一种膨胀珍珠岩‑SiO2气凝胶的轻质保温墙体材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种膨胀珍珠岩‑SiO2气凝胶的轻质保温墙体材料的制备方法，该方法以TEOS为前驱体，EtOH为溶剂，H2SO4和NH3·H2O为催化剂，采用酸/碱两步催化反应制备SiO2溶胶，之后将SiO2溶胶搅拌直至溶胶变为凝胶，老化，溶剂交换，表面改性，联机升温干燥，将产物再混合粉煤灰、水玻璃、聚氨酯类发泡剂和水泥加入搅拌机中，并加入适量的水，搅拌混合均匀，经过养护制备成保温砌块，自然条件下静置一段时间，之后送入蒸压反应釜养护，即可制备得到轻质保温墙体材料。本发明专利技术制备的新型粉煤灰多孔保温材料生产过程节能，主要原料为固体废弃物，造价成本低且制造出来的保温材料符合质量要求，其强度、保温性能均达标。

A lightweight thermal insulation material of expanded perlite SiO2 aerogel preparation method

The invention discloses a preparation method of thermal insulation wall material of lightweight expanded perlite SiO2 aerogels, the method using TEOS as precursor, EtOH as solvent, H2SO4 and NH3 - H2O as catalyst, using two step acid / base catalytic reaction for preparation of SiO2 sol, then stir until the sol into SiO2 sol gel, aging, solvent exchange, surface modification, on-line heating drying, the product is then mixed with fly ash, water glass, polyurethane foaming agent and adding cement mixer, adding water, mixing evenly, after curing were prepared by thermal insulating block, for a period of time under natural conditions, after to steam autoclave curing, can be prepared by lightweight wall materials. The new fly-ash porous thermal insulation material prepared by the invention has the advantages of energy saving, the main raw material is solid waste, and the cost is low, and the thermal insulation material manufactured is in conformity with the quality requirement, and its strength and thermal insulation performance are all up to the standard.

