一种微纳米无机胶凝材料及其制备方法与流程

本发明涉及绿色节能环保建筑材料技术领域，尤其涉及一种微纳米无机胶凝材料及其制备方法。

背景技术：

随着我国城镇化进程不断加快，建筑垃圾生产量持续增加，占城市垃圾的30％～40％，造成了严重的生态危机。长期以来，因缺乏统一完善的建筑垃圾管理办法，缺乏科学有效、经济可行的处置技术，建筑垃圾绝大部分未经任何处理，便被运往市郊露天堆放或简易填埋，存量建筑垃圾已达到200多亿吨。我国建筑产业正处于快速发展时期，建筑垃圾资源化推进严重滞后，目前资源化利用率不足5％，远远低于欧盟(90％)、日本(97％)和韩国(97％)等发达国家和地区。建筑垃圾资源化利用事关城市生态环境的协调发展，我国建筑垃圾的综合利用已刻不容缓。

常用地坪材料，以环氧树脂为粘结剂，不能抵抗较重的地下潮气，容易鼓包，破裂，脱落；抗划伤性能较差，必须经常保持地面洁净；耐高温性能较差，最高耐受温度约为80℃；环氧树脂地坪抗紫外线能力较差，不能长期应用于室外，否则会加速老化，如变色、降低强度，甚至粉化、脱层等。

常用的内、外墙装饰材料中，水泥其饰面砂浆容易泛碱、开裂；真石漆涂料容易黄变、发花、泛碱、褪色；磁砖铺粘易剥落，外墙干挂不耐大风，抗震性差；墙体有机涂料耐久性差，需要经常更新维护。

屋面是屋顶最上面的表面层次，要承受施工荷载和使用时的维修荷载，以及自然界风吹、日晒、雨淋、大气腐蚀等的长期作用，因此屋面材料应有一定的强度、良好的防水性和耐久性能。当对屋顶有保温隔热要求时，需要在屋顶中设置相应的保温隔热层，以防止外界温度变化对建筑物室内空间带来影响。因此，屋面结构为多层材料，每一层材料由于热膨胀系数的差异，造成屋面需要经常性的翻修。

人造大理石是以不饱和聚酯树脂为粘结剂，配以天然大理石或方解石、白云石、硅砂、玻璃粉等无机物粉料，以及适量的阻燃剂、颜色等，经配料混合、浇铸、振动压缩、挤压等方法成型固化制成的一种人造石材。一些生产厂家为了降低成本，在制造过程中利用劣质材料，应用含甲醛、苯等有害物质，有的甚至直接加入有机溶剂，采用重金属劣质材料，制造出了大量的“毒大理石”，而人造大理石的伤害也主要表现在由劣质材料产生的污染上。

现有的建筑装饰材料中，大部分以有机高分子作为粘结剂，施工时往往需要掺加甲醛等有机溶剂，此类有机溶剂的挥发会对人体造成较大的伤害。

水泥作为建筑中常用的无机胶凝材料，其生产工艺为“两磨一烧”。水泥的细度是水泥活性的一项重要技术指标，水泥标准(gb175-2007)关于细度规定：比表面积大于300m²/kg，80微米方孔筛余小于10％或45微米筛余小于30％。但是现有水泥一般只能起到胶凝作用，混凝土材料如果想获得其他性能，需要添加额外功能材料，成本较高；且水泥与功能材料之间的匹配度很难明确。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种微纳米无机胶凝材料及其制备方法。本发明提供的微纳米无机胶凝材料，使用时，在不添加其它额外功能材料，具有优异的胶凝性能、抗压强度和导热性。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种微纳米无机胶凝材料，以si、al、fe、ca、k、mg、ti和na的摩尔分数之和为100％计，由包含以下摩尔分数含量元素的原料制备得到：si11.48～40％，al6.40～30％，fe1.90～20％，ca0.3～30％，k0.22～5％，mg0.05～3％，ti0.40～3％，na0.05～2％。

