本发明涉及功能材料制备领域，具体涉及一种粉煤灰气凝胶化制备的建筑保温隔热材料。
背景技术：
：气凝胶是世界上最轻的固体，它是一种以三维网络结构作为支架，其中填充气体分散介质，具有多孔性的凝聚态物质。气凝胶材料具有比表面积大、孔隙率高、热传导系数低、密度低、掺杂吸附能力强等优点，在能源、信息、环保、医药、农药、冶金、催化以及基础科学研究等领域都具有广阔的应用前景。气凝胶的主要成分是二氧化硅材料，而制备二氧化硅气凝胶使用的硅源通常是正硅酸乙酯、聚乙氧基二硅氧烷、甲基三甲氧基硅烷、四氯化硅等有机硅化合物，这些化合物成本昂贵。由于粉煤灰的主要成分是二氧化硅，目前有发明专利是使用粉煤灰作为硅源，这样大幅降低了气凝胶的生产成本。中国发明专利申请号201110445784.5公开了一种粉煤灰和硅藻土复合制备SiO2气凝胶方法，该发明将粉煤灰和硅藻土的中温机械活化、二氧化硅溶胶制备、湿凝胶制备、母液老化、一步溶剂交换表面改性、常压干燥六个步骤，得到的SiO2气凝胶与以水玻璃为硅源的气凝胶材料性能相近，因采用了粉煤灰和硅藻土复合作为廉价硅源及常压干燥工艺，使得生产成本得到大幅度降低，使得在建筑材料、保温隔热、环保吸附等领域有更广泛的应用前景。然而，由于粉煤灰中存在大量杂质，将导致制备的气凝胶中含有铁、铜等杂质元素，降低材料的绝热性能。中国发明专利申请号200910010685.7公开了一种利用粉煤灰同时制备SiO2气凝胶和沸石的方法。该方法先将粉煤灰进行高温活化处理,再与氢氧化钠水溶液进行水热合成反应,用一定浓度的硫酸对水玻璃进行催化，或者将溶液进行阳离子交换树脂交换后再进行碱催化处理,获得SiO2凝胶,用醇类/烷烃类溶剂及三甲基氯硅烷混合溶液对水凝胶进行溶剂替换/表面改性处理后,在常压干燥条件下获得SiO2气凝胶。该发明不仅是固体废弃物高效能回收利用的一条新途径,而且也是SiO2气凝胶和沸石低成本制备的一条新的工艺方法。但是，该发明中也是没有重视粉煤灰的组成，制备的气凝胶存在杂质，隔热效果不均匀。根据上述分析，目前采用粉煤灰制备二氧化硅气凝胶的过程中，没有对粉煤灰进行相应的纯化处理，大多数是直接将粉煤灰与碱反应后，获得二氧化硅凝胶，然后通过常压干燥获得二氧化硅气凝胶，这样会导致二氧化硅气凝胶中的杂质含量高，导致材料隔热效果不均匀。所以目前需要一种边纯化粉煤灰，边原位获得二氧化硅凝胶的方法。技术实现要素：针对目前采用粉煤灰制备二氧化硅气凝胶的过程中，没有对粉煤灰进行相应的纯化处理，大多数是直接将粉煤灰与碱反应后，获得二氧化硅凝胶，然后通过常压干燥获得二氧化硅气凝胶，这样会导致二氧化硅气凝胶中的杂质含量高，导致材料隔热效果不均匀。本发明提出一种粉煤灰气凝胶化制备的建筑保温隔热材料，首先采用粉煤灰与工业废酸反应，对粉煤灰表面预处理，将杂质离子溶解入工业废酸中，再经过反复高温焙烧和碱化处理，获得表面凝胶化的粉煤灰，而粉煤灰的主体仍然存在，相互堆积，形成骨架结构，然后通过常压干燥反应获得二氧化硅气凝胶。本发明不但成本低，而且粉煤灰原位凝胶化，得到的保温隔热材料微孔分布均匀，强度大。在解决环境污染的同时，更加变废为宝，提高粉煤灰的利用价值。