本发明涉及一种石膏材料，特别涉及一种含气凝胶的石膏材料及其制备方法，属于建筑材料领域。
背景技术：
石膏及其制品具有微孔结构和加热脱水性能，因此具有优良的隔热、隔音和防火性功能，石膏类产品相比水泥制品而言优势明显，是典型的绿色建材，尤其是近年来对工业副产石膏的再利用获得了巨大的经济和社会效益。但是，石膏的耐水性和保温性能一般制约了石膏类产品进一步的发展。
使用传统方法来降低石膏材料的导热系数、提高石膏制品的耐水性的工艺比较复杂并且会对石膏类产品的综合性能产生较大影响，特别是对石膏板这种厚度比较小的材料影响更大。因此，在保证石膏制品其他性能基本不变的情况下，大幅度提高石膏制品的保温性和耐水性具有非常高的研究价值。
气凝胶是一种纳米多孔结构材料，在力学、声学、热学、光学等诸方面均显示其独特性质。作为目前隔热性能最好的固体材料又兼有良好的疏水性、耐热性、耐久性等优良特性，用作建筑保温具有广阔的经济和社会效益。例如，CN102910870A提供了一种纳米硅气凝胶/玻化微珠复合保温砂浆，其由气凝胶粉直接加入到砂浆混合物制得，但是气凝胶粉与砂浆混合物难以复合，且此过程中气凝胶粉会向周围环境中分散。又例如，CN 105439505A报道了一种SiO2气凝胶砂浆及其制备方法，其通过将疏水气凝胶与硅烷偶联剂制成改性SiO2气凝胶，然后与砂浆混合，但是此种硅烷偶联剂改性的气凝胶难以制取，成本高，且改性后的气凝胶不能长期保存。另外，现有的掺有气凝胶粉的建筑材料的性能较之传统建筑材料提升有限，并且还通常还存在气凝胶易于与建筑材料脱离、各部分性能差异大等缺陷。
技术实现要素：
本发明的主要目的在于提供含气凝胶的石膏材料及其制备方法，以克服现有技术中的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例提供了一种含气凝胶的石膏材料的制备方法，其包括：
将含气凝胶的涂膏、水、增稠剂和引气剂均匀混合，形成呈均匀分布的泡沫状态的气凝胶水性分散体；
将石膏粉、缓凝剂与水均匀混合形成标准稠度状态的石膏混合料；
将所述石膏混合料与气凝胶水性分散体均匀混合，形成含气凝胶的混合浆料；
将含气凝胶的混合浆料硬化、干燥，获得所述含气凝胶的石膏材料。
进一步的，所述气凝胶粉包括二氧化硅气凝胶、二氧化钛气凝胶、石墨烯气凝胶中的任意一种或多种的组合，且不限于此。
进一步的，所述石膏粉为半水石膏，粒度为74～200μm，CaSO4·0.5H2O含量大于70％。
本发明实施例还提供了由前述的任一种方法制备的含气凝胶的石膏材料。
本发明实施例还提供了一种含气凝胶的石膏材料，其由质量比为0.1～60：40～99.9的呈均匀分布的泡沫状态的气凝胶水性分散体与标准稠度状态的石膏混合料均匀混合后硬化、干燥形成。
与现有技术相比，本发明提供的含气凝胶的石膏材料的制备方法简单，条件易控，克服了现有技术中在制备含气凝胶的建筑材料时气凝胶粉尘飞扬和气凝胶分散不均匀等问题，能够大幅降低石膏制品的导热系数，并且还能够有效提升石膏制品的耐水性能。
具体实施方式
鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
本发明实施例提供的一种含气凝胶的石膏材料由质量比为(0.1～60)：(40～99.9)的呈均匀分布的泡沫状态的气凝胶水性分散体与标准稠度状态的石膏混合料均匀混合后硬化、干燥形成。
进一步的，所述气凝胶水性分散体与标准稠度状态的石膏混合料的质量比优选为(10～60)：(40～90)，尤其优选为(30～50)：(50～70)。
本发明实施例提供的一种含气凝胶的石膏材料的制备方法包括：
将含气凝胶的涂膏、水、增稠剂和引气剂均匀混合，形成呈均匀分布的泡沫状态的气凝胶水性分散体；
将石膏粉、缓凝剂与水均匀混合形成标准稠度状态的石膏混合料；
将所述石膏混合料与气凝胶水性分散体均匀混合，形成含气凝胶的混合浆料；
将含气凝胶的混合浆料硬化、干燥，获得所述含气凝胶的石膏材料。