【技术实现步骤摘要】
一种膨胀珍珠岩-SiO2气凝胶的轻质保温墙体材料的制备方法
本专利技术属于建筑材料
，涉及一种保温材料，具体涉及一种膨胀珍珠岩-SiO2气凝胶的轻质保温墙体材料的制备方法。
技术介绍
能源消费一直是当前人类发展社会的一大难题。众所周知，建筑部门主要在能源消耗和二氧化碳排放总量方面做出贡献。满足减碳承诺的关键要素之一是降低建筑物的能源消耗。建筑节能方面节能贡献率可达40-65％。建筑围护结构及其部件的正确设计和选择是降低加热和空调负荷的重要手段。在比例方面，建筑物的能源消耗占能源消费总量的3-4％左右。一般来说，墙体保温材料被认为是影响建筑节能的重要因素。选择高效节能墙体保温材料是实现建筑节能绝缘的重要途径。近来已经作出了相当大的努力来研究节能型新材料。轻质墙体材料(LWM)不仅具有相当的实力，而且有助于减少原料消耗量和自重。一般来说，轻质混凝土的原料包括飞灰，煤矸石，高炉渣粉和木炭。轻质混凝土已经被广泛地研究了它们众多有趣的特性，如低功率，低成本，重量轻和隔热。通常，各种填料用作水泥复合材料中的轻质骨料(LWA)，以降低单位重量，具有更好的机械和功能性能。轻质骨料包括天然材料如浮石和棕榈油壳，以及合成或加工材料，如膨胀珍珠岩(EP)，废玻璃，火山灰，膨胀页岩，发泡聚苯乙烯珠(EPS)，玻璃微球和其他一些材料。这些材料可以成功地用于开发轻质混凝土。膨胀珍珠岩(EP)是一种多孔结构材料，体积密度小，导热性好，化学稳定性好，被广泛用作轻质保温材料。粉煤灰是从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰，粉煤灰是燃煤电厂排出的主要固体废物。我国火电厂粉煤灰的主要氧化物组成为：SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2等。随着电力工业的发展，燃煤电厂的粉煤灰排放量逐年增加，成为我国当前排量较大的工业废渣之一。大量的粉煤灰不加处理，就会产生扬尘，污染大气；若排入水系会造成河流淤塞，而其中的有毒化学物质还会对人体和生物造成危害。但粉煤灰可资源化利用，如作为混凝土的掺合料等。但是因为我国含量大，碱性强，造成相对的利用率低，或者是被限制使用。因此，研究如何更好地处理粉煤灰是很有意义的。SiO2气凝胶是一种具有可控纳米结构，比表面积大，孔隙率大的多孔材料。SiO2气凝胶的独特结构特性使得在热，电，声和光学方面具有奇异性能的气凝胶。已经广泛研究了具有SiO2气凝胶或膨胀珍珠岩(EP)的建筑材料的节能性能。本专利技术中，用于制备轻质墙体材料的原料是飞灰，膨胀珍珠岩，碱活化剂和发泡剂。使用以下材料制备二氧化硅气凝胶材料：将四乙氧基硅烷(TEOS，28％，购自天津福辰化学试剂厂)，乙醇(EtOH，99.8％)，正己烷，硫酸(98重量％)和氢氧化铵(25重量％)购自北京化学试剂厂有限公司，三甲基氯硅烷(TMCS，98％，购自国药集团化学试剂有限公司)。所有成分都不用进一步修饰。使用自动双水蒸馏器(SZ-93型，上海雅荣有限公司)制备蒸馏水(18МΩ)。飞灰(以北京石景山火电厂为主)用作主要原料。EP(多孔结构，40目，山东玉顺绝缘材料厂获得)用作支撑材料。通过使用一定比例混合水玻璃(MS＝2.4)和NaOH(1mol/L)来制备模量(MS)为1.6的水玻璃。使用的发泡剂是从湖南佳德建材科技有限公司购买的FA-4保温块水泥。
技术实现思路
为了克服现有的制备粉煤灰保温材料的技术存在抗压强度低，保温性能不良，吸水率偏大等问题的不足，本专利技术利用粉煤灰免烧砖技术，制备得到一种膨胀珍珠岩-SiO2气凝胶的轻质保温墙体材料的制备方法，不但可以提高粉煤灰利用率，符合我国节能减排的发展要求，而且制得的保温砖，保温性能良好，抗压强度大，吸水率低，达到国家《复合保温砖和复合保温砌块》GB/T-29060-2012的要求。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种膨胀珍珠岩-SiO2气凝胶的轻质保温墙体材料的制备方法，所述的方法包括以下步骤：(1)以TEOS为前驱体，EtOH为溶剂，H2SO4和NH3·H2O为催化剂，采用酸/碱两步催化反应制备SiO2溶胶；(2)将膨胀的珍珠岩加入步骤(1)得到的SiO2溶胶中，搅拌直至溶胶变为凝胶；SiO2气凝胶的制备中采用四乙氧基硅烷(TEOS)作为硅源，溶胶-凝胶过程中通过硅源物质的水解和缩聚获得具有三维网络结构的氧化硅凝胶，其反应原理如下：水解：前驱体经过反应得到单体的过程，一般需要催化剂对反应进行催化，加快反应进程。缩聚：单体进行聚合反应，形成多孔结构的凝胶的过程，一般需要催化剂对反应进行催化，加快反应进程。凝胶形成的判断依据：将盛有凝胶的容器倾斜45°，凝胶没有流动性即认为凝胶己形成。当溶胶变成凝胶后，水解和浓缩反应远未完成。此时，凝胶的二氧化硅骨架中仍包含未反应的醇盐基团。实际上，凝胶后，水解和浓缩的时间甚至是凝胶时间的好几倍。因此必须有足够的时间使网络结构强化，使网络结构表面的—OH继续缩聚反应，形成新的Si—O键。通过控制pH值和水含量可以增强骨架结构。(3)将步骤(2)得到的凝胶在蒸馏水和乙醇中老化，并用乙醇冲洗；凝胶的形成并不意味着水解缩聚反应的终止，此时的凝胶虽然没有流动性，但是质软，骨架结构并不稳固，在凝胶孔隙内部，相关反应依旧在进行，老化的目的在于：在保证凝胶中的溶剂部分蒸发的情况下加强凝胶的骨架结构。老化后的凝胶，水仍旧保留在孔隙中，必须在干燥前去掉。把凝胶浸泡到无水乙醇中若干次，直到去掉所有的水。这一过程的时间长短和次数与形成的凝胶厚度有关。留在凝胶中的水若不能在干燥过程前去掉，将导致材料的不透明、发白以及密度增加。(4)将步骤(3)得到的凝胶进行溶剂交换并通过TMCS和正己烷的混合物进行表面改性；溶剂交换的目的：凝胶虽然不具有流动性，但是凝胶孔隙内部充满了溶剂，一般表面张力较大或超临界参数较高，并不适合直接进行干燥，需要进行溶剂交换，用表面张力小或超临界参数低的溶剂替代。湿凝胶的表面改性(表面烷基化)也是非常关键的措施，根据前人的研究，表面烷基化是常压干燥过程中凝胶回弹效应(springbackeffect)的关键:在干燥过程的后半段，凝胶孔隙内的液体被蒸发掉后，毛细管反力便不复存在，此时凝胶颗粒表面的烷基(一般为甲基)之间存在相互排斥的作用力，使得凝胶发生回弹，体积膨胀(基本与干燥前的体积相差无几)。表面改性的目的在于对凝胶进行疏水化处理，将凝胶表面亲水的羟基替换成疏水的甲基，另一方面，若不进行表面改性处理，凝胶微粒表面亲水的羟基在一定条件下相互么间会发生脱水聚合，从而破坏己经形成的空间网络结构。表面改性其反应原理如下：(CH3)3-Si-Cl+≡Si-OH→≡Si-O-Si-(CH3)3+HCl(5)将步骤(4)得到的凝胶进行联机升温，在一定的压力环境下干燥，即可制备得到二氧化硅气凝胶复合膨胀珍珠岩。干燥过程是硅气凝胶制备中另一个重要的过程。由于溶剂充满于凝胶粒子的间隙，为了得到固体凝胶，同时保持凝胶的结构不变，因此需要通过干燥去掉溶剂。但是，由于在干燥过程中，溶剂蒸发造成凝胶的收缩，在凝胶微结构中必然产生毛细压力，这一关系可用拉普拉斯方程来表示：Δp＝2γcosθ/r式中：Δp为毛细压力，γ为溶剂的表面张力，θ为接触角，r为毛细管半径。从上式中可以看出为了降低Δp可以本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种膨胀珍珠岩‑SiO2气凝胶的轻质保温墙体材料的制备方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：(1)以TEOS为前驱体，EtOH为溶剂，H2SO4和NH3·H2O为催化剂，采用酸/碱两步催化反应制备SiO2溶胶；(2)将膨胀的珍珠岩加入步骤(1)得到的SiO2溶胶中，搅拌直至溶胶变为凝胶；(3)将步骤(2)得到的凝胶在蒸馏水和乙醇中老化，并用乙醇冲洗；(4)将步骤(3)得到的凝胶进行溶剂交换并通过TMCS和正己烷的混合物进行表面改性；(5)将步骤(4)得到的凝胶进行联机升温，干燥，即可制备得到二氧化硅气凝胶复合膨胀珍珠岩；(6)将二氧化硅气凝胶复合膨胀珍珠岩、粉煤灰、水玻璃、聚氨酯类发泡剂和水泥加入搅拌机中，并加入适量的水，搅拌混合均匀，经过养护制备成保温砌块，自然条件下静置，之后送入蒸压反应釜养护，即可制备得到轻质保温墙体材料。

