专利名称：一种地质聚合物轻质多孔材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及地质聚合物材料及其制备领域。具体是一种地质聚合物轻质多孔材料及其制备方法。
背景技术：
地质聚合材料主要为碱激发地质聚合凝胶材料。碱基地质聚合材料研究比较早， 这类材料的应用可追溯到古代，即以高岭土、白云岩或石灰岩与盐湖成分Na2CO3、草木灰成分1(20)3以及硅石的混合物，加水拌和后产生强碱NaOH或K0H，与其它组分发生反应，生成矿物聚合粘结剂而制成人造石。地质聚合物作为一种无机聚合铝硅酸盐材料，因其优异的性能在世界范围内得到了广泛研究。由于其特殊的无机缩聚三维氧化物网络结构，使得地质聚合物材料在众多方面具有比高分子材料、水泥、陶瓷和金属更高的高温性能和机械性能。 同时，地质聚合物制备过程中的能耗和三废排放量都非常低，因此其对环境友好并且可以很好地被回收再利用，是一种可持续发展的“绿色环保材料”。J. Davidovits提出对这类碱激活材料统一进行命名，当时确定的名称是聚招娃酸盐(Polysialate, Sialate是silicon-oxo-aluminate的缩写)。应该说这个名称是比较贴切的，明确地体现出了这类材料的元素组成；之后不久，他又在另一篇美国专利中采用了一个更加通俗的名称“地质聚合物(Geopolymer) ”来指代聚铝硅酸盐；宾州大学教授 Della. M. Roy 于 1987 年在“Science”杂志上发表了名为“New strong cement materials chemically bonded ceramics”的综述性文章。文章以水泥为对比，详细阐述了化学键合陶瓷(碱激活聚铝硅酸盐材料)的优异性能，并对其应用前景进行了乐观的预测，进一步提高了各国争相研究地聚合物材料的热情。随后，地质聚合物科学迎来了其蓬勃发展的时期，性能被不断地提高，应用领域也不断地被拓宽。目前，世界上有许多专门研究机构如在致力于地聚物材料的研究工作，如法国的“Geopolymer Institute”和美国的“Waterways Experiment Station”、澳大利亚的“Geopolymer Alliance”等。有关地聚物科学的理论和应用研究成果正在快速增长。国内对人造矿物聚合物材料的研究起步较晚。参与地质聚合物研究的单位主要有清华大学、中国矿业大学、东南大学、北京科技大学、中国地质大学、广西大学等单位。在应用方面主要有以下成果中国地质大学的马鸿文等利用钾长石尾矿(钾长石15. 5%，斜长石 34. 0%，石英38. 0%，黑云母5. 0%，高岭石4. 8%，其它副矿物2. 0%)为主要原料，制备地质聚合物取得重要进展，实验样品的抗压强度达19.4-24.9 MPa (固化7-28 d)。北京科技大学利用首钢钢渣和高炉渣制备出了主要力学性能符合42. 5级水泥要求的地质聚合物材料， 而制备成本只有前者的1/2左右。并有望开发出主要力学性能达到62. 5级水泥要求的地质聚合物。西安建筑大学的王峰等对NaOH碱激发矿渣地质聚合物的早期力学性能、水化程度、活性Al和Si、碱度等进行了研究；中国矿业大学的贾屹海等以粉煤灰为硅铝成分的主要来源，制备了地质聚合物材料，通过工艺条件优化激发后陈化24-48h，固液混合搅拌时间10-15min，在60 — 80°C范围内湿法养护24h时间后，自然放置，制备的粉谋灰地质聚合物材料抗压强度可以达到27. 2MPa，28天可以达到42. 5MPa。上述研究中大都强调了地质聚合物的制备方法和力学性能，都没有涉及多孔材料的制备方法、性能和应用。通过检索，只有本发明申请人在发明专利“一种新型粘土类多孔材料及其制备方法(申请号200910113874. 7)”和“一种磷酸基地质聚合物多孔材料及其制备方法(申请号200910114099. 7)”中涉及到地质聚合物多孔材料的制备。本发明则是在“一种新型粘土类多孔材料及其制备方法”专利的基础上，通过添加铝粉发泡剂，调整硅铝比，降低发泡温度获得了性能更加容易控制的多孔材料；本发明与前述发明相比有明显的不同。本发明提出的制备方法属于添加造孔剂工艺来制备多孔地质聚合物材料，特别是发泡温度在40— 100°C，大大低于专利200910113874. 7中提出的150°C的发泡温度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，提供一种成本低、工艺简单、无毒无污染、原材料来源广泛的地质聚合物多孔材料及其制备方法。本发明解决上述技术问题的技术方案如下
