专利名称：一种低温泡沫玻璃保温材料及其制备方法
技术领域：
本发明属于泡沫玻璃保温材料及其制备领域，特别涉及一种低温泡沫玻璃保温材料及其制备方法。
背景技术：
近年来,南京中环国际广场、哈尔滨经纬360度双子星大厦、济南奥体中心、北京央视新址附属文化中心、上海胶州教师公寓、沈阳皇朝万鑫大厦等相继发生建筑外保温材料火灾，造成严重人员伤亡和财产损失，建筑易燃可燃外保温材料已成为一类新的火灾隐患，由此引发的火灾已呈多发势头。公安部、住房和城乡建设部以公通字[2009]46号文发布了《民用建筑外保温系统及外墙装饰防火暂行规定》，其中第二条规定民用建筑外保温材料采用燃烧性能为A级的材料。在此基础上，中华人民共和国公安部进一步以公消[2011]65号发布了《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。 目前市场上无机保温材料少见，性价比高的无机保温材料更是罕见。当市场占有量达90%的有机保温材料处于停滞观望之时，作为达到防火等级A级的外墙外保温无机材料一泡沫玻璃和岩棉却迎来了前所未有的市场良机。今年以来，岩棉价格已由42兀/平方米左右飙升至200多元/平方米。即便如此，市场需求仍然供不应求。保温泡沫玻璃也在其广泛应用上出现瓶颈问题。泡沫玻璃又称为多孔玻璃，其内部充满无数开口或闭口的小气孔，气孔的面积占总体积的809Γ90%，孔径大小为O. 5飞mm，也有的小到几微米。它是一种性能优越的绝热(保冷)、吸声、防潮、防火的轻质高强建筑材料和装饰材料，A级不燃与建筑物同寿命。然而泡沫玻璃离我们的市场需求还有一些距离。一方面，泡沫玻璃的发泡温度在800°C以上，模具要用合金钢，不仅价格昂贵，而且经多次高温加热，损耗较大，有的企业用铸铁为模具，虽然价格低，但加热后会导致氧化、掉皮、变形，损耗更严重。发泡温度较高的泡沫玻璃不仅意味着模具成本高，还有高能耗，即工艺成本非常高；另一方面，泡沫玻璃的弹性模量较大，而综合考虑各种应力变化规律，在实际应用工程中保温材料的弹性模量应越小越好。如何降低泡沫玻璃的发泡温度及弹性模量，是实现其在有机保温材料处于停滞观望之时而无机材料如雨后春笋般涌现的激烈市场竞争下占有绝对优势的关键问题。一般固态玻璃粉的熔融状态一般在800°C以上，要降低泡沫玻璃的发泡温度必须从合成工艺的角度上另觅蹊径。与固相反应相比，胶体化学反应将更容易进行，而且仅需要较低的合成温度。这是因为胶体化学反应体系中组分的扩散在纳米范围内，而固相反应时组分扩散是在微米范围内。在发现问题解决问题的思考模式下，原材料的问题也迎刃而解。水溶性硅酸盐，俗称是泡花碱，这是因为水玻璃受热后会发泡，其发泡有两种情况一是在液态时加热自由水鼓泡，类似于沸腾；二是硬化后发泡，一般是硬化后的结合水挥发(在200°C 300°C温度下即可实现)所致，可制备出孔隙率非常高的材料。将未添加其他原料改性的水玻璃进行发泡或自由发泡而得到的多孔材料化学稳定性极差，而且孔结构存在着泡径不均一、分布不均匀等缺陷。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种低温泡沫玻璃保温材料及其制备方法，该泡沫玻璃保温材料力学强度好，吸水率低，导热系数小，泡孔孔径大小一致(孔径d ( 2mm)、分布均匀，该制备工艺过程简单，成本低廉，节能环保，适于工业化生产。