 成材料具有花岗岩的所需外观、纹理、密度、硬度、孔隙率及其他美观特征，同时可W低成本 及最小环境影响大量制造合成材料。
[0013] 大部分人造花岗岩仿制品通过渗混天然石材粉末及矿物与合成树脂(例如，丙締 酸、不饱和聚醋、环氧树脂)来制备。所述方法受众多缺陷影响，包括不良再现性、低产率、劣 化、高加工成本、不尽人意的机械性质等。
[0014] 自古W来，人类已知并且使用大理石。大理石的独特美观及物理质量使其在建筑 物及建造 W及在装饰艺术及雕塑中为理想材料。已经努力研究了人造大理石类材料，W低 成本、易生产的仿制品取代昂贵并且稀有的材料。然而，所述努力尚未生产出合成材料，该 合成材料具有大理石的所需外观、纹理、密度、硬度、孔隙率及其他美学特征，同时可在环境 影响最小的情况下W低成本大量制造该合成材料。
[0015] 大部分人造大理石仿制品通过渗混天然石材粉末及矿物与合成树脂(例如，丙締 酸、不饱和聚醋、环氧树脂)而制备。所述方法受众多缺陷影响，包括不良再现性、低产率、劣 化、高加工成本、不尽人意的机械性质等。
[0016] 传统混凝±固化腔室
[0017] 传统混凝±固化腔室用于各种预铸混凝±工业。固化腔室为完全或部分封闭的容 积，其中可形成受控环境。封闭容积可由诸如房间的刚性结构的实屯、壁界定或由诸如帐篷 形式的防水布的柔性障壁界定。在形成混凝±样本后，将该样本放置于具有足够湿气含量 及足够高的溫度的受控环境中，W确保在合理时间内达到充分固化，通常W天为单位测量。 固化对混凝±产物的质量极其重要，并且对诸如耐久性、强度及耐磨性的性质具有巨大影 响。适当的固化还帮助减轻随时间发生的次级反应，所述反应可导致成品的缺陷及不需要 的颜色改变。
[0018] 混凝±固化帮助波特兰水泥混凝±的称为水合作用的化学反应。腔室意在固化过 程的持续时间内保持受控环境受调节并且保持产物内的适合水分。任意可察觉的水分损失 将显著延迟或防止水合作用，并且因此降低产物的性质。此外，溫度在固化过程期间起重要 作用，因为低于l〇°C或高于70°C的溫度非常不利于固化，而60°C的溫度是最佳的。
[0019] 生产预铸混凝±的一些公司试图使用大房间或由防水布覆盖的区域容纳产物W 试图保持溫度及湿度来简化固化过程。所述系统可充当保持由作为在水合反应期间发生的 放热反应结果的样品产生的热量的手段，或充当保持由外部加热器或喷水系统提供的热量 或湿度的手段。然而，固化预铸混凝±的最高效并且有效的方法依赖永久、密封并且可控的 固化环境。
[0020] 在包括但不限于铺路石材、混凝±搁筑单元(concrete masonry unit;〔11])、挡± 墙及屋面瓦的范围广泛的产品生产中，存在许多专口从事设计、制造及安装用于预铸行业 的波特兰水泥混凝±固化腔室的公司。所述固化系统最通常由钢、通常为锻锋钢构成并且 经隔热W防止热损失并保持能量效率。一些系统是高度自动化的并且包括作为自动转移系 统的"子母机(finger car)"，所述自动转移系统将由成型器形成的预铸产物送入固化腔室 机架中。商业固化系统的范围可从标准货运集装箱的大小（约40英尺X 10英尺X8英尺)直 至可为200英尺X 100英尺X50英尺大的高容积生产系统。若产品一致，腔室可构造成为一 个"大房间"系统，但对于具有许多产品线的制造商，通常使用允许可归属于不同产品线的 每个个别隔间(bay)的单独溫度及湿度线型控制的"多线"系统。