优选地，所述微纳米无机胶凝材料的平均粒径为500～1000nm。

优选地，包含si、al、fe、ca、k、mg、ti和na元素的原料类型包括氧化物、氢氧化物、碳酸盐、硝酸盐或硫酸盐。

本发明还提供了上述技术方案所述微纳米无机胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：

根据所述元素摩尔分数含量称量原料，混合得到混合原料；

将所述混合原料经熔融、气雾化，得到微纳米无机胶凝材料。

优选地，所述熔融的温度为1400～1700℃，时间为30～60min。

优选地，所述混合原料熔融后的流动速度为5～30g/s。

优选地，所述气雾化的压力为0.7～1.0mpa。

优选地，所述气雾化的喷嘴孔径为0.5～10μm。

本发明提供了一种微纳米无机胶凝材料，以si、al、fe、ca、k、mg、ti和na的摩尔分数之和为100％计，由包含以下摩尔分数含量元素的原料制备得到：si11.48～40％，al6.40～30％，fe1.90～20％，ca0.3～30％，k0.22～5％，mg0.05～3％，ti0.40～3％，na0.05～2％。本发明提供的微纳米无机胶凝材料在各元素的共同作用下，使微纳米无机胶凝材料不仅具有优异的胶凝作用，还具有优异的强度和保温隔热性。从实施例可以看出，本发明提供的微纳米无机胶凝材料的平均粒径为500～1000nm，28天抗压强度为60～80mpa，初凝时间为50～60min，终凝时间为450～550min；导热系数为0.2～0.3w/(m·k)。

进一步地，将微纳米无机胶凝材料的平均粒径控制为500～1000nm，使微纳米无机胶凝材料在胶凝其它材料时，能够更好地将材料黏结起来；同时，微纳米无机胶凝材料的极小粒径，也保证了材料之间孔隙少，避免了材料与外界空气的接触，形成密闭的空间结构，进一步提高了微纳米无机胶凝材料的保温隔热性。

附图说明

图1为实施例1中微纳米无机胶凝材料的扫描电镜图片；

图2为实施例1中微纳米无机胶凝材料的大倍率扫描电镜图片。

具体实施方式

本发明提供了一种微纳米无机胶凝材料，以si、al、fe、ca、k、mg、ti和na的摩尔分数之和为100％计，由包含以下摩尔分数含量元素的原料制备得到：si11.48～40％，al6.40～30％，fe1.90～20％，ca0.3～30％，k0.22～5％，mg0.05～3％，ti0.40～3％，na0.05～2％。

以si、al、fe、ca、k、mg、ti和na的摩尔分数之和为100％计，本发明制备微纳米无机胶凝材料的原料中包含摩尔分数含量为11.48～40％的si元素，优选为15.5～31.14％，更优选为20.3～28.5％。在制备上述微纳米无机胶凝材料时，所述硅元素优选以含硅物质的形式添加。本发明对所述含硅的物质的来源及类型没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的含硅物质，同时，保证原料中硅元素和其它元素的含量范围在所述范围内即可，具体但不局限于二氧化硅、硅酸钠、单质硅或硅酸钙中的一种或多种。

以si、al、fe、ca、k、mg、ti和na的摩尔分数之和为100％计，本发明制备微纳米无机胶凝材料的原料中包含摩尔分数含量为6.40～30％的al元素，优选为10～22.91％，更优选为15～20％。在制备上述微纳米无机胶凝材料时，所述铝元素优选以含铝物质的形式添加。本发明对所述含铝物质的来源和类型没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的含铝物质，只要保证原料中铝元素和其它元素的含量范围在所述范围内即可，具体但不限于铝锭、三氧化二铝或偏铝酸钠。

以si、al、fe、ca、k、mg、ti和na的摩尔分数之和为100％计，本发明制备微纳米无机胶凝材料的原料中包含摩尔分数含量为1.90～20％的fe元素，优选为5～18.51％，更优选为10～15％。在制备上述微纳米无机胶凝材料时，所述铁元素优选以含铁物质的形式添加。本发明对所述含铁物质的来源和类型没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的含铁物质，只要保证原料中铁元素和其它元素的含量范围在所述范围内即可，具体但不限于铁锭、三氧化二铁或四氧化三铁。

以si、al、fe、ca、k、mg、ti和na的摩尔分数之和为100％计，本发明制备微纳米无机胶凝材料的原料中包含摩尔分数含量为0.3～30％的ca元素，优选为1～25.1％，更优选为10～20％。在制备上述微纳米无机胶凝材料时，所述钙元素优选以含钙物质的形式添加本发明对所述含钙物质的来源和类型没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的含钙物质，只要保证原料中钙元素和其它元素的含量在所述范围内即可，具体但不限于石灰或硅酸钙。