本发明提供一种粉煤灰气凝胶化制备的建筑保温隔热材料，采用粉煤灰作为原料，采用交替碱化-加热的方法，控制反应时间获得二氧化硅凝胶，具体方法如下：（1）将粉煤灰加入工业废酸中，设置工业废酸的温度为30-80℃，搅拌速度为100-500转/分的条件下，调节其pH值至3-4之间，进行粉煤灰表面预处理，再经过过滤得到预处理的粉煤灰粉体，所述粉煤灰和工业废酸的质量比为0.2-20：1；（2）将步骤（1）得到的预处理的粉煤灰粉体经过高温焙烧，温度设置为300-800℃，焙烧活化时间设置为10-90分钟，焙烧完成后经过球磨机机械研磨，得到活化粉煤灰；（3）将活化粉煤灰按比例在70-100℃下与碱溶液混合反应，反应时间为0.5-6小时，反应后混合物进行抽滤,用过量水对滤渣进行快速稀释，粉煤灰表面的硅与碱溶液反应，发生凝胶化，得到表面凝胶化的粉煤灰，所述碱溶液的浓度为0.05-0.2mol/L；（4）重复步骤（2）和（3）2-5次，纯化粉煤灰表面的二氧化硅凝胶，得到表面纯化粉煤灰凝胶溶液，再加热至60-70℃，加入减水剂，搅拌均匀，得到粉煤灰凝胶，然后将所述粉煤灰凝胶加入醇溶剂中反应5-10小时，再捞出放入干燥箱中，在温度为60-70℃下干燥13-20小时，得到粉煤灰气凝胶，所述减水剂与所述粉煤灰凝胶的质量比为1:100-1000。优选的，所述粉煤灰为一级粉煤灰、二级粉煤灰、三级粉煤灰和超细粉煤灰中的任意一种。优选的，所述工业废酸为废硫酸、废硝酸、废盐酸中的一种或几种。优选的，所述高温焙烧采用真空马弗炉烧结，烧结过程中保持100-1000Pa的气压。优选的，所述球磨机机械研磨采用硬质钢球、不锈钢球、碳化钨球、氧化锆陶瓷球中的任一种，球磨时间为2-6小时。优选的，所述碱溶液为氨水、氢氧化钠、氟化铵中的任一种或两种以上的组合；所述醇溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇、正丙醇中的任一种或两种以上的组合。优选的，所述减水剂为木质素磺酸盐、萘磺酸盐甲醛聚合物、氨基磺酸盐、粉末聚羧酸酯、聚羧酸系减水剂中的任意一种。本发明提出一种粉煤灰气凝胶化制备的建筑保温隔热材料，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：1、本发明采用工业废酸处理粉煤灰，去除粉煤灰表面的杂质，保证了后期制备二氧化硅气凝胶的成分均匀性，微孔大小均一性。2、本发明采用反复高温焙烧和表面碱化处理，使粉煤灰在保留自身形状的同时，表面发生凝胶化，原位获得了气凝胶的骨架和填充材料。3、本发明采用常压干燥工艺，代替气凝胶制备中通常采用的高成本超临界干燥技术，显著降低了气凝胶材料的生产成本，提供了规模化和流线化生产模式。4、本发明使用的粉煤灰和工业废酸作为原料制备二氧化硅气凝胶，投入小、无环境污染，能显著降低成本、具有显著的市场应用价值。具体实施方式以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下,根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更,均应包含在本发明的范围内。实施例1（1）将一级粉煤灰加入工业废硫酸中，设置工业废硫酸的温度为30℃，搅拌速度为100转/分的条件下，调节其pH值至3-4之间，进行一级粉煤灰表面预处理，再经过过滤得到预处理的粉煤灰粉体，一级粉煤灰和工业废硫酸的质量比为1:5；（2）将步骤（1）得到的预处理的粉煤灰粉体经过高温焙烧，采用真空马弗炉烧结，烧结过程中保持100的气压，温度设置为300℃，焙烧活化时间设置为10分钟，焙烧完成后经过球磨机机械研磨，球磨机机械研磨可以采用硬质钢球，球磨时间为2小时