I. 一种地质聚合物轻质多孔材料,该材料由固体粉末S和液体相L按照重量比I: I配成浆料后，以铝粉为发泡剂，在40 100°C温度条件下、一定形状的模具中经发泡，养护 4 8小时制备而成；其中固体相组成按100份重量份计为，偏高岭土 80 100份，氧化招或氢氧化招0 20份；液体相组分组成按100份重量份计为，水玻璃80 100份,水为 0 20份；铝粉为固体相粉体重量的0. 05% 0. 5% ；
上述的偏高岭土为200目以上的高岭土原矿粉体或经过水洗后的高岭土在600 900°C空气中煅烧2小时以上所得粉体；上述的氧化铝或氢氧化铝为细度大于200目的工业级粉体；上述的铝粉为粒度大于400目的工业级铝粉；上述水玻璃是模数为I. 0 I. 5的工业钠水玻璃或钾水玻璃；
上述多孔材料的抗压强度在I. 67 10. 86Mpa之间、显气孔率在35% 80%之间、体积密度在0. 30g/cm3 I. 24g/cm3之间，可耐800°C的高温。2. 一种地质聚合物轻质多孔材料的制备方法，其特征在于，操作步骤如下
1)按偏高岭土80 100份，氧化铝或氢氧化铝0 20份，在干粉搅拌机中搅拌均匀， 得到混合固体相粉体；
2)按重量份计水玻璃80 100份，水0 20份，混合均匀，得到混合液体相；
3)将将步骤I)的混合固体相粉体与将步骤2)的混合液体相混合均匀，得到浆料；
4)将固体相粉体重量0.05% 0. 5%的铝粉加入适量水制备成铝粉溶液。将步骤3)的浆料与铝粉溶液混合均匀，然后注入模具中，在40° C 100° C恒温箱中养护4 8h，获得气孔率为35 80%的地聚物基多孔材料；
5)脱模后的多孔材料经切割加工，获得所需材料。本发明提供了一种工艺简单，无毒无污染，成本低，原材料遍布世界各地的多孔材料的制备方法；该材料有望在保温材料、废气吸附材料，无机膜材料，能量吸收材料等领域得到应用。本发明的有益效果不仅工艺简单，无毒无污染，成本低，原材料遍布世界各地；而且具有制备温度低(在40 100°C范围)，制备的多孔材料气孔率可控，显气孔率可以达到SOvol %，抗压强度大于I. OMPa，能耐800°C的高温。由于该材料由浆料发泡制备，可以使其在不同模具中发泡而直接制备复杂形状的制品，简单易行。
具体实施例方式下面结合实施例对本发明作进一步的描述，但需要说明的是，实施例并不构成对本发明要求保护范围的限制。实施例I :
原料配比固体相S组分及份数(按100份重量计)配比如下
偏高岭土 100份；
氧化铝0份；
招粉为固体相粉体重量的0. 5% ；
液体相L组分及水的份数(按100份重量计)配比
水玻璃(模数为I. 2):90份；
水10份。具体的制备工艺如下
(1)固体相S:将细度为200目以上的高岭土粉体经过800° C空气中煅烧2小时得到偏闻岭土 ；
(2)液体相L:将市售钠水玻璃和NaOH混合，调节成I. 2模数的水玻璃待用；
(3)将固体相S和液体相L以I: I重量比混合，搅拌30分钟匀化后得到浆料；
(4)将固体相粉体重量的0.5%的铝粉加入适量水制备成铝粉溶液。将浆料与铝粉溶液混合均匀，然后注入铁质性模具中，置于80°C左右恒温箱，恒温发泡6小时后即可脱模；
(5)将所得多孔材料切割成规则的形状后测试其力学性能和孔结构，其基本指标如下 抗压强度为I. 6MPa，气孔率为80%左右。实施例2:
原料配比固体相S组分及份数(按100份重量计)配比如下
偏高岭土 90份；
氢氧化铝10份；
招粉为固体相粉体重量的0. 25% ；
液体相L组分及水的份数(按100份重量计)配比
水玻璃(模数为1.0): 80份；
水20份。具体的制备工艺如下
(1)固体相S:将细度为200目以上的高岭土原矿粉体经过800° C空气中煅烧2小时得到偏高岭土 ；将铝粉与适量的水混合均匀待用；
(2)液体相L:将模数为I. 0的水玻璃和水按比例混合均匀后待用；
(3)将固体相S和液体L以I:I重量比混合，搅拌30分钟匀化后得到浆料；
(4)将固体相粉体重量的0.25%的铝粉加入适量水制备成铝粉溶液。将浆料与铝粉溶液混合均匀，然后注入铁质模具中，置于40°C左右恒温箱，恒温发泡8小时后即可脱模；(5)将所得多孔材料切割成规则的形状后测试其力学性能和孔结构，其基本指标如下 抗压强度为3. 5MPa，气孔率为65%左右。实施例3:
原料配比固体相S组分及份数(按100份重量计)配比如下
偏高岭土 100份；
氢氧化铝0份；
