专利名称：粘合剂组合物的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种适合用于在建筑产品中使用的水泥粘合剂。
咸认为‘温室气体’、并且主要是二氧化碳(CO2)的排放导致了地球大气温度和地表温度的上升——通常称为‘全球变暖’的一种现象。预测此类温度上升会具有严重的环境后果。造成人造CO2的这种增加的主要原因是化石燃料如煤和石油的燃烧。
波特兰水泥是在这一时期常用的最常见类型的水泥。它是混凝土、砂浆以及非专用灰浆的一种必需元素。波特兰水泥由超过90%的波特兰水泥熟料，高达5%的石膏以及高达5%的其他少量成分组成。波特兰水泥熟料是主要由硅酸二钙(2Ca0.Si02)、硅酸三钙(3Ca0.Si02)、铝酸三钙(3Ca0.Al2O3)以及铁铝酸钙(4Ca0.Al2O3 Fe2O3)相组成的一种水硬性材料。氧化镁(MgO)也可以存在于波特兰水泥中，尽管按质量计它的量必须不超过5%，因为它的延迟的水合被认为会使混凝土产生缺陷。将石膏(CaSO4.2H20)添加至波特兰水泥熟料之中来控制它的凝结时间，并且研磨混合物以提供一种精细粉末。在与水反应时，水泥的多种成分进行水合，从而形成一种固态复合硅酸钙水合物凝胶以及其他相。
波特兰水泥的制造是一种高度能源密集型工艺，该工艺涉及将大量原材料加热至1450°C左右。除了将化石燃料燃烧达到这些温度而产生的CO2之外，在制作波特兰水泥中使用的基本原材料是碳酸钙(石灰石，CaCO3),并且碳酸钙在处理过程中分解成氧化钙，从而释放另外的地质封存的C02。因此，对于生产的每吨水泥来说，波特兰水泥的制造典型地排放近似0.8吨二氧化碳并且造成了所有人为CO2排放的近似5%。
除了减少CO2排放的固有益处之外，水泥工业的CO2排放有可能被规范来试图减少环境损害。因此，存在开发一种新范围的水泥质粘合剂的真实需要，该范围的水泥质粘合剂与最小或甚至负CO2排放相关联。
基于除氧化钙和硅酸盐之外的系统的粘合剂是已知的。例如，索瑞尔水泥(镁氧氯水泥或镁氧水泥)是水泥粘合剂的一个实例，该水泥粘合剂包含氧化镁(烧结氧化镁，MgO)和氯化镁连同填料材料像砂或碎石的混合物。索瑞尔水泥凝结成一种十分硬的耐磨材料并且因此被用于磨石、贴砖、人造石(铸石)以及铸板，在这些应用中，该水泥具有高耐磨损性。然而，它的主要缺点是它的耐水性差，从而使得它不适合于外部施工应用。
其他基于镁的水泥包括硫氧镁水泥以及磷酸镁水泥,但这两者均具有缺点，前者具有较差的耐水性并且后者凝结十分之快以致于它很难以工作。
GB 1160029披露了 基于将氧化镁(MgO)、氯化钠(NaCl)或硝酸钠(NaNO3)与碳酸钙(CaCO3)相混合的水泥。CaCO3用作一种“慢化物质”来使得盐和MgO能够进行凝结所必需的化学反应，这些化学反应与其他索瑞尔水泥的那些反应相似。这些水泥要求使用硬烧MgO，该硬烧MgO —般通过高温处理(约IOO(TC)菱镁矿(MgCO3)来产生，这引起CO2不仅从菱镁矿的煅烧中排放，而且还从化石燃料的燃烧中排放。
US 5897703披露了基于将MgO与一种硬化剂碳酸丙烯酯相混合的粘合剂组合物。所使用的氧化镁可以是轻烧和硬烧MgO的任何混合物。已知的是，在存在水下，碳酸丙烯酯分解成二氧化碳和丙二醇，并且因此碳酸丙烯酯的添加提供了将氧化镁碳酸盐化的CO2的来源。