在一些较佳实施方案中，前述含气凝胶的混合浆料中气凝胶水性分散体与石膏混合料的质量比为(0.1～60)：(40～99.9)，优选为(10～60)：(40～90)，尤其优选为(30～50)：(50～70)。
在一些较佳实施方案中，所述的制备方法还可包括：将石膏粉、缓凝剂按质量比为(99.5～99.99)：(0.01～0.5)均匀混合成石膏干粉混合料，之后加水调至标准稠度状态并搅拌均匀。
在一些较为具体的实施案例中，所述的制备方法还可包括：
(1)将石膏粉、缓凝剂均匀混合成石膏干粉混合料；
(2)制作气凝胶水性分散体；
(3)将石膏干粉混合料加水调至标准稠度状态并搅拌均匀，再向其中加入气凝胶水性分散体，继续搅拌均匀获得含气凝胶的混合浆料；
(4)将步骤(3)的混合浆料入模成型，待硬化后，拆去模具，放入烘箱烘干。
在一些较佳实施方案中，所述的制备方法包括：将含气凝胶的混合浆料硬化后，在42±2℃烘干，获得所述含气凝胶的石膏材料。
在一些较佳实施方案中，前述气凝胶水性分散体包括0.1wt％～50wt％含气凝胶的涂膏、0.1wt％～1wt％引气剂、40wt％～99wt％水以及0.1wt％～1wt％增稠剂。
在一些较佳实施方案中，前述气凝胶水性分散体的泡沫稳定时间为30min～3h。
在一些较佳实施方案中，前述气凝胶水性分散体的制备方法包括：先将含气凝胶的涂膏、增稠剂和水混合，并持续搅拌至混合物料全部分散，之后加入引气剂，持续搅拌至形成呈均匀分布的泡沫状态的气凝胶水性分散体。
在一些较为具体的实施案例中，所述的气凝胶水性分散体的制备方法包：
(1)先将含气凝胶的涂膏、增稠剂和水按比例混合；
(2)将上述混合物搅拌直至全部分散；
(3)将引气剂加入到上述溶液中，使用高速搅拌设备，将上述溶液搅拌成均匀分布的泡沫状态。
在一些较佳实施方案中，前述含气凝胶的涂膏包括1wt％～50wt％气凝胶粉、45wt％～99wt％水以及0.01wt％～5wt％活性分散剂。
在一些较佳实施方案中，所述含气凝胶的涂膏形成的涂层在干燥状态下的导热系数为0.010～0.1W/m·K。
前述气凝胶粉、增稠剂、引气剂、石膏粉和缓凝剂的定义如本领域技术人员所知悉的。
在一些较佳实施方案中，前述气凝胶粉包括二氧化硅气凝胶、二氧化钛气凝胶、石墨烯气凝胶中的任意一种或两种以上的组合，且不限于此。
在一些较佳实施方案中，前述气凝胶粉的密度为0.05g/ml～0.3g/ml，粒径为0.1μm～2mm，比表面为500m2/g～1200m2/g，热导率为0.01W/m·k～0.04W/m·k。
在一些较佳实施方案中，前述活性分散剂包括聚氧乙烯二油酸酯、四乙二醇单硬脂酸酯、四乙二醇单油酸酯、聚氧丙烯甘露醇二油酸酯、聚氧乙烯山梨醇羊毛脂油酸衍生物、聚氧乙烯山梨醇羊毛脂衍生物、聚氧丙烯硬脂酸酯、聚氧乙烯(5EO)羊毛醇醚、失水山梨醇月桂酸酯、聚氧乙烯脂肪酸、聚氧乙烯氧丙烯油酸酯中的任意一种或两种以上的组合，且不限于此。
在一些较佳实施方案中，前述引气剂包括阴离子表面活性剂、植物性发泡剂和动物性发泡剂中的任意一种两种以上的组合，且不限于此。
其中，所述阴离子表面活性剂包括十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠和十二烷基磺酸钠中的任意一种两种以上的组合，且不限于此。
其中，前述植物性发泡剂包括松香树脂类钠盐，且不限于此。
其中，前述动物性发泡剂包括以动物(牛、羊、马、驴等)蹄角的角质蛋白为主要原材料，提取脂肪酸，再加入盐酸、氯化镁等助剂，加温溶解、稀释、过滤、高温脱水，而生产的一种表面活性物。
在一些较佳实施方案中，前述增稠剂包括纸浆、木质素纤维、改性淀粉、纤维素醚、聚乙二醇中、膨润土、海泡石、高岭土中的任意一种或两种以上的组合，且不限于此。
优选的，前述标准稠度状态的石膏混合料包含质量比为(49.5～69.99)：(0.01～0.5)：(30～50)的石膏粉、缓凝剂和水。
