一种空心玻璃微球泡沫复合材料及其制备方法和应用

本发明涉及复合材料领域，具体涉及一种空心玻璃微球泡沫复合材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、传统隔热保温材料一般是轻质、疏松、多孔材料，按其成分可分为有机材料和无机材料两种。

2、有机隔热保温材料导热系数低，但易燃，不防火，且对环境污染大。比如由有机高分子树脂为主料，气体为填料加入助剂，经加热发泡而成的泡沫塑料，这类泡沫塑料隔热保温性能虽好，但其防火耐高温性能差，此外其生产制备工艺不具环保特性。

3、无机隔热保温材料虽然阻燃防火性能好，但相对于有机隔热保温材料导热系数较大，隔热性能不佳。比如目前市场上高档的无机非金属隔热保温板材，主要是用泡沫玻璃以及陶瓷、空心玻璃微球为主料烧结而成，生产工艺需粉料加工设备，如压机、干燥机、烧结炉等生产设备，存在生产上占地面积大，投资大，耗能高，生产成本较高，产品质量不易控制等问题。

4、如何平衡材料的防火性能和保温隔热性能，尤其是达到a1级防火等级，以及简化制备工艺、节能环保，成为本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、为了改善上述技术问题，本发明提供一种复合材料，所述复合材料的制备原料包括如下组分：空心玻璃微球、胶粘剂、助剂和水性溶剂，所述胶粘剂至少含有多糖类生物质。

2、根据本发明的实施方案，所述空心玻璃微球的真密度不超过0.50g/cm3，比如为0.15～0.50g/cm3，例如为0.20g/cm3、0.25g/cm3、0.30g/cm3。

3、根据本发明的实施方案，所述空心玻璃微球的振实密度不超过0.35g/cm3，例如为0.13g/cm3、0.15g/cm3、0.16g/cm3、0.20g/cm3、0.25g/cm3。

4、根据本发明的实施方案，所述空心玻璃微球的等静压强度为1.5～50mpa，例如2.0mpa、2.07mpa、2.5mpa、2.62mpa、3.0mpa、3.5mpa、5mpa、10mpa、15mpa、20mpa、30mpa、40mpa或50mpa。

5、根据本发明的实施方案，所述空心玻璃微球的导热系数不超过0.08w/m·k，例如为0.045w/m·k、0.048w/m·k、0.05w/m·k、0.06w/m·k或0.07w/m·k。

6、根据本发明的实施方案，以重量份计，所述制备原料含有空心玻璃微球40-100份，例如45-60份，比如46份、47份、48份、49份、50份、51份、52份、53份、55份、56份、57份、58份、59份。

7、根据本发明的实施方案，所述复合材料主要由所述空心玻璃微球构成，具体的，所述复合材料中的空心玻璃微球的重量占比不低于75％，优选不低于82％，例如为81％、83％、85％、86％、87％、88％、89％、90％、91％、92％、93％、95％甚至更高。

8、根据本发明的实施方案，所述多糖类生物质选自纤维素、改性纤维素、壳聚糖、玉米淀粉、改性淀粉、大豆淀粉、氧化淀粉和糯米淀粉中的一种或多种，例如选自改性纤维素、改性淀粉和糯米淀粉中的一种或多种。优选地，所述改性纤维素选自羟丙基甲基纤维素、羟甲基纤维素和/或羟丙基纤维素。优选地，所述改性淀粉选自羟甲基淀粉和/或羟丙基淀粉。

9、根据本发明的实施方案，所述胶粘剂还可以含有碱金属硅酸盐，比如水玻璃。

10、根据本发明的实施方案，以重量份计，所述制备原料含有胶粘剂2-20份，例如3份、4份、5份、6份、7份、8份、10份、11份、12份、13份、14份、15份、16份、17份、18份。

11、在一些实施方案中，所述胶粘剂仅为多糖类生物质，比如为玉米淀粉、改性淀粉、大豆淀粉、氧化淀粉和糯米淀粉中的一种或多种；

12、还在一些实施方案中，所述胶粘剂由多糖类生物质和碱金属硅酸盐构成，比如由纤维素和/或改性纤维素与碱金属硅酸盐构成。优选地，多糖类生物质和碱金属硅酸盐的重量份数比为(0.5-2):1，优选为1:1。