[0021] 图1为包括主要组件的传统(现有技术)混凝±固化腔室的示意图，所述组件为循 环系统、热交换器及增湿系统。系统可含有用于气体循环的一个W上鼓风机，该一个W上鼓 风机提供足够高的经过产品的气体速度W允许根据需要分布溫度及湿度。热交换器可使用 直接燃气燃烧器、间接燃气燃烧器或电热器。增湿系统通常包括雾化喷嘴或加热蒸汽发生 器W向系统提供水蒸汽。溫度及湿度两者由传感器监视，所述传感器将信号发送回电脑或 可编程逻辑控制器，该控制器用于控制固化参数。许多系统允许完成具有诸如图2中所示的 溫度及湿度增加步骤、暂停步骤及冷却步骤的有序自动化。图2为图示出传统(现有技术)混 凝±固化线型的曲线图，图示出溫度随时间的变化。
[0022] 使用二氧化碳的处理系统
[0023] 对使用二氧化碳作为反应物的系统的描述为：
[0024] 在大量文件中描述克拉夫特能量的用途，诸如，克拉夫特能量混凝±固化系统 化raft Energy Concrete Curing Systems)。克拉夫特能量在第195页中阐明（混凝±的） 碳化为"(一个)方法，通过该方法，空气中的二氧化碳穿透混凝±并且与诸如氨氧化巧的氨 氧化物反应W形成碳酸盐。在与氨氧化巧的反应中，形成碳酸I宇'。在第37页处，克拉夫特能 量展示经碳化的铺路石的图示。图像下的说明阐明"在蒸汽固化7N/mm2的固体搁块24小时 后发现的典型碳化(酪献指示Γ。图像展示在表面上具有灰色区域及紫色中屯、区域的矩形 搁块。已知酪献为化学式C2地1地4的化合物。酪献在酸性溶液中变成无色并且在碱性溶液中 变成粉红色。若指示剂的浓度特别高，则酪献可呈现出紫色。自图像可看出碳化仅进行至浅 深度，并且不在搁块的中屯、部分发生。
[0025] 现有技术中还已知Murray的于1978年9月26日授权的美国专利号4,117,060,据称 该案公开了提供用于制造混凝±产品或类似构造的方法及装置，其中将诸如水泥的巧质胶 结性的粘结剂物质、集料、醋酸乙締-马来酸二下醋共聚物W及足W制造相对干燥混合物的 量的水的混合物在模具中压缩成所需形态，并且其中在压缩发生之前，将混合物暴露于模 具中的二氧化碳气体，W使得二氧化碳气体与成分反应W提供在加速固化状态下具有良好 物理性质的硬化产品。
[0026] 现有技术中还已知Malinowski的于1982年12月7日授权的美国专利号4,362,679， 据称该案公开了一种无需使用固化腔室或高压蓋诱铸不同类型的混凝±的方法，其中诱铸 混合后的混凝±并且在外部和/或在内部使该混凝±经受真空处理W使混凝±脱水并压 实。接着，将二氧化碳气体供应至搁块，同时W使由于次压所致的气体扩散至形成于混凝± 搁块中的毛细管的方式保持次压或欠压，W快速硬化搁块。在一个实施例中（参见图2)，其 中通过放置于搁块(I)上及经由管道或线路(5)暴露于次压的基垫或平板(2)脱水并压实搁 块(I)，经由该基垫或平板(2)(经由线路6)供应二氧化碳气体，同时使用搁块中占主导的欠 压。在另一实施例中（参见图3)，通过特定嵌件、元件内部的孔或空腔或经由模具的内部部 分中的多孔材料层（lb)，将次压(经由线路5)从模具的一个W上侧(2b)施加至正经诱铸的 元件的内部。接着，（经由线路6)相应地供应二氧化碳气体。所述两个主要实施例可在某些 情况下W不同方式组合。进一步地，混凝上可同时或随后经受另一类型的处理，诸如，由适 合溶液浸溃。
[0027] 现有技术中还已知Getson的于1989年9月5日授权的美国专利号4,862，827,据称 该案在第3列第26行至第32行中公开"参见图1，图示进气口 33及排气口 37，W及在进气口 33 的空气路径下游的腔室35。该腔室可用于引入二氧化碳用于促进及固化某些组成物和/或 该腔室可用于引入30额外水分W进一步加速固化湿固化系统"。