以si、al、fe、ca、k、mg、ti和na的摩尔分数之和为100％计，本发明制备微纳米无机胶凝材料的原料中包含摩尔分数含量为0.22～5％的k元素，优选为0.5～4％，更优选为2～3.1％。在制备上述微纳米无机胶凝材料时，所述钾元素优选以含钾物质的形式添加。本发明对含钾物质的来源和类型没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的含钾物质，同时保证原料中钾元素和其它元素的含量在所述范围内即可，具体但不限于碳酸钾、氧化钾或硅酸钾。

以si、al、fe、ca、k、mg、ti和na的摩尔分数之和为100％计，本发明制备微纳米无机胶凝材料的原料中包含摩尔分数含量为0.05～3％的mg元素，优选为0.5～2.5％，更优选为1.0～1.92％。在制备上述微纳米无机胶凝材料时，所述镁元素优选以含镁物质的形式添加。本发明对所述含镁物质的来源和类型没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的含镁物质，同时保证原料中镁元素和其它元素的含量在所述范围内即可，具体但不限于氧化镁、碳酸镁或镁锭。

以si、al、fe、ca、k、mg、ti和na的摩尔分数之和为100％计，本发明制备微纳米无机胶凝材料的原料中包含摩尔分数含量为0.4～3％的ti元素，优选为1.0～2.5％，更优选为1.5～1.8％。在制备上述微纳米无机胶凝材料时，所述钛元素优选以含钛物质的形式添加。本发明对所述含钛物质的来源和类型没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的含钛物质，同时保证原料中钛元素和其它元素的含量在所述范围内即可，具体但不限于二氧化钛或钛单质。

以si、al、fe、ca、k、mg、ti和na的摩尔分数之和为100％计，本发明制备微纳米无机胶凝材料的原料中包含摩尔分数含量为0.05～2％的na元素，优选为0.1～1.5％，更优选为1.0～1.4％。在制备上述水泥时，所述钠元素优选以含钠物质的形式添加。本发明对所述含钠物质的来源和类型没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的含钠物质，同时保证原料中钠元素和其它元素的含量在所述范围内即可，具体但不限于氧化钠或碳酸钠。

在本发明中，所述微纳米无机胶凝材料的平均粒径优选为500～1000nm。在本发明中，所述微纳米无机胶凝材料在所有元素的共同作用下，保证了微纳米无机胶凝材料具有优异的胶凝作用和隔热保温性能。进一步地，将微纳米无机胶凝材料的平均粒径控制为500～1000nm，在胶凝其它材料时，微纳米无机胶凝材料能够更好地将其它材料黏结起来；同时，微纳米无机胶凝材料的极小粒径，也保证了材料之间孔隙少，避免材料与外界空气的接触，形成密闭的空间结构，进一步提高了微纳米无机胶凝材料的保温隔热性。

本发明还提供了上述技术方案所述微纳米无机胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：

根据所述元素摩尔分数含量称量原料，混合得到混合原料；

将所述混合原料经熔融、气雾化，得到微纳米无机胶凝材料。

本发明根据所述元素摩尔分数含量称量原料，混合得到混合原料。在本发明中，所述原料优选选自包括上述技术方案中元素的原料。在本发明的实施例中，所述原料优选包括以下摩尔分数含量的物质：硅单质26.14％，铝锭22.91％，铁单质18.51％，氧化钙25.1％，氧化镁1.04％，氢氧化钠1.4％，氢氧化钾3.1％，氧化钛1.8％；二氧化硅26.14％，三氧化二铝10％，三氧化二铁7.5％，碳酸钙20％，氧化镁1.0％，碳酸钠0.5％，氢氧化钾0.5％，氧化钛2.5％；二氧化硅11.48％，三氧化二铝15％，三氧化二铁10％，碳酸钙30％，氧化镁1.92％，碳酸钠0.55％，氢氧化钾4.5％，氧化钛1.0％；二氧化硅40％，三氧化二铝3.2％，三氧化二铁10％，碳酸钙30％，氧化镁1.1％，碳酸钠0.5％，氢氧化钾0.5％，氧化钛1.0％；二氧化硅40％，三氧化二铝15％，三氧化二铁1.0％，碳酸钙20％，氧化镁1.0％，碳酸钠0.5％，氢氧化钾5％，氧化钛1％。

得到混合原料后，本发明将所述混合原料经熔融、气雾化，得到微纳米无机胶凝材料。

在本发明中，所述熔融的温度优选为1400～1700℃，更优选为1450～1600℃，最优选为1500～1550℃；所述熔融的时间优选为30～60min，更优选为35～50min，最优选为40～45min。

