一种膨胀珍珠岩—硬硅钙石复合保温材料及其制备方法 【技术领域】
本发明属于保温材料领域，特别涉及一种膨胀珍珠岩—硬硅钙石复合保温材料。
背景技术
膨胀珍珠岩制品由于价格低廉，又具有耐火、抗腐蚀和使用过程中无有害物质释放、拆除时易于无害化处理等特点，因而是国内使用量最大的无机质保温材料之一。膨胀珍珠岩原料是由天然珍珠岩矿石经850℃～1050℃的快速加温使其产生膨化而获得。膨胀珍珠岩颗粒内部的孔隙尺寸大多在50μm以下，膨化的颗粒本身的体积密度一般小于150kg/m3，气孔率在90％以上。因此膨胀珍珠岩颗粒本身无论是在常温还是在高温都有较低的导热系数。但是目前的膨胀珍珠岩绝热制品(板材、管壳或其它形材)多以水泥或水玻璃作为粘结材料而将膨胀珍珠岩颗粒结合在一起。如果是以水泥为粘结材料则水泥充满颗粒之间的毫米级孔隙，使制品的体积密度大幅度增加，加剧了固体热传导，使制品的导热系数增大。如果使用水玻璃作为粘结材料，虽然制品的体积密度可能很低，制品在常温下也有较低的导热系数，但由于制品内颗粒之间的孔隙尺寸较大，因此在高温状态下这种制品的导热系数上升很快，从而使材料的保温性能大大降低。使用上述两种粘结材料还会使制品的耐高温性大幅度下降。
【发明内容】
本发明采用硬硅钙石活性料浆作为粘结材料，制成膨胀珍珠岩—硬硅钙石复合保温材料，在导热系数、强度和耐高温性等方面比传统的膨胀珍珠岩制品都有较大幅度的提高。
本发明的原理：
硬硅钙石活性料浆是生产硬硅钙石型硅酸钙保温材料过程中的中间产品。控制生产过程使硬硅钙石活性料浆由水、硬硅钙石二次粒和胶体三部分组成，硬硅钙石活性料浆的主要成分是硬硅钙石二次粒子。硬硅钙石二次粒子由纤状的硬硅钙石晶体相互缠绕、交生和连生而成，外部纤维较密，内部近于中空，这种二次粒子的体积密度与膨胀珍珠岩相近，粒子本身的导热系数低于膨胀珍珠岩。硬硅钙石二次粒子的外形尺寸为10～100μm，适于充填膨胀珍珠岩制品内颗粒之间的较大孔隙。
此外，由于硬硅钙石活性料浆中含有一定量地胶体，因而具有粘结性。这些胶体实际上也是由具有纳米和亚纳米尺寸的结晶度非常低的硬硅钙石晶体组成。硬硅钙石和胶体在1000℃以下加热时都不会发生本质的变化。采用这种硬硅钙石活性料浆作为粘结材料，除了单纯的粘结作用之外，还可发挥硬硅钙石二次粒子的充填作用，消除膨胀珍珠岩中的较大尺寸孔隙。此外采用硬硅钙石活性料浆作为粘结材料不象采用水玻璃和水泥那样会降低膨胀珍珠岩制品的使用温度。因此本发明采用硬硅钙石活性料浆作为膨胀珍珠岩制品的粘结材料，与传统膨胀珍珠岩制品相比，导热系数有明显的降低，强度和耐高温性能有明显的提高。
制备工艺：
一、硬硅钙石活性料浆的制备
1、制备硬硅钙石活性料浆的原料
制备硬硅钙石活性料浆的主要原料是石英和石灰。所用的石英是粒度为0～40μm的石英粉。石英粉可以用石英岩、脉石英或石英砂经破碎和粉磨而成，也可以是天然产出的细粒粉石英。石英原料中SiO2的含量应大于98.0Wt.％。所用的石灰为普通建筑用石灰，CaO含量应在80.0～99.6Wt.％，MgO含量应在0.1～10.0Wt.％，SiO2含量应在0.1～10.0Wt.％，Al2O3含量应在0.1～3.0Wt.％，Fe2O3含量应在0.1～2.0Wt.％。所用石灰用20～60℃的温水进行消解，并过100目和200目两道筛网，滤出灰渣即石灰乳备用。
2、配料及反应条件