13、根据本发明的实施方案，所述助剂可以选自耐腐蚀剂、防水剂、分散剂等中的一种或多种。

14、根据本发明的实施方案，以重量份计，所述制备原料含有助剂0.1-5份，例如0.2份、0.3份、0.4份、0.5份、0.6份、0.7份、0.8份、1份、1.5份、2份、3份、4份。

15、根据本发明的实施方案，所述耐腐蚀剂选自氧化钙、有机硅、硼砂、硼酸、磷酸二氢铵、尿素和树脂等中的一种或多种。耐腐蚀剂的加入同时还可以改善复合材料的耐水性和/或抗霉性。

16、根据本发明的实施方案，所述防水剂选自甲基硅酸钾、甲基硅酸钠、聚乙烯醇、丙烯酸酯、氰酸酯(例如异氰酸酯)、蛋清、氧化钙、桐油和有机硅等中的一种或多种。

17、根据本发明的实施方案，所述分散剂选自超细气相白炭黑和聚羟酸氨盐等中的一种或多种。

18、根据本发明的实施方案，所述水性溶剂为水，水和醇的混合物，所述水和醇的混合物中水的重量占比不低于95％。其中，所述醇可以选自乙醇和/或甘油。

19、根据本发明的实施方案，所述水为纯净水、去离子水或干净的自来水。

20、根据本发明的实施方案，以重量份计，所述制备原料含有水性溶剂10-50份，例如15份、16份、17份、18份、19份、20份。

21、根据本发明示例性的实施方案，所述复合材料包括如下重量份的制备原料：空心玻璃微球50份、羟丙基淀粉1份、羟甲基淀粉1份、糯米淀粉4份、纯净水20份、氧化钙0.2份、磷酸二氢铵0.2份；

22、优选所述空心玻璃微球具备如下性能参数：真密度0.2g/cm3，振实密度0.13g/cm3，等静压强度3.5mpa，导热系数0.045w/m·k。

23、根据本发明示例性的实施方案，所述复合材料的制备原料包括如下重量份的组分：空心玻璃微球65份，羟丙基淀粉2份、糯米淀粉5份、纯净水20份、氧化钙0.1份、磷酸二氢纳0.1份、甲基硅酸钾0.1份；

24、优选地，所述空心玻璃微球具备如下性能参数：真密度0.25g/cm3，振实密度0.16g/cm3，等静压强度5.2mpa，导热系数0.048w/m·k。

25、根据本发明示例性的实施方案，所述复合材料的制备原料包括如下重量份的组分：空心玻璃微球50份、羟丙基淀粉1份、羟甲基淀粉1份、糯米淀粉6份、纯净水20份、氧化钙0.1份、甲基硅酸钠0.2份；

26、优选地，所述空心玻璃微球具备如下性能参数：真密度0.2g/cm3，振实密度0.13g/cm3，等静压强度3.5mpa，导热系数0.045w/m·k。

27、根据本发明示例性的实施方案，所述复合材料的制备原料包括如下重量份的组分：空心玻璃微球75份、羟丙基淀粉2份、糯米淀粉4份、纯净水20份、氧化钙0.1份、异氰酸酯0.2份、甲基硅酸钠0.2份；

28、优选地，所述空心玻璃微球具备如下性能参数：真密度0.3g/cm3，振实密度0.2g/cm3，等静压强度12mpa，导热系数0.06w/m·k。

29、根据本发明示例性的实施方案，所述复合材料的制备原料包括如下重量份的组分：空心玻璃微球50份、羟丙基淀粉1.5份、羟甲基淀粉0.5份、糯米淀粉4份、纯净水20份、氧化钙0.1份、丙烯酸酯0.1份、乙醇0.3份、甲基硅酸钠0.2份；

30、优选地，所述空心玻璃微球具备如下性能参数：真密度0.2g/cm3，振实密度0.13g/cm3，等静压强度3.5mpa，导热系数0.045w/m·k。

31、根据本发明示例性的实施方案，所述复合材料的制备原料包括如下重量份的组分：空心玻璃微球40份、羟丙基甲基纤维素4份、纯净水40份、水玻璃4份、氧化钙0.1份、丙烯酸酯0.1份、甲基硅酸钠0.2份；