在本发明中，所述混合原料熔融后的流动速度优选为5～30g/s，更优选为10～25g/s，最优选为15～20g/s。

在本发明中，所述气雾化的压力优选为0.7～1.0mpa，更优选为0.75～0.95mpa，最优选为0.8～0.9mpa。在本发明中，所述气雾化的喷嘴直径优选为0.5～10μm，更优选为1～8μm，最优选为5～6μm。

本发明对进行熔融和气雾化的设备没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的熔融和气雾化装置即可。

本发明采用熔融、气雾化制备微纳米无机胶凝材料，相比传统的“两磨一烧”，步骤简单和易操作；同时，制备的微纳米无机胶凝材料为平均粒径为500～1000nm的类球形粉末，保证了微纳米无机胶凝材料具有胶凝作用的同时，赋予了微纳米无机胶凝材料隔热保温的性能。

下面结合实施例对本发明提供的微纳米无机胶凝材料及其制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

一种微纳米无机胶凝材料，以si、al、fe、ca、k、mg、ti和na的摩尔分数之和为100％计，由包含以下摩尔分数含量元素的原料制备得到：si26.14％，al22.91％，fe18.51％，ca25.1％，k3.1％，mg1.04％，ti1.8％，na1.4％。

上述微纳米无机胶凝材料的制备方法为：

按以下摩尔百分含量称取原料：硅单质26.14％，铝锭22.91％，铁单质18.51％，氧化钙25.1％，氧化镁1.04％，氢氧化钠1.4％，氢氧化钾3.1％，氧化钛1.8％混合，得到混合原料；将混合原料于1400℃熔融60min，熔融后的混合原料以10g/s的速度流动至气雾化装置喷嘴进行气雾化，得到微纳米无机胶凝材料；其中气雾化的压力为1.0mpa，气雾化的喷嘴直径为1μm。

采用粒度测试仪测量本实施例所得微纳米无机胶凝材料的平均粒径为600nm；

采用不同倍率的扫描电镜观察本实施例中微纳米无机胶凝材料的微观结构，结果如图1和图2所示；从图1和图2可以看出：本实施例制备的微纳米无机胶凝材料为类球形。

采用通用硅酸盐水泥gb175-2007方法测试本实施例中微纳米无机胶凝材料的初凝时间为60min，终凝时间为450min。

采用通用硅酸盐水泥gb175-2007测试本实施例中微纳米无机胶凝材料的28天抗压强度，测试结果为：28天抗压强度为80mpa。

采用gb/t10294方法测试本实施例中微纳米无机胶凝材料的导热系数，测试结果为：本实施例所述微纳米无机胶凝材料的导热系数为0.25w/(m·k)，说明本实施例的微纳米无机胶凝材料具有优异的隔热保温性。

实施例2

一种微纳米无机胶凝材料，以si、al、fe、ca、k、mg、ti和na的摩尔分数之和为100％计，由包含以下摩尔分数含量元素的原料制备得到：si40％，al20％，fe15％，ca20％，k0.5％，mg1.0％，ti2.5％，na1.0％。

上述微纳米无机胶凝材料的制备方法为：

按以下摩尔百分含量称取原料：二氧化硅26.14％，三氧化二铝10％，三氧化二铁7.5％，碳酸钙20％，氧化镁1.0％，碳酸钠0.5％，氢氧化钾0.5％，氧化钛2.5％混合，得到混合原料；将混合原料于1500℃熔融30min，熔融后的混合原料以25g/s的速度流动至气雾化装置喷嘴进行气雾化，得到微纳米无机胶凝材料；其中气雾化的压力为0.7mpa，气雾化的喷嘴直径为5μm。

采用与实施例1相同的方法测量本实施例的微纳米无机胶凝材料的平均粒径为650nm；

本实施例所得微纳米无机胶凝材料的扫描电镜图片与实施例1类似，说明本实施例所得微纳米无机胶凝材料为类球形。

采用与实施例1相同的方法测试本实施例微纳米无机胶凝材料的胶凝性、28天抗压强度和导热系数，结果为：微纳米无机胶凝材料的初凝时间为65min，终凝时间为460min；28天抗压强度为63mpa；导热系数为0.205w/(m·k)。

实施例3

一种微纳米无机胶凝材料，以si、al、fe、ca、k、mg、ti和na的摩尔分数之和为100％计，由包含以下摩尔分数含量元素的原料制备得到：si11.48％，al30％，fe20％，ca30％，k4.5％，mg1.92％，ti1.0％，na1.1％。