将石英粉与按上述要求制备的石灰乳以CaO/SiO2的比例在1.10～0.98进行配料，并补充水量至水/(石英粉+石灰)的比例为15～25，作为反应前的混合料浆。将上述混合料浆装入带有搅拌装置的高压釜密封后进行高温高压水热动态反应。反应釜内的升温应在1.5～3.0小时内完成，温度升至220℃后再保温1.0～3.0小时，这时反应釜内的平衡压约为2MPa。保温过程完成后停止供热源进行自然降温。自然降温的过程中反应釜内的反应仍在继续进行。因此应控制高压釜的搅拌力度与保温条件，使高压釜内温度维持在180℃以上的时间为3～5小时。当自然降温到160℃时应通冷却水进行快速降温。待釜内温度降至近室温后取出料浆。在有安全措施保证的条件下(避免烫伤)，也可以在100～105℃进行带压放料，以提高生产效率。在上述反应过程中高压釜可以连续搅拌，转速控制在50～80转/分钟，也可以间歇搅拌，转速控制在80～200转/分钟。按上述工艺所得到的反应好的料浆就是硬硅钙石活性料浆。
二、膨胀珍珠岩—硬硅钙石复合保温材料的制备
膨胀珍珠岩需选用松散容重在60～100kg/m3的产品。将膨胀珍珠岩原料混入硬硅钙石活性料浆，混合比例为膨胀珍珠岩占74～85Wt.％，硬硅钙石活性料浆干物质占14～25Wt.％，并另外加入1.0Wt.％的耐碱玻璃纤维作为增强纤维。将上述混合料搅拌均匀后，在具有滤水功能的模具中用压力机压滤成型。压制时压强控制在0.10～0.15MPa。压滤成型后的湿坯放入烘干窑中烘干，烘干窑的温度控制在50～110℃。制品经烘干后(含水率≤1.0％，在空气中吸湿后含水率≤4.0％)可作为成品出售。
本发明克服了水玻璃或水泥作为粘结剂会降低普通珍珠岩制品使用温度的缺点，而是以微米级硬硅钙石中空二次粒子填充膨胀珍珠岩颗粒的较大孔隙，使复合制品在800℃时的导热系数比传统的水玻璃结合膨胀珍珠岩制品下降了近30％，抗折强度和抗压强度提高一倍以上，使用温度提高了近200℃，而制备成本保持在与传统膨胀珍珠岩制品相近的水平。这种复合制品在很多场合下可能取代硬硅钙石型硅酸钙保温材料(硬硅钙石型硅酸钙保温材料制备成本是传统膨胀珍珠岩制品的2～3倍)。表1比较了典型的传统膨胀珍珠岩制品、本发明的复合制品与典型的硬硅钙石型硅酸钙板的性能。
性能 传统膨胀珍珠岩制品 本发明的复合制品 硬硅钙石型硅酸钙板
(水玻璃)
体积密度(kg/m3) 150 ≤210 220
冷态抗压强度(MPa) 0.56 ≥1.56 1.02
冷态抗折强度(MPa) 0.31 ≥0.81 0.49
烘干线收缩率(％) 0.80 ≤1.50 1.50
烧后线收缩率(％) 4.50 ≤0.90 0.40
(800℃×16h)
导热系数(W/m·K) 0.052 ≤0.056 0.056
(25℃)
导热系数(W/m·K) 0.169 ≤0.128 0.128
(800℃)
【具体实施方式】
实施例1
硬硅钙石活性料浆的制备
所用石英粉为天然产出并经简单水选后的天然石英粉，商品名为“粉石英”，粒度0～40μm，SiO2含量为99.1Wt.％，所用石灰的主要化学成分为：CaO97.5Wt.％，MgO 1.2Wt.％，SiO2 0.4Wt.％，Al2O3 0.4Wt.％，Fe2O3 0.5Wt.％。石灰用50℃温水消解后过100目和200目筛网后供配料使用。