优选的，前述石膏粉为半水石膏，粒度为74～200μm，CaSO4·0.5H2O含量大于70％。
前述的缓凝剂可以选自常见的有机酸及其可溶盐、碱性磷酸盐以及蛋白质类等缓凝剂。例如，柠檬酸、柠檬酸钠、酒石酸、酒石酸钾、丙烯酸及丙烯酸钠，六偏磷酸钠、多聚磷酸钠，硼砂等。这些缓凝剂均可从市售途径获取。另外，前述缓凝剂的用量可依据缓凝剂的种类适当调整。
进一步的，所述的水可选自来水或者去离子水，所述自来水优选为经过软化处理的自来水。并且，在所述含气凝胶的石膏材料的制备方法中，水的用量可根据需要自行调节。
本发明实施例还提供了由前述任一种方法制备的含气凝胶的石膏材料。
以下结合若干实施例和对比例对本发明的技术方案作进一步的解释说明。
实施例1本实施例涉及的一种含气凝胶的石膏材料的制备方法包括：
将二氧化硅气凝胶粉、去离子水和聚氧乙烯二油酸酯均匀混合形成含气凝胶的涂膏，气凝胶粉在涂膏中均匀分布。进一步的，所述含气凝胶的涂膏包括15wt％气凝胶粉、82wt％水以及3wt％聚氧乙烯二油酸酯。进一步的，所述含气凝胶的涂膏形成的涂层在干燥状态下的导热系数为0.041W/m·K。其中，二氧化硅气凝胶粉的密度为0.065g/ml，粒径为0.16μm，比表面为1150m2/g，热导率为0.024W/m·k。
将含气凝胶的涂膏、木质素纤维和去离子水混合，再将上述混合物搅拌直至全部分散，之后将十二烷基苯磺酸钠加入到上述溶液中，使用高速搅拌设备，将上述溶液在1500～2200转/分钟的转速下搅拌呈均匀分布的泡沫状态的气凝胶水性分散体，其泡沫稳定时间约为3h。进一步的，所述气凝胶水性分散体包括30wt％含气凝胶的涂膏、1wt％十二烷基苯磺酸钠、68.5wt％水以及0.5wt％木质素纤维。
将石膏粉、市售蛋白质型缓凝剂按重量比为99.5:0.5均匀的混合成石膏干粉混合料，再将石膏干粉混合料加去离子水调至标准稠度状态并搅拌均匀，形成标准稠度状态的石膏混合料。所述石膏粉为半水石膏，粒度为180～200μm，CaSO4·0.5H2O含量为80wt％。
将质量比为分别为0:100、5:95、10:90、20:80、30:70、40:60、50:50的气凝胶水性分散体与石膏混合料均匀混合形成一系列不同质量比的含气凝胶的混合浆料；
将含气凝胶的混合浆料入模成型，待硬化后，拆去模具，放入烘箱中在40℃下烘干，获得含气凝胶的石膏材料。
烘干后的各含气凝胶的石膏材料性能参数如下表所示：
实施例2本实施例涉及的一种含气凝胶的石膏材料的制备方法包括：
将二氧化钛气凝胶粉、去离子水和聚氧乙烯山梨醇羊毛脂油酸衍生物均匀混合形成含气凝胶的涂膏，气凝胶粉在涂膏中均匀分布。进一步的，所述含气凝胶的涂膏包括30wt％二氧化钛气凝胶粉、65wt％水以及5wt％聚氧乙烯山梨醇羊毛脂油酸衍生物。进一步的，所述含气凝胶的涂膏形成的涂层在干燥状态下的导热系数为0.021W/m·k。其中，二氧化钛气凝胶粉的密度为0.25g/ml，粒径为0.020mm，比表面为650m2/g，热导率为0.015W/m·k。
将含气凝胶的涂膏、聚乙二醇和去离子水混合，再将上述混合物搅拌直至全部分散，之后将十二烷基硫酸钠加入到上述溶液中，使用高速搅拌设备，将上述溶液在1500～2200转/分钟的转速下搅拌呈均匀分布的泡沫状态的气凝胶水性分散体，其泡沫稳定时间为30min。进一步的，所述气凝胶水性分散体包括50wt％含气凝胶的涂膏、0.5wt％十二烷基硫酸钠、49wt％水以及0.5wt％聚乙二醇。
将石膏粉、市售蛋白质型缓凝剂按重量比为99.5:0.5均匀的混合成石膏干粉混合料，再将石膏干粉混合料加去离子调至标准稠度状态并搅拌均匀，形成标准稠度状态的石膏混合料。所述石膏粉为半水石膏，粒度为74～90μm，CaSO4·0.5H2O含量为90wt％。
将质量比分别为0:100、5:95、10:90、20:80、30:70、40:60、50:50的气凝胶水性分散体与石膏混合料均匀混合形成不同质量比的含气凝胶的混合浆料；