[0028] 现有技术中还已知化arlebois的于1998年9月1日授权的美国专利号5,800,752， 据称该案公开了聚合物复合产品，包括由聚合物混凝±、加强聚合物混凝±及加强塑胶制 成的产品，诸如大搁块:通过同时向填料与聚合粘结剂的混合物施加振动、热量及压力而生 产模制化合物(molding compound)系统、片状模制化合物系统、矿物模制化合物系统及高 级模制化合物系统。同时施加振动、热量及压力提供保护模具的表面的聚合粘结剂的保护 层，并且提供实质上不含卷曲、破裂或空隙的产品。本发明的方法实质上减少固化聚合物复 合产品所需的时间。
[0029] 现有技术中还已知SorousMan等人的于1999年8月10日授权的美国专利号5，935， 317,据称该案公开:在加速(蒸汽或高压蒸汽）固化水泥及混凝±产品之前，使用了 C〇2预固 化期，W便：（1)制备在加速固化环境中耐受高溫及蒸汽压力而无微裂纹及损坏的产品；W 及(2)在不实质改变传统加速固化工序的情况下将碳化反应在尺寸稳定性、化学稳定性、增 加的强度及硬度及改良的耐磨性方面的优点并入水泥及混凝±产品中。取决于产品的含水 量，本发明可通过首先干燥产品（例如，在略微高溫下）及接着将产品暴露于富含二氧化碳 环境来完成C〇2预固化。水泥浆在二氧化碳存在下的剧烈反应在相对短时间周期中为产品 提供增加的强度、完整性与化学及尺寸稳定性。即使在缩短的时间周期(在能量及成本消耗 较少的情况下），随后的加速固化将产生比可由加速固化水泥及混凝±产品之前的传统预 设周期所达成的性能特征高的性能特征。
[0030] 现有技术中还已知Ramme等人的于2008年6月24日授权的美国专利号7,390,444， 据称该案公开了一种用于固存来自从燃烧室发出的烟道气的二氧化碳的方法。在该方法 中，形成包括发泡剂及烟道气的泡体，并且将泡体添加至包括胶结性材料(例如，飞灰)及水 的混合物W形成发泡混合物。此后，允许发泡混合物优选地凝固至具有1200psiW下的抗压 强度的受控低强度材料。烟道气及废热中的二氧化碳与受控低强度材料中的水合产物反应 W增加强度。在此方法中，固存了二氧化碳。CLSM可经压碎或粒化W形成具有类似于天然形 成的矿物、浮石的性质的轻型集料。
[0031 ] 现有技术中还已知2012年6月21日公开的CARB0NCURE TECHNOLOGIES INC的国际 专利申请公开号WO 2012/079173 A1，据称该案公开:包括搁块、实质平坦的产品（诸如，铺 设材料)及中空产品(诸如，中空管）的混凝±制品形成于模具中，而二氧化碳经由穿孔注入 模具的混凝上中。
[0032] 描述二氧化碳与混凝±的反应的所有W上文件是针对含有波特兰水泥作为粘结 剂的混凝±。波特兰水泥在无 C〇2情况下经由水合反应固化。
[0033] 此外，现有方法通常设及大能量消耗及具有不良碳足迹的二氧化碳排放。
[0034] 存在对用于制造新型复合材料的装置及方法的持续需要，所述材料显示出有用的 美学及物理特征，并且能够W低成本在改良能量消耗及理想碳足迹的情况下大量生产所述 材料。

【发明内容】

[0035] 本发明部分地基于对诸如混凝±及石类材料的新型复合材料的出乎意料的发现， 所述材料可通过适用于大规模生产的方法由广泛使用的呈颗粒形式的低成本前体材料容 易地生产。前体材料包括包含微粒娃酸巧（例如，研磨娃灰石）的接合单元及包括矿物（例 如，石英及其他含Si化的材料、花岗岩、云母及长石）的微粒填充材料。流体组分还作为反应 介质提供，其包含液态水和/或水蒸汽W及反应物二氧化碳(0)2)。添加材料可包括天然材 料或回收材料，W及富含碳酸巧材料及富含碳酸儀材料，W及流体组分的添加剂，诸如，水 溶性分散剂。
[0036] 各种添加剂可用于微调所得复合材料的物理外观及机械性质，所述添加剂诸如， 有色材料的颗粒，诸如有色玻璃、有色砂粒及有色石英颗粒；W及颜料(例如，黑色氧化铁、 氧化钻及氧化铭）。可使用术语"着色剂"大体上指代有色材料及颜料中的一者或两者。为模 拟板岩类外观，微粒填充材料可包括粗颗粒及细颗粒。粗颗粒主要为娃酸盐系材料W提供 硬度，并且细颗粒可为各种材料，包括砂粒、选自矿物及添加剂材料的经研磨、压碎或W其 他方式粉碎的物质。