上述微纳米无机胶凝材料的制备方法为：

按以下摩尔百分含量称取原料：二氧化硅11.48％，三氧化二铝15％，三氧化二铁10％，碳酸钙30％，氧化镁1.92％，碳酸钠0.55％，氢氧化钾4.5％，氧化钛1.0％混合，得到混合原料；将混合原料于1500℃熔融30min，熔融后的混合原料以15g/s的速度流动至气雾化装置喷嘴进行气雾化，得到微纳米无机胶凝材料；其中气雾化的压力为0.7mpa，气雾化的喷嘴直径为5μm。

采用与实施例1相同的方法测量本实施例的微纳米无机胶凝材料的平均粒径为700nm；

本实施例所得微纳米无机胶凝材料的扫描电镜图片与实施例1类似，说明本实施例所得微纳米无机胶凝材料为类球形。

采用与实施例1相同的方法测试本实施例微纳米无机胶凝材料的胶凝性、28天抗压强度和导热系数，结果为：微纳米无机胶凝材料的初凝时间为60min，终凝时间为450min；28天抗压强度为65mpa；导热系数为0.23w/(m·k)。

实施例4

一种微纳米无机胶凝材料，以si、al、fe、ca、k、mg、ti和na的摩尔分数之和为100％计，由包含以下摩尔分数含量元素的原料制备得到：si40％，al6.4％，fe20％，ca30％，k0.5％，mg1.1％，ti1.0％，na1.0％。

上述微纳米无机胶凝材料的制备方法为：

按以下摩尔百分含量称取原料：二氧化硅40％，三氧化二铝3.2％，三氧化二铁10％，碳酸钙30％，氧化镁1.1％，碳酸钠0.5％，氢氧化钾0.5％，氧化钛1.0％混合，得到混合原料；将混合原料于1500℃熔融30min，熔融后的混合原料以20g/s的速度流动至气雾化装置喷嘴进行气雾化，得到微纳米无机胶凝材料；其中气雾化的压力为1.0mpa，气雾化的喷嘴直径为5μm。

采用与实施例1相同的方法测量本实施例的微纳米无机胶凝材料的平均粒径为600nm；

本实施例所得微纳米无机胶凝材料的扫描电镜图片与实施例1类似，说明本实施例所得微纳米无机胶凝材料为类球形。

采用与实施例1相同的方法测试本实施例微纳米无机胶凝材料的胶凝性、28天抗压强度和导热系数，结果为：微纳米无机胶凝材料的初凝时间为50min，终凝时间为450min；28天抗压强度为67mpa；导热系数为0.26w/(m·k)。

实施例5

一种微纳米无机胶凝材料，以si、al、fe、ca、k、mg、ti和na的摩尔分数之和为100％计，由包含以下摩尔分数含量元素的原料制备得到：si40％，al30％，fe2.0％，ca20％，k5％，mg1.0％，ti1.0％，na1.0％。

上述微纳米无机胶凝材料的制备方法为：

按以下摩尔百分含量称取原料：二氧化硅40％，三氧化二铝15％，三氧化二铁1.0％，碳酸钙20％，氧化镁1.0％，碳酸钠0.5％，氢氧化钾5％，氧化钛1％混合，得到混合原料；将混合原料于1600℃熔融30min，熔融后的混合原料以15g/s的速度流动至气雾化装置喷嘴进行气雾化，得到微纳米无机胶凝材料；其中气雾化的压力为0.9mpa，气雾化的喷嘴直径为10μm。

采用与实施例1相同的方法测量本实施例的微纳米无机胶凝材料的平均粒径为800nm；

本实施例所得微纳米无机胶凝材料的扫描电镜图片与实施例1类似，说明本实施例所得微纳米无机胶凝材料为类球形。

采用与实施例1相同的方法测试本实施例微纳米无机胶凝材料的胶凝性、28天抗压强度和导热系数，结果为：初凝时间为60min，终凝时间为550min；28天抗压强度为60mpa，导热系数为0.3w/(m·k)。

本发明的微纳米无机胶凝材料在各元素的共同作用下，具有优异的胶凝作用、强度和保温隔热性。从实施例可以看出，本发明提供的微纳米无机胶凝材料的平均粒径为500～1000nm，28天抗压强度为60～80mpa，初凝时间为50～60min，终凝时间为450～550min；导热系数为0.2～0.3w/(m·k)。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。