US 6200381披露了一种得自白云石(一种碳酸镁和碳酸钙矿物；MgC03.CaCO3)的干粉状水泥组合物。将白云石加热以便将MgCO3中脱碳酸盐化，这样使得该组合物含有CaCO3和部分脱碳酸盐化的MgCO3 (B卩，MgCOjPMgO的一种混合物)。该组合物中可以包括某些添加剂(例如，硫酸铝(Al2 (SO4) 3)、柠檬酸、硫酸(H2SO4)、NaCl等)，这些添加剂在添加水时有助于组合物凝结；该水可以是污水，例如，海水。水泥组合物的CaCO3组分与所使用的若干指定添加剂发生反应。例如，添加H2SO4将与CaCO3发生反应，从而生成水合CaSO4 (例如，CaSO4.2H20)以及C02。释放的CO2有助于MgO和Mg(OH)2的碳酸盐化。在对白云石进行热处理之前可以添加NaCl以便降低MgCO3的脱碳酸盐化温度，并且该NaCl在粘合剂组合物中作为一种添加剂，其中NaCl显现出有助于实现组合物的早期强度，这可能归因于与MgO的反应(索瑞尔水泥型反应)。CaCO3充当一种“慢化物质”来使得NaCl和MgO能够进行必要的化学反应(参见上述GB 1160029)。
US 1867180描述了一种基于消石灰(Ca(OH)2)的水泥组合物，该水泥组合物含有小于1%的MgO和NaCl。
US 1561473披露了在用气态或溶解的CO2处理骨料和氧化镁的一种湿混合物时，该湿混合物的抗张强度得 以改进。组合物必须在湿时暴露在CO2下，并且该专利披露了将该湿混合物暴露在具有潮湿CO2的一个特殊氛围中。
WO 01/55049披露了一种干粉状水泥组合物，该混合物含有MgO，一种水硬性水泥组分如波特兰水泥、索瑞尔水泥或铝酸钙水泥以及任选地各种火山灰材料。所传授的水泥组合物还可以含有各种添加剂如硫酸亚铁(FeS04)、硅酸钠或硅酸钾或铝酸钠或铝酸钾、磷酸(H3PO4)或磷酸盐、硫酸铜(CuSO4)以及各种其他有机聚合物和树脂如聚乙酸乙烯酯(PVA)、乙酸乙烯酯-乙烯、苯乙烯-丙烯酸丁酯、丙烯酸丁酯-丙烯酸甲酯以及苯乙烯-丁二烯。氧化镁通过低温煅烧而获得。
GB 529128披露了将碳酸镁用作一种隔热材料；碳酸镁由含有镁盐的浓缩海水通过用碱金属碳酸盐来沉淀这些盐而制得，它形成了可以凝结的针状晶体。此类晶体的浆料在放置到一个模具中时将凝结，从而提供作为隔热有用的平板或区块。如果碱金属碳酸盐中存在任何碳酸氢盐离子，那么上述反应中将形成碳酸氢镁，从而减缓凝结反应。为了抵消这一点，可以添加1%至5%的氧化镁，从而将碳酸氢盐沉淀为碳酸镁。
US 1819893和US 1971909均披露了将氢氧化镁或氢氧化镁与碳酸钙的混合物用作隔热材料，因为这种氢氧化镁是轻质且高度絮凝的。
US 5927288披露了水菱镁矿和氢氧化镁的一种混合物在并入一种卷烟纸中时会减少侧流烟雾。水菱镁矿/氢氧化镁组合物具有一个玫瑰花形形态，并且通过添加一种强碱例如氢氧化钾，水菱镁矿/氢氧化镁混合物从碳酸氢镁和可能的其他可溶性镁盐的溶液中沉淀出来。
EP 0393813和WO 01/51554涉及用于塑料的阻燃剂。EP 0393813披露了碳酸钙与碳酸镁的一种复盐(例如，白云石)、水菱镁矿以及氢氧化镁的混合物可以为热塑性塑料(例如，电线的护套)提供阻燃性。WO 01/51554传授了将包括水菱镁矿和氢氧化镁在内的各种镁盐添加至聚合物中。
US 2009/0020044披露了通过海水捕获二氧化碳，从而沉淀出碳酸盐，这些碳酸盐可以用于水硬性水泥之中；多达10%的包括氧化镁或氢氧化镁的pH调节材料可以添加至水泥中来调节pH。
JP 2006076825涉及减少从发电站排放和由钢铁工业排放的CO2的量。该专利提出通过与氢氧化铵反应来捕获CO2以便形成碳酸铵:
2NH40H+C02— (NH4) aC03+H20
同时，氯化镁通过使氧化镁与盐酸反应而制得:
Mg0+2HC1—MgCl2+H20
氯化镁与碳酸铵发生反应，沉淀出碳酸镁，从而留下含有溶解的氯化铵的液体；
(NH4) 2C03+MgCl2—2NH4Cl+MgC03