本发明的一种低温泡沫玻璃保温材料，该泡沫玻璃保温材料按质量分数包括Si0240 80%、B2O3 O 16%、Al2O3 O 10%、R2O 10 40% ;其中 R2O 为碱金属氧化物。所述的碱金属氧化物为Li20、Na2O, K2O中的一种或几种。本发明的一种低温泡沫玻璃保温材料的制备方法，包括(I)按质量分数为 SiO2 40 80%,B2O3 O 16%、A1203 O 10%,R2O 10 40%(R20 为碱金属氧化物，其中B2O3与Al2O3的含量不同时为零。)，将含硼原料、含铝原料、碱ROH (R为Li、Na、K等碱金属元素中的一种或几种)中的一种或几种与化学式为R2O -IiiSiO2的硅酸盐水溶液在搅拌下混合均匀，在不凝胶的前提下得到一种高粘度的溶胶体系；(2)将上述溶胶体系进行干燥得到含水率为25 50%的中间料，如图2所示，干燥时间随干燥温度的不同而变化；(3)将得到的中间料进行碎裂处理，碎裂后的中间料颗粒粒径范围为O. 3
I.6mm ；(4)将上述破碎后的中间料在密闭条件下按照以下热处理制度进行处理升温发泡阶段，以速率10 40°C /min升温至250 500°C并保温，保温时间不少于O. 5h ;降温冷却阶段，以降温速率I 30°C /min降至室温即得低温泡沫玻璃。步骤(I)中所述的化学式为R2OiSiO2的硅酸盐水溶液，俗称水玻璃，30彡。Β ( 60，其中R为Li、Na、K等碱金属元素中的一种或几种，m为二氧化硅与碱金属氧化物的摩尔数比值，称为水玻璃的模数。步骤(I)中所述的所述含硼原料为硼酸、硼砂、含硼矿物中的一种或几种。步骤(I)中所述的含铝原料为磷酸二氢铝、磷酸铝、氢氧化铝、含铝矿物中的一种或几种。本发明所述的一种低温泡沫玻璃保温材料，是指通过胶体化学工艺得到的新型非晶态、多孔水合玻璃材料，其原料组分是化学式为R2O ^SiO2硅酸盐水溶液(俗称水玻璃)，30彡波美度(° Β )彡60，其中R为Li、Na、K等碱金属元素或它们的混合物，m为二氧化硅与碱金属氧化物摩尔数比值，称为水玻璃的模数；含硼或含铝原料，或加入碱以增加含硼或含铝原料的加入量；将这些原料按一定比例混合，控制其主要成分的质量分数为Si0240 80% ；B203 O 16% ；A1203 O 10% ；R20 10 40%。本发明研发的低温泡沫玻璃保温材料是从高化学稳定性高耐久性钠硼硅系玻璃及其内秉结构特征的角度出发的。硼元素有夺取游离氧或取代Si元素形成带负电荷的[BO4]-四面体的趋势从而将体系中的R+牢牢地吸附，使结构趋向紧密从而大大提高了其稳定性。下面以硼酸为硼原料示例，阐述其硼改性后耐水性提高的机理未改性前的硅酸盐水溶液的胶团结构和双电层示意图如图I所示，其中表示Si-0，“ + ”表示R+等阳离子，“Θ”表示OH-等阴离子。硅酸盐水溶液的胶团中心是胶核，它是由成千上万个SiO2分子组成的紧密聚合体，其内部结构为Si-O-Si键相联结的立体网状结构，在胶核和水接触的界面上形成了 Si-OH硅醇键。由于此硅醇键为极性分子键，因此使得胶核表面呈现了负热力学电位。在胶核的负电位作用下，胶核吸附水合氢离子比0+，同时也将吸附R+等阳离子。吸附层与胶核结合紧密，当胶核运动时，吸附层能相随一起运动，因此带有吸附层的胶核统称为胶粒。由于胶粒动电电位的存在，溶液中H3O+和R+等阳离子也将受其电场的静电作用，但由于热运动而使其离子扩散分布，形成扩散层。扩散层不随胶粒一起运动，胶粒与扩散层一起组成胶团。由于胶粒所带负电量与扩散层所带正电量相等，一次整个胶团呈电中性。习惯上将吸附层和扩散层总称为双电层。当向硅酸盐水溶液中加入硼酸时，一方面间接引入了 H3O+,另一方面引入了硼元素。硼酸的酸性来源不是本身给出质子，而是由于硼是缺电子原子能加合水分子的OH-而释放出质子。硼酸显酸性原因见下式