，得到活化粉煤灰；（3）将活化粉煤灰按比例在70℃下与碱溶液混合反应，反应时间为0.5小时，反应后混合物进行抽滤,用过量水对滤渣进行快速稀释，粉煤灰表面的硅与浓度为0.05mol/L的氨水反应，发生凝胶化，得到表面凝胶化的粉煤灰；活化粉煤灰与碱氢氧化钠溶液质量比为1:1.5；（4）重复步骤（2）和（3）2次，纯化粉煤灰表面的二氧化硅凝胶，得到表面纯化粉煤灰凝胶溶液，再加热至60℃，加入减水剂木质素磺酸钠，搅拌均匀，得到粉煤灰凝胶，然后将所述粉煤灰凝胶加入醇溶剂中反应5小时，再捞出放入干燥箱中，在温度为60℃下干燥13小时，得到粉煤灰气凝胶，木质素磺酸钠与粉煤灰凝胶的质量比为1:100。按实施例1中方法制备得到的粉煤灰气凝胶化制备的建筑保温隔热材料，经过性能测试得到参数如表1所示。实施例2（1）将二级粉煤灰加入工业废盐酸中，设置工业废盐酸的温度为40℃，搅拌速度为200转/分的条件下，调节其pH值至3-4之间，进行粉煤灰表面预处理，再经过过滤得到预处理的粉煤灰粉体，粉煤灰和工业废硫酸的质量比为1:1；（2）将步骤（1）得到的预处理的粉煤灰粉体经过高温焙烧，采用真空马弗炉烧结，烧结过程中保持300Pa的气压，温度设置为400℃，焙烧活化时间设置为30分钟，焙烧完成后经过球磨机机械研磨，球磨机机械研磨可以采用不锈钢球，球磨时间为3小时，得到活化粉煤灰；（3）将活化粉煤灰按比例在80℃下与碱氢氧化钠溶液混合反应，反应时间为1.5小时，反应后混合物进行抽滤,用过量水对滤渣进行快速稀释，粉煤灰表面的硅与浓度为0.15mol/L的碱氢氧化钠溶液反应，发生凝胶化，得到表面凝胶化的粉煤灰；活化粉煤灰与碱氢氧化钠溶液质量比为1:1；（4）重复步骤（2）和（3）3次，纯化粉煤灰表面的二氧化硅凝胶，得到表面纯化粉煤灰凝胶溶液，再加热至65℃，加入减水剂氨基磺酸钠，搅拌均匀，得到粉煤灰凝胶，然后将所述粉煤灰凝胶加入乙醇中反应6小时，再捞出放入干燥箱中，在温度为60℃下干燥13小时，得到粉煤灰气凝胶，氨基磺酸钠与粉煤灰凝胶的质量比为1:200。按实施例2中方法制备得到的粉煤灰气凝胶化制备的建筑保温隔热材料，经过性能测试得到参数如表1所示。实施例3（1）将超细粉煤灰加入工业废硝酸中，设置废硝酸的温度为60℃，搅拌速度为300转/分的条件下，调节其pH值至3-4之间，进行粉煤灰表面预处理，再经过过滤得到预处理的粉煤灰粉体，粉煤灰和废硝酸的质量比为5:1；（2）将步骤（1）得到的预处理的粉煤灰粉体经过高温焙烧，采用真空马弗炉烧结，烧结过程中保持500Pa的气压，温度设置为500℃，焙烧活化时间设置为50分钟，焙烧完成后经过球磨机机械研磨，球磨机机械研磨可以采用碳化钨球，球磨时间为4小时，得到活化粉煤灰；（3）将活化粉煤灰按比例在90℃下与氟化铵溶液混合反应，反应时间为3小时，反应后混合物进行抽滤,用过量水对滤渣进行快速稀释，粉煤灰表面的硅与浓度为0.17mol/L的氟化铵溶液反应，发生凝胶化，得到表面凝胶化的粉煤灰；活化粉煤灰与碱氢氧化钠溶液质量比为3:1；（4）重复步骤（2）和（3）3次，纯化粉煤灰表面的二氧化硅凝胶，得到表面纯化粉煤灰凝胶溶液，再加热至65℃，加入粉末聚羧酸酯，搅拌均匀，得到粉煤灰凝胶，然后将所述粉煤灰凝胶加入异丙醇中反应8小时，再捞出放入干燥箱中，在温度为65℃下干燥15小时，得到粉煤灰气凝胶，粉末聚羧酸酯与粉煤灰凝胶的质量比为1:500。