沉淀的碳酸镁被过滤出来并且用作水泥组分，同时氯化铵液体经过处理重新生成氢氧化铵和盐酸。
WO 2008/148055披露了包含一种碳酸盐化合物组合物例如由盐水获得的碳酸盐化合物组合物的水泥组合物。所述组合物还可以尤其包含人工或天然火山灰。然而，所披露的由三种不同碳酸钙(六方碳钙石、霰石以及方解石)和氢氧化镁(水镁石)组成的这些组合物与在此披露的那些组合物不同。
WO 2010/006242除其他之外披露了用于从二氧化碳和通过消化金属硅酸盐产生的二价阳离子的一个来源生产各种材料的多种方法，这些材料包括火山灰、水泥以及混凝土。优选地，将各种材料设计成掺混到波特兰水泥之中。然而，并不存在对在此所要求的改进的粘合剂组合物或其益处的明确披露。
WO 2010/039903和WO 2010/048457均披露了用于在多种建筑材料和建筑应用中使用的碳足迹减少的混凝土组合 物。这些组合物显现出是一种二氧化碳封存组分和一种常规水硬性水泥如波特兰水泥的一种掺混物，该二氧化碳封存组分包含一种碳酸盐、碳酸氢盐或其混合物(得自海水)。在具有极少组合物数据的非常概括的披露中，还传授可以采用水镁石(氢氧化镁)。然而，再次显现出不存在在此披露的组合物的明确披露。
我们共同待决的申请WO 2009/156740披露了基于氧化镁(MgO)和具有以下形式的特殊碳酸镁的一种水泥粘合剂组合物:
X MgCO3.y Mg (OH) 2.z H2O
其中X是大于I的一个数值,并且y或z中的至少一个是大于O的一个数值；x、y以及z可以是(但不必是)整数。该组合物还可以包含一种吸湿性材料如氯化钠。这种水泥组合物的水合引起了氢氧化镁和水合的碳酸镁的一种混合物的产生。虽然该申请大体上传授了任选地添加硅质材料或一种骨料，但并未作出对具有在此所要求的特定配制品的具体传授。
我们现已发现:在一个给定水平的用水量上，通过添加规定量的另一组分可以出人意料地并显著地改进用这些水泥粘合剂制作的产品的结构强度，该另一组分包含一种或多种含有二氧化硅和/或氧化铝的材料。
根据本发明，因此提供了一种水泥粘合剂，该水泥粘合剂包含:
(a)按重量计30%至80%的一种第一组分，该第一组分包含MgO和至少一种碳酸镁，该碳酸镁具有以下通式:
w MgCO3.X Mg0.y Mg (OH) 2.z H2O (A)
其中W是等于或大于I的一个数值，X、y或z中的至少一个是大于O的一个数值；并且W、x、y以及z可以是(但不必是)整数；和
(b)按重量计20%至70%的一种第二组分，该第二组分包含至少一种含有二氧化硅和/或氧化铝的材料。
优选地，该第二组分构成按重量计该水泥粘合剂的20%至60%，更优选25%至45%并且最优选25%至40%。示例性的优选水泥粘合剂还是含有按重量计40%至60%的第一组分和40%至60%的第二组分、最优选45%至55%的第一组分和45%至55%的第二组分的那些水泥粘合剂。
水泥粘合剂的第一组分中的两种镁化合物的相对比例在一定程度上将取决于所采用的第二组分的量和所使用的碳酸镁的结晶程度。出于这种考虑，已发现:以下广泛的组合物范围产生一个有用的第一组分:
1.10% 至 95% 的 MgO
i1.5%至90%的具有化学式A的一种碳酸镁。
在这一广泛的范围内，以下六种典型的组合物范围是优选的:
权利要求
1.一种水泥粘合剂，其特征在于包含: (a)按重量计30%至80%的一种第一组分,该第一组分包含MgO和至少一种碳酸镁,该碳酸镁具有以下通式: w MgCO3.X Mg0.y Mg (OH) 2.z H2O (A) 其中w是等于或大于I的一个数值；x、y或z中的至少一个是大于O的一个数值并且W、X、y以及z可以是(但不必是)整数；和 (b)按重量计20%至70%—种第二组分，该第二组分包含至少一种含有二氧化硅和/或氧化铝的材料。