权利要求
1.一种低温泡沫玻璃保温材料，其特征在于所述的泡沫玻璃保温材料按质量分数包括=SiO2 40 80%,B2O3 0 16%、A1203 0 10%,R2O 10 40% ;其中 R2O 为碱金属氧化物，B2O3与Al2O3的含量不同时为零。
2.根据权利要求I所述的一种低温泡沫玻璃保温材料，其特征在于所述的碱金属氧化物为Li20、Na2O, K2O中的一种或几种。
3.如权利要求I所述的一种低温泡沫玻璃保温材料的制备方法，包括 (1)按质量分数为SiO2 40 80%,B2O3 0 16%、A1203 0 10%,R2O 10 40%，将含硼原料、含铝原料、碱ROH中的一种或几种与化学式为R2O ^mSiO2的硅酸盐水溶液在搅拌下混合均匀，在不凝胶的前提下得到溶胶体系； (2)将上述溶胶体系进行干燥得到含水率为25 50%的中间料； (3)将得到的中间料进行碎裂处理，碎裂后的中间料颗粒粒径范围为0.3 I. 6mm ; (4)将上述破碎后的中间料在密闭条件下按照以下热处理制度进行处理升温发泡阶段，以速率10 40°C /min升温至250 500°C并保温，保温时间不少于0. 5h ;降温冷却阶段，以降温速率I 30°C /min降至室温即得低温泡沫玻璃。
4.根据权利要求3所述的一种低温泡沫玻璃保温材料的制备方法，其特征在于步骤(I)中所述的化学式为R2O HiSiO2的硅酸盐水溶液，俗称水玻璃，30 B6 < 60，其中R为Li、Na、K中的一种或几种，m为二氧化硅与碱金属氧化物的摩尔数比值，称为水玻璃的模数。
5.根据权利要求3所述的一种低温泡沫玻璃保温材料的制备方法，其特征在于步骤(I)中所述的含硼原料为硼酸、硼砂、含硼矿物中的一种或几种。
6.根据权利要求3所述的一种低温泡沫玻璃保温材料的制备方法，其特征在于步骤(I)中所述的含铝原料为磷酸二氢铝、磷酸铝、氢氧化铝、含铝矿物中的一种或几种。
全文摘要
本发明涉及一种低温泡沫玻璃保温材料及其制备方法，该泡沫玻璃保温材料按质量分数包括SiO2 40～80%、B2O3 0～16%、Al2O3 0～10%、R2O 10～40%；其中R2O为碱金属氧化物；制备方法包括(1)将含硼原料、含铝原料、碱ROH中的一种或几种与水玻璃在搅拌下混合均匀，在不凝胶的前提下得到溶胶体系；(2)将上述溶胶体系干燥得到含水率为25～50%的中间料；(3)将得到的中间料进行碎裂处理，然后在密闭条件下进行发泡热处理即可。本发明的低温泡沫玻璃力学强度好、吸水率低、导热系数小，可作为优良绝热保温材料；本发明的制备工艺过程简单，成本低廉，节能环保，适于工业化生产。
文档编号C03C11/00GK102795781SQ20121029563
公开日2012年11月28日 申请日期2012年8月20日 优先权日2012年8月20日
发明者高锦秀, 王智宇, 屠浩驰, 王小山, 阮华, 李陆宝 申请人:宁波荣山新型材料有限公司