按实施例3中方法制备得到的粉煤灰气凝胶化制备的建筑保温隔热材料，经过性能测试得到参数如表1所示。实施例4（1）将三级粉煤灰加入工业废硝酸中，设置废硝酸与废盐酸混合废酸的温度为70℃，搅拌速度为400转/分的条件下，调节其pH值至3-4之间，进行粉煤灰表面预处理，再经过过滤得到预处理的粉煤灰粉体，粉煤灰和废硝酸的质量比为10:1；（2）将步骤（1）得到的预处理的粉煤灰粉体经过高温焙烧，采用真空马弗炉烧结，烧结过程中保持800Pa的气压，温度设置为700℃，焙烧活化时间设置为80分钟，焙烧完成后经过球磨机机械研磨，球磨机机械研磨可以采用氧化锆陶瓷球，球磨时间为5小时，得到活化粉煤灰；（3）将活化粉煤灰按比例在90℃下与氟化铵和氨水混合溶液混合反应，反应时间为5小时，反应后混合物进行抽滤,用过量水对滤渣进行快速稀释，粉煤灰表面的硅与浓度为0.18mol/L的氟化铵溶液反应，发生凝胶化，得到表面凝胶化的粉煤灰；活化粉煤灰与氟化铵和氨水混合溶液溶液质量比为5:1；（4）重复步骤（2）和（3）4次，纯化粉煤灰表面的二氧化硅凝胶，得到表面纯化粉煤灰凝胶溶液，再加热至65℃，加入萘磺酸盐甲醛聚合物，搅拌均匀，得到粉煤灰凝胶，然后将所述粉煤灰凝胶加入异丙醇和正丙醇混合液中反应9小时，再捞出放入干燥箱中，在温度为65℃下干燥18小时，得到粉煤灰气凝胶，萘磺酸盐甲醛聚合物与粉煤灰凝胶的质量比为1:800。按实施例4中方法制备得到的粉煤灰气凝胶化制备的建筑保温隔热材料，经过性能测试得到参数如表1所示。实施例5（1）将三级粉煤灰加入工业废硫酸、废硝酸、废盐酸混合液中，设置废硫酸、废硝酸、废盐酸混合废酸的温度为80℃，搅拌速度为500转/分的条件下，调节其pH值至3-4之间，进行粉煤灰表面预处理，再经过过滤得到预处理的粉煤灰粉体，粉煤灰和废硝酸的质量比为20:1；（2）将步骤（1）得到的预处理的粉煤灰粉体经过高温焙烧，采用真空马弗炉烧结，烧结过程中保持1000Pa的气压，温度设置为800℃，焙烧活化时间设置为90分钟，焙烧完成后经过球磨机机械研磨，球磨机机械研磨采用氧化锆陶瓷球，球磨时间为6小时，得到活化粉煤灰；（3）将活化粉煤灰按比例在90℃下与氟化铵、氢氧化钠和氨水混合溶液混合反应，反应时间为6小时，反应后混合物进行抽滤,用过量水对滤渣进行快速稀释，粉煤灰表面的硅与浓度为0.2mol/L的氟化铵溶液反应，发生凝胶化，得到表面凝胶化的粉煤灰；活化粉煤灰与氟化铵、氢氧化钠和氨水混合溶液溶液质量比为5:1；（4）重复步骤（2）和（3）4次，纯化粉煤灰表面的二氧化硅凝胶，得到表面纯化粉煤灰凝胶溶液，再加热至70℃，加入萘磺酸盐甲醛聚合物，搅拌均匀，得到粉煤灰凝胶，然后将所述粉煤灰凝胶加入异丙醇和正丙醇混合液中反应10小时，再捞出放入干燥箱中，在温度为70℃下干燥20小时，得到粉煤灰气凝胶，萘磺酸盐甲醛聚合物与粉煤灰凝胶的质量比为1:1000。按实施例5中方法制备得到的粉煤灰气凝胶化制备的建筑保温隔热材料，经过性能测试得到参数如表1所示。表1性能指标孔隙度ml/g孔隙率%100℃导热系数W/m•K700℃导热系数W/m•K实施例13.2900.0120.042实施例22.9890.0160.055实施例33.3920.0130.052实施例43.1910.0140.062实施例53.3900.0170.072当前第1页1 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