招粉为固体相粉体重量的0. 05% ；
液体相L组分及水的份数(按100份重量计)配比
水玻璃(模数为I. 2) :100份；
水0份。具体的制备工艺如下
(1)固体相S:将细度为200目以上的高岭土粉体经过800° C空气中煅烧2小时得到偏闻岭土 ；
(2)液体相L:将模数为I. 2的水玻璃100份待用；
(3)将固体相S和液体L以I:I重量比混合，搅拌30分钟匀化后待用；
(4)将固体相粉体重量的0.05%的铝粉加入适量水制备成铝粉溶液。将浆料与铝粉水溶液混合均匀，然后注入铁质模具中，置于100°C左右恒温箱，恒温发泡4小时后即可脱模；
(5)将所得多孔材料切割成规则的形状后测试其力学性能和孔结构，其基本指标如下 抗压强度为10. 86Mpa，气孔率为35%左右。实施例4:
原料配比固体相S组分及份数(按100份重量计)配比如下
偏高岭土 80份；
氧化铝20份；
招粉为固体相粉体重量的0. 15% ；
液体相L组分及水的份数(按100份重量计)配比
水玻璃(模数为I. 5):85份
水15份；
具体的制备工艺如下
(1)固体相S:将细度为200目以上的高岭土粉体经过800° C空气中煅烧2小时得到偏闻岭土 ；
(2)液体相L:将模数为I. 5的水玻璃和水按比例混合均匀后待用；
(3)将固体相S和液体相L以I:I重量比混合，搅拌30分钟匀化后待用；
(4)将固体相粉体重量的0.15%的铝粉加入适量水制备成铝粉溶液。将浆料与铝粉水溶液混合均匀，然后注入铁质模具中，置于90°C左右恒温箱，恒温发泡8小时后即可脱模；
(5)将所得多孔材料切割成规则的形状后测试其力学性能和孔结构，其基本指标如下 抗压强度为6. 5Mpa，气孔率为50%左右。
权利要求
1.一种地质聚合物轻质多孔材料，其特征在于，该材料由固体粉末S和液体相L按照重量比I: I配成浆料后，以铝粉为发泡剂，在40 100° C温度条件下、一定形状的模具中经发泡，养护4 8小时制备而成；其中固体相组成按100份重量份计为，偏高岭土 80 100 份，氧化铝或氢氧化铝O 20份；液体相组分组成按100份重量份计为，水玻璃80 100 份，水为O 20份；铝粉为固体相粉体重量的O. 05% O. 5%。
2.根据权要求I所述的一种地质聚合物多孔材料，其特征在于，所述的偏高岭土为200 目以上的高岭土原矿粉体或经过水洗后的高岭土在600 900° C空气中煅烧2小时以上所得粉体；所述的氧化铝或氢氧化铝为细度大于200目的工业级粉体；所述的铝粉为粒度大于400目的工业级铝粉；所述水玻璃是模数为I. O I. 5的工业钠水玻璃或钾水玻璃。
3.根据权利要求I所述的一种地质聚合物多孔材料，其特征在于，所述多孔材料的抗压强度在I. 67 10. 86Mpa之间、显气孔率在35% 80%之间、体积密O. 30g/cm3 I.24g/cm3之间，可耐800°C的高温。
4.如权利要求I所述一种地质聚合物轻质多孔材料的制备方法，其特征在于1)按偏高岭土80 100份，氧化铝或氢氧化铝O 20份，在干粉搅拌机中搅拌均匀， 得到混合固体相粉体；2)按重量份计水玻璃80 100份，水O 20份，混合均匀，得到混合液体相；3)将将步骤I)的混合固体相粉体与将步骤2)的混合液体相混合均匀，得到浆料；4)将固体相粉体重量O.05% O. 5%的铝粉加入适量水制备成铝粉溶液；将步骤3)的浆料与铝粉溶液混合均匀，然后注入模具中，在40° C 100° C恒温箱中养护4 8h，获得气孔率为35 80%的地聚物基多孔材料；5)脱模后的多孔材料经切割加工，获得所需材料。
全文摘要
本发明公开了一种地质聚合物轻质多孔材料及其制备方法，以偏高岭土、氧化铝和水玻璃为原料、铝粉为发泡剂，在较低温度下(40～100oC之间)制备以地质聚合物材料为骨架、性能良好的多孔材料。通过对多孔材料进行性能测试，结果表明该多孔材料的抗压强度在1.67～10.86Mpa之间、显气孔率在35%～80%之间、体积密度在0.30g/cm3～1.24g/cm3之间，可耐800oC的高温；通过控制造浆料配比、粘度及反应条件，可以获得不同性能和孔结构的多孔材料；该发明工艺简单，成本低，有望在保温隔热材料、吸声材料、废气吸附材料、无机膜材料、能量吸收材料等领域得到应用。
文档编号C04B38/02GK102584323SQ201210024640
公开日2012年7月18日 申请日期2012年2月6日 优先权日2012年2月6日
发明者崔学民, 林坤圣, 郁军丽, 陈金玉, 黄竞霖 申请人:广西大学