[0037] 所述复合材料可显示出美感视觉图案，W及显示类似于相应天然材料的抗压强 度、晓曲强度及吸水率。可使用高效气体辅助热液液相烧结化LPS)工艺W低成本并在较大 改良能量消耗及碳足迹的情况下生产本发明的复合材料。事实上，在本发明的优选实施例 中，将C〇2作为反应性物种消耗，从而导致C〇2的净固存。
[0038] 根据一个方面，本发明W用于固化需要C〇2作为固化反应物的材料的固化系统为 特征。材料在无 C〇2的存在时不固化。材料不将水作为反应物消耗。固化系统包含固化腔室， 该固化腔室构造成含有将C〇2作为反应物(或反应剂）消耗并且在无 C〇2存在时不固化的材 料。固化腔室具有至少一个口，该至少一个口构造成允许材料引入固化腔室W及从固化腔 室移除，并且固化腔室具有用于所述口的至少一个闭合件，该闭合件构造成在关闭时提供 大气密封，W防止固化腔室外的气体污染存在于固化腔室中的气体;二氧化碳源，该二氧化 碳源构造成经由固化腔室中的气体入口将气态二氧化碳提供至固化腔室，该二氧化碳源具 有至少一个流量控制装置，该流量控制装置构造成控制气态二氧化碳进入固化腔室的流 速;气流子系统，该气流子系统构造成在固化将C〇2作为反应物消耗的材料的时间段中使气 体循环穿过固化腔室;溫度控制子系统，该溫度控制子系统构造成控制腔室内的气体的溫 度;湿度控制子系统，该湿度控制子系统构造成控制腔室内的气体的湿度，W提高或降低湿 度；W及至少一个控制器，该至少一个控制器与二氧化碳源、气流子系统、溫度控制子系统 及湿度控制子系统中的至少一个连通;并且至少一个控制器构造成在固化将C〇2作为反应 物消耗的材料的时间段内单独控制气态二氧化碳的流速、气体穿过固化腔室的循环、气体 溫度及气体湿度中的至少相应的一个。
[0039] 在一个实施例中，固化腔室构造成其中含有高于大气压力的气体压力。
[0040] 在另一实施例中，至少一个流量控制装置包括压力调节器及流量控制器中的至少 一个，所述压力调节器及流量控制器中的至少一个构造成W大致等于在固化期间将C〇2作 为反应物消耗的材料对二氧化碳的消耗率的速率供应二氧化碳气体。
[0041] 在又一实施例中，所述至少一个流量控制装置包括压力调节器及流量控制器中的 至少一个，所述压力调节器及流量控制器中的至少一个构造成在2-120分钟的时间段中W 足W从所述固化腔室清除环境空气的速率供应二氧化碳气体，W获得W体积计50-90%的 目柄;C〇2浓度。
[0042] 在又另一实施例中，其中所述至少一个流量控制装置包括压力调节器及流量控制 器中的至少一个，所述压力调节器及流量控制器中的至少一个构造成W大致等于从所述固 化腔室排出所述气体的速率的速率供应二氧化碳气体。
[0043] 在进一步实施例中，气流子系统包括测量装置，该测量装置构造成测量存在于固 化腔室中的气体中的二氧化碳的量。
[0044] 在一个实施例中，气流子系统包括测量装置，该测量装置构造成测量存在于固化 腔室中的气体的气体速度。
[0045] 在一个实施例中，构造成测量气体速度的测量装置选自皮托管、孔板、流速计和激 光多普勒检测系统中的一个。
[0046] 在一个实施例中，气流子系统包括变速鼓风机，该变速鼓风机构造成在固化腔室 中W所需速度循环气体。
[0047] 在又进一步实施例中，溫度控制子系统包括溫度传感器，该溫度传感器构造成测 量固化腔室中的气体的溫度。
[0048] 在额外实施例中，溫度控制子系统包括热交换器W调节固化腔室中的气体的溫 度。
[0049] 在再一个实施例中，溫度控制子系统包括热交换器W控制经由固化腔室中的气体 入口提供至固化腔室的气态二氧化碳的溫度。