将上述“粉石英”与石灰乳化以CaO/SiO2的比例在1.05进行配料，并补充水量至水/(石英粉+石灰)的比例为20，作为反应前的混合料浆。将上述混合料浆装入带有搅拌装置的高压釜密封后进行高温高压水热动态反应。反应釜内的升温应在1.8小时内完成，温度升至220℃后再保温3小时，然后停止供给热源进行自然降温。自然降温4小时后釜内温度降至160℃。然后在高压釜的循环冷却装置中通入冷却水进行冷却降温。当温度降至105℃时，打开设置在高压釜下部的排料口进行放料，得到硬硅钙石活性料浆。在上述反应过程中高压釜是歇搅拌，每1小时内搅拌10分钟，转速控制在80转/分钟。
膨胀珍珠岩—硬硅钙石复合保温材料的制备
所选用的膨胀珍珠岩原料为松散容重在70kg/m3的产品。将膨胀珍珠岩原料混入硬硅钙石活性料浆，混合比例为膨胀珍珠岩占79Wt.％，硬硅钙石活性料浆干物质占20Wt.％，并另外加入1.0Wt.％的耐碱玻璃纤维作为增强纤维。将上述混合料搅拌均匀后，在具有滤水功能的模具中用压力机压滤成型。压制时压强控制在0.10MPa。压滤成型后的湿坯放入烘干窑中烘干，烘干窑的入口温度控制在50℃，高温段温度为110℃。经烘干的坯体经检验后即得成品。所得制品的物理性能如表2所示。
表2 实施例1中制品的物理性能体积密度(kg/m3) 冷态强度 (MPa)烘干线收缩率(％)烧后线收缩率(％)800℃× 16h) 导热系数(W/m·K) 抗压 抗折 25℃ 800℃ 204 1.56 0.81 1.47 0.83 0.052 0.128
实施例2
硬硅钙石活性料浆的制备
所用石英粉同实施例1，粒度0～40μm，SiO2含量为98.5Wt.％，所用石灰的主要化学成分为：CaO89.3 Wt.％，MgO 3.4Wt.％，SiO2 5.2Wt.％，Al2O3 1.3Wt.％，Fe2O3 0.8Wt.％。石灰用50℃温水消解后过100目和200目筛网后供配料使用。
将上述“粉石英”与石灰乳以CaO/SiO2的比例在1.03进行配料，并补充水量至水/(石英粉+石灰)的比例为20，作为反应前的混合料浆。将上述混合料浆装入带有搅拌装置的高压釜密封后进行高温高压水热动态反应。反应釜内的升温在1.5小时内完成，温度升至220℃后再保温2小时，然后停止供给热源进行自然降温。自然降温4小时后釜内温度降至160℃。然后在高压釜的循环冷却装置中通入冷却水进行冷却降温。当温度降至105℃时，打开设置在高压釜下部的排料口进行放料，得到硬硅钙石活性料浆。在上述反应过程中高压釜是歇搅拌，每1小时内搅拌30分钟，转速控制在120转/分钟。
膨胀珍珠岩—硬硅钙石复合保温材料的制备
所选用的膨胀珍珠岩原料松散容重为80kg/m3。将膨胀珍珠岩原料混入硬硅钙石活性料浆，混合比例为膨胀珍珠岩占74Wt.％，硬硅钙石活性料浆干物质占25Wt.％，并另外加入1.0Wt.％的耐碱玻璃纤维作为增强纤维。将上述混合料搅拌均匀后，在具有滤水功能的模具中用压力机压滤成型。压制时压强控制在0.15MPa。压滤成型后的湿坯放入烘干窑中烘干，烘干窑的入口温度控制在50℃，高温段温度为110℃。经烘干的坯体经检验后即得成品。所得制品的物理性能如表3所示。
表3 实施例2中制品的物理性能 体积密度 (kg/m3) 冷态强度 (MPa)烘干线收缩率(％) 烧后线收缩率 (％)800℃× 16h) 导热系数(W/m·K) 抗压 抗折 25℃ 800℃ 208 1.58 0.84 1.32 0.81 0.054 0.122