32、优选地，所述空心玻璃微球具备如下性能参数：真密度0.2g/cm3，振实密度0.13g/cm3，等静压强度3.5mpa，导热系数0.045w/m·k。

33、根据本发明示例性的实施方案，所述复合材料的制备原料包括如下重量份的组分：空心玻璃微球60份、羟丙基甲基纤维素4份、纯净水40份、水玻璃4份、氧化钙0.1份、异氰酸酯0.2份、甲基硅酸钠0.2份；

34、优选地，所述空心玻璃微球具备如下性能参数：真密度0.3g/cm3，振实密度0.2g/cm3，等静压强度12mpa，导热系数0.06w/m·k。

35、根据本发明的实施方案，所述复合材料为板材，例如开闭孔板材。其中的开孔指空心玻璃微球之间以及空心玻璃微球与胶黏剂之间，形成的孔隙；闭孔指空心玻璃微球内部空心结构的形成的闭孔。

36、根据本发明的实施方案，所述复合材料具有下述一种或多种性能，优选同时具有下述性能：

37、(1)表观密度不超过0.21g/cm3，优选为0.14-0.2g/cm3；

38、(2)真密度不超过0.25g/cm3，优选为0.19-0.23g/cm3；

39、(3)抗压强度不低于0.1mpa，例如0.6-2.0mpa；

40、(4)导热系数不超过0.06w/m·k，优选0.04-0.05w/m·k；

41、(5)燃烧性能至少满足下述一个国家标准的燃烧性能等级a1级：gb/t5464-2010、gb/t14402-2007、gb 8624-2012；

42、(6)满足国标gb/t5464-2010规定的a1级建筑材料标准。

43、本发明还提供上述复合材料的制备方法，包括如下步骤：将空心玻璃微球、胶粘剂、助剂和水性溶剂混合，制备得到所述复合材料。

44、根据本发明的实施方案，在所述制备方法中，空心玻璃微球、助剂和水性溶剂分别具有如上文所示的选择和用量。

45、根据本发明的实施方案，当胶粘剂含有玉米淀粉、改性淀粉、大豆淀粉、氧化淀粉和糯米淀粉等淀粉类物质中的一种或多种时，需要先将上述淀粉类物质与水性溶剂混合糊化、稀释，形成胶状物。

46、根据本发明的实施方案，当胶粘剂含有碱金属硅酸盐时，需要先将碱金属硅酸盐与水混合形成溶液。

47、根据本发明的一些实施方案，所述制备方法包括如下步骤：将胶粘剂与水性溶剂混合糊化、而后稀释，得到胶状物；将空心玻璃微球和助剂与所述胶状物混合均匀，得到复合胶泥；所述复合胶泥成型、脱除水性溶剂，得到所述复合材料；

48、所述胶粘剂选自玉米淀粉、改性淀粉、大豆淀粉、氧化淀粉和糯米淀粉中的一种或多种。

49、根据本发明的实施方案，所述稀释采用水性溶剂稀释，例如将糊化物的浓度稀释2-3倍。

50、根据本发明的一些实施方案，当所述胶粘剂由碱金属硅酸盐与纤维素和/或改性纤维素构成时，所述制备方法包括如下步骤：将碱金属硅酸盐与水混合形成碱金属硅酸盐溶液；将空心玻璃微球、纤维素和/或改性纤维素、助剂混合，得到混合物；所述混合物与所述碱金属硅酸盐溶液混合得到复合胶泥；所述复合胶泥成型、脱除水性溶剂，得到所述复合材料。

51、根据本发明的实施方案，所述脱除水性溶剂的温度小于100℃，例如为常温脱水。

52、本发明还提供上述复合材料在防火、隔热和/或保温领域中的应用，优选作为建筑材料。

53、有益效果

54、本发明选用以空心玻璃微球为主体、胶粘剂至少含有多糖类生物质、辅以助剂、水性溶剂的原料组合物，制备得到了一种环保型开闭孔复合板材。该板材中空心玻璃微球的重量占比不低于80％，具备轻质、高强度、隔热、保温、a1级防火、a1级建筑材料性能。

55、本发明复合板材的生产工艺简化，使用以水为主体水醇混合溶剂或纯水溶剂，生产安全性高，甚至可以做到有机溶剂零排放，无须使用压机和耗能干燥设备及数道工序，低温或常温下即可完成脱水，减少了对成型模具的耐温要求。大大减少了生产场地，降低投资费用，节省能源有利于环保，也减少生产过程中的运营费用，从而具有成本低廉的优势，增强产品的市场竞争力。