将含气凝胶的混合浆料入模成型，待硬化后，拆去模具，放入烘箱中在42℃下烘干，获得含气凝胶的石膏材料。
烘干后的各含气凝胶的石膏材料性能参数如下表所示：
实施例3本实施例涉及的一种含气凝胶的石膏材料的制备方法包括：
将石墨烯气凝胶粉、低硬度自来水和失水山梨醇月桂酸酯均匀混合形成含气凝胶的涂膏，气凝胶粉在涂膏中均匀分布。进一步的，所述含气凝胶的涂膏包括20wt％石墨烯气凝胶粉、79.9wt％低硬度自来水以及0.1wt％失水山梨醇月桂酸酯。进一步的，所述含气凝胶的涂膏形成的涂层在干燥状态下的导热系数为0.018W/m·k。其中，石墨烯气凝胶粉的密度为0.09g/ml，粒径为0.025μm，比表面为1150m2/g，热导率为0.013W/m·k。
将含气凝胶的涂膏、海泡石和低硬度自来水混合，再将上述混合物搅拌直至全部分散，之后将松香树脂类钠盐加入到上述溶液中，使用高速搅拌设备，将上述溶液在1500～2200转/分钟的转速下搅拌呈均匀分布的泡沫状态的气凝胶水性分散体，其泡沫稳定时间约为1h。进一步的，所述气凝胶水性分散体包括30wt％含气凝胶的涂膏、1wt％松香树脂类钠盐、68.6wt％水以及0.4wt％海泡石。
将石膏粉、蛋白质型缓凝剂按重量比为99.5:0.5均匀的混合成石膏干粉混合料，再将石膏干粉混合料加去离子水调至标准稠度状态并搅拌均匀，形成标准稠度状态的石膏混合料。所述石膏粉为半水石膏，粒度为74～90μm，CaSO4·0.5H2O含量为90wt％。
将质量比为分别为0:100、5:95、10:90、20:80、30:70、40:60、50:50的气凝胶水性分散体与石膏混合料均匀混合形成不同质量比的含气凝胶的混合浆料；
将含气凝胶的混合浆料入模成型，待硬化后，拆去模具，放入烘箱中在44℃下烘干，获得含气凝胶的石膏材料。
烘干后的各含气凝胶的石膏材料性能参数如下表所示：
实施例4本实施例涉及的一种含气凝胶的石膏材料的制备方法包括：
将二氧化硅气凝胶粉、去离子水和聚氧乙烯氧丙烯油酸酯均匀混合形成含气凝胶的涂膏，气凝胶粉在涂膏中均匀分布。进一步的，所述含气凝胶的涂膏包括25wt％气凝胶粉、72wt％水以及3wt％聚氧乙烯氧丙烯油酸酯。进一步的，所述含气凝胶的涂膏形成的涂层在干燥状态下的导热系数为改为0.036W/m·K。其中，二氧化硅气凝胶粉的密度为0.1g/ml，粒径为0.2μm，比表面为600m2/g，热导率为0.028W/m·K。
将含气凝胶的涂膏、改性淀粉和去离子水混合，再将上述混合物搅拌直至全部分散，之后将动物性发泡剂加入到上述溶液中，使用高速搅拌设备，将上述溶液搅拌成呈均匀分布的泡沫状态的气凝胶水性分散体，其泡沫稳定时间约为3h。进一步的，所述气凝胶水性分散体包括55wt％含气凝胶的涂膏、1wt％动物性发泡剂、43.3wt％水以及0.07wt％改性淀粉。
将石膏粉、市售磷酸盐类缓凝剂均匀混合成石膏干粉混合料，再将石膏干粉混合料加去离子水搅拌至标准稠度状态，形成标准稠度状态的石膏混合料。所述石膏粉为半水石膏，粒度为180～200μm，CaSO4·0.5H2O含量为95wt％。
将质量比为分别为0:100、5:95、10:90、20:80、30:70、40:60、50:50的气凝胶水性分散体与石膏混合料均匀混合形成不同质量比的含气凝胶的混合浆料；
将含气凝胶的混合浆料入模成型，待硬化后，拆去模具，放入烘箱中在42℃下烘干，获得含气凝胶的石膏材料。
烘干后的各含气凝胶的石膏材料性能参数如下表所示：
本发明含气凝胶的石膏材料的制备方法简单，条件易控，可避免在建筑材料中加入气凝胶时粉尘飞扬和气凝胶分散过程中混合不均匀的问题，能够大幅降低石膏制品的导热系数并且能够提升石膏制品的耐水性能，且该含气凝胶的石膏材料在使用时，即使进行切割也无气凝胶粉尘飞散等现象，在长期使用后亦不会出现向外界环境中释放大量气凝胶粉尘之虞。
应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。