【技术特征摘要】
1.一种膨胀珍珠岩-SiO2气凝胶的轻质保温墙体材料的制备方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：(1)以TEOS为前驱体，EtOH为溶剂，H2SO4和NH3·H2O为催化剂，采用酸/碱两步催化反应制备SiO2溶胶；(2)将膨胀的珍珠岩加入步骤(1)得到的SiO2溶胶中，搅拌直至溶胶变为凝胶；(3)将步骤(2)得到的凝胶在蒸馏水和乙醇中老化，并用乙醇冲洗；(4)将步骤(3)得到的凝胶进行溶剂交换并通过TMCS和正己烷的混合物进行表面改性；(5)将步骤(4)得到的凝胶进行联机升温，干燥，即可制备得到二氧化硅气凝胶复合膨胀珍珠岩；(6)将二氧化硅气凝胶复合膨胀珍珠岩、粉煤灰、水玻璃、聚氨酯类发泡剂和水泥加入搅拌机中，并加入适量的水，搅拌混合均匀，经过养护制备成保温砌块，自然条件下静置，之后送入蒸压反应釜养护，即可制备得到轻质保温墙体材料。2.如权利要求1所述的一种膨胀珍珠岩-SiO2气凝胶的轻质保温墙体材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，在连续搅拌下，将摩尔比为(0.5-1.5):(4-6)的TEOS和EtOH搅拌混合均匀，然后加入纯化水和H2SO4，调节混合溶液体系pH为2-3，搅拌20-30小时后，再加入NH3·H2O和纯化水，调节混合溶液体系pH为6-8。3.如权利要求1所述的一种膨胀珍珠岩-SiO2气凝胶的轻质保温墙体材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，在1000-1300℃高温条件下加热珍珠岩，得到膨胀的珍珠岩。4.如权利要求1所述的一种膨胀珍珠岩-SiO2气凝胶的轻质保温墙体材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，将凝胶在100％蒸馏水中浸泡20-30小时，然后50％乙醇...

【专利技术属性】
技术研发人员：张以河，褚博华，刘金刚，王新珂，陈飞旭，李新建，吕凤柱，郝向阳，张娜，
申请(专利权)人：中国地质大学北京，
类型：发明
国别省市：北京,11