2.如权利要求1所述的水泥粘合剂，其特征在于所述组分各自构成按重量计的40%至60%。
3.如权利要求2所述的水泥粘合剂，其特征在于所述组分各自构成按重量计的45%至55%。
4.如权利要求1所述的水泥粘合剂，其特征在于所述第一组分包含按重量计10%至95%的MgO和按重量计5%至90%的碳酸镁。
5.如权利要求1所述的水泥粘合剂，其特征在于所述第一组分包含按重量计10%至30%的MgO和按重量计70%至90%的碳酸镁。
6.如权利要求1所述的水泥粘合剂，其特征在于所述第一组分包含按重量计40%至50%的MgO和按重量计50%至60 %的碳酸镁。
7.如权利要求1所述的水泥粘合剂，其特征在于所述第一组分包含按重量计30%至50%的MgO和按重量计50%至70%的碳酸镁。
8.如权利要求1所述的水泥粘合剂，其特征在于所述第一组分包含按重量计50%至60%的MgO和按重量计40%至50%的碳酸镁。
9.如权利要求1所述的水泥粘合剂，其特征在于所述第一组分包含按重量计50%至70%的MgO和按重量计30%至50%的碳酸镁。
10.如权利要求1所述的水泥粘合剂，其特征在于所述第一组分包含按重量计70%至90%的MgO和按重量计10%至30%的碳酸镁。
11.如权利要求1所述的水泥粘合剂，其特征在于该碳酸镁是选自碳氢镁石、碳氢镁石的热分解产物、或碳氢镁石与水菱镁矿和/或碳氢镁石的热分解产物的一种混合物。
12.如权利要求1所述的水泥粘合剂，其特征在于该第二组分包含基于它的总重量40%至 60% 的 SiO2 和 40% 至 60% 的 A1203。
13.如权利要求1所述的水泥粘合剂，其特征在于该第二组分包含至少一种铝硅酸盐。
14.如权利要求1所述的水泥粘合剂，其特征在于该第一和第二组分是由同一硅酸镁前体制成。
15.如权利要求14所述的水泥粘合剂，其特征在于该第一和第二组分得自同一碳酸盐化工艺。
16.如权利要求14或15所述的水泥粘合剂，其特征在于所采用的硅酸镁前体是一种橄榄石、蛇纹石或滑石。
17.混凝土，其特征在于它由如权利要求1所述的水泥粘合剂、骨料以及添加剂制成。
18.如权利要求17所述的混凝土，其特征在于使用了以下添加剂中的至少一种:增塑剂类、强塑剂类、促凝剂类、缓凝剂类以及加气剂类。
19.如权利要求 18所述的混凝土，其特征在于按对应于介于该水泥粘合剂的干重的0.5%与4%之间的量使用了一种强塑剂。
20.如权利要求1所述的水泥粘合剂或衍生自该水泥粘合剂的混凝土在建筑行业中的用途。
全文摘要
在此披露了新型水泥粘合剂，其特征在于包含按重量计30%至80%的一种第一组分，该第一组分包含MgO和至少一种碳酸镁，该碳酸镁具有以下通式w MgCO3.x MgO.y Mg(OH)2.z H2O(A)，其中w是等于或大于1的一个数值；x、y或z中的至少一个是大于0的一个数值，并且w、x、y以及z可以是(但不必是)整数；和按重量计20%至70%的一种第二组分，该第二组分包含至少一种含有二氧化硅和/或氧化铝的材料。它们可以用于生产相对于现有技术材料来说具有改进的结构特性的建筑材料(水泥、砂浆、灰浆等等)。具体来说，它们的制造与例如波特兰水泥相比是能源密集性更低的，从而使它们在它们的制造工艺具有一个相对低的碳足迹的意义上是环境友好的。
文档编号C04B28/10GK103153908SQ201180049678
公开日2013年6月12日 申请日期2011年8月8日 优先权日2010年9月2日
发明者阿姆塔·拉尼·德瓦拉杰, 海翔·李, 迭戈·阿方索·马丁内斯-维兰迪亚, 尼古劳斯·弗拉索普洛斯 申请人:Calix有限公司