一种SiO2气凝胶-石膏基保温材料及其制备方法与流程

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种SiO2气凝胶-石膏基保温材料及其制备方法。

背景技术

我国一直面临能源利用率低、建筑能耗髙的问题，如现有建筑的90％以上和新增建筑的80％以上均未达到标准要求；且我国能耗要高出其他国家(气候情况相同)的2～3倍。作为世界上能源消耗最多的国家，建筑能耗占总能耗的33％左右。随着我国城乡建设的加快，越来越多的民用及商用建筑投入使用，在使用过程中也伴随着大量能源的消耗，如空调、采暖和建筑物照等属于建筑运行能耗，会一直存在于建筑物的运行中。

值得注意的是，现已证实居民住宅的节能建筑在投入成本较少的情况下，具有成本回收快(五年内)和节能效率高(易达到50％左右的节能)的优点。为了达到夏热冬冷地区和夏热冬暖地区的建筑节能需求，建筑隔热保温材料已成为建筑节能的主要研究方向。亟待研制出既隔热又保温的保温材料，或以隔热为主的保温材料。

石膏及其制品作为人类应用最早的胶凝材料之一，因其具有优良的隔音、保温隔热、调湿和防火性能，加上质轻和加工方便等优点，成为一种绿色环保型建筑材料，受到国内外学者的广泛关注。随着时代的发展，人们对绿色保温材料性能的要求日益苛刻，研制出高强度、耐火、吸声、储热、吸附净化等功能化的高端石膏板材现已成为新型建筑材料和石膏行业发展的重要方向之一。而气凝胶不仅可用作隔热材料，也可作为声阻抗材料和防火材料。因此，气凝胶-石膏基保温材料的研制具有非常重要的研究意义。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种SiO2气凝胶-石膏基保温材料的制备方法。该方法以建筑石膏、SiO2气凝胶为原料与水掺合制备SiO2气凝胶-石膏基保温材料，使得SiO2气凝胶均匀分散到建筑石膏中，增强了材料的隔热保温性能，并降低了材料的比重，工艺简单，无需发泡，且不用添加其他外加或改性材料。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种SiO2气凝胶-石膏基保温材料的制备方法，其特征在于，由建筑石膏、SiO2气凝胶和水掺合制备得到，且以建筑石膏和SiO2气凝胶总质量为基准，SiO2气凝胶的掺入质量百分数为2％～50％。

本发明以建筑石膏、SiO2气凝胶为原料与水掺合制备SiO2气凝胶-石膏基保温材料，使得SiO2气凝胶均匀分散到建筑石膏，增强了材料的隔热保温性能，并降低了材料的比重，工艺简单，无需发泡，且不用添加其他外加或改性材料。

上述的一种SiO2气凝胶-石膏基保温材料的制备方法，其特征在于，所述建筑石膏的物相为半水硫酸钙。本发明采用的建筑石膏主要是天然石膏或工业副产石膏经脱水处理制得，以β半水硫酸钙(β-CaSO4˙1/2H2O)为主要成分，不添加任何外加剂或添加物的粉状胶凝材料，将其用作保温材料有利于该保温材料力学性能的提高。

上述的一种SiO2气凝胶-石膏基保温材料的制备方法，其特征在于，所述SiO2气凝胶为隔热分散型SiO2气凝胶膏。本发明优选采用隔热分散型SiO2气凝胶膏，有利于SiO2气凝胶充分均匀分散到建筑石膏中，进一步提高了保温材料的隔热保温性能。

上述的一种SiO2气凝胶-石膏基保温材料的制备方法，其特征在于，所述SiO2气凝胶在建筑石膏中分散均匀，无聚集和结块。

上述的SiO2气凝胶-石膏基保温材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、将建筑石膏进行过筛，得到石膏粉；

步骤二、从步骤一中得到的石膏粉中取样与SiO2气凝胶混合均匀，得到混合样品，然后对混合样品进行标准稠度扩展度测定，得到混合样品的标准稠度用水量；

步骤三、将步骤一中得到的石膏粉与SiO2气凝胶混合均匀，得到混合物A，然后根据步骤二中得到的混合样品的标准稠度用水量称取水并与混合物A搅拌混匀，制备得到浆料A；

或者根据步骤二中得到的混合样品的标准稠度用水量称取水并与SiO2气凝胶搅拌混匀，得到混合物B，然后加入步骤一中得到的石膏粉搅拌混匀，制备得到浆料B；

且以建筑石膏和SiO2气凝胶总质量为基准，所述浆料A和浆料B中SiO2气凝胶的掺入质量百分数与步骤二混合样品中SiO2气凝胶的掺入质量百分数相同；

步骤四、将步骤三中得到的浆料A或浆料B倒入模具中，养护后脱模，然后养护至龄期后烘干，得到SiO2气凝胶-石膏基保温材料。

本发明以建筑石膏和SiO2气凝胶为原料，分别采用两种不同的混料顺序，探索原料的投料顺序对SiO2气凝胶-石膏基保温材料性能影响，具体为：(1)先将石膏粉与SiO2气凝胶混匀再加入水得到浆料A；由于SiO2气凝胶为疏水性膏状，在与石膏粉混匀后，SiO2气凝胶内部的水与石膏粉反应，形成大量分布均匀的气凝胶微球，再加入水后，气凝胶微球的间隙或表面附着的石膏粉发生水化，使得气凝胶微球被包裹在石膏浆体中，其表面光滑性和流动性均得到改善，在后续烘干过程中，气凝胶微球和石膏浆中的水分挥发，形成由大量规则蜂窝孔聚集而成的结构，因此制备得到的SiO2气凝胶-石膏基保温材料的干密度和导热系数较低；(2)先将水与SiO2气凝胶混匀再加入石膏粉得到浆料B；由于SiO2气凝胶为疏水性膏状，在与水混合后易聚集并浮于水面，无法充分混匀，再加入石膏粉后，一部分石膏粉直接与水反应生成浆体，且浆体再与SiO2气凝胶混匀，另一部分石膏粉与SiO2气凝胶中的水反应形成气凝胶微球，气凝胶微球的数量大幅下降，且气凝胶微球的被包裹性、分散性也大大降低，其表面光滑性和流动性较差，在后续烘干工艺后，形成大量不规则蜂窝孔聚集而成的结构，因此制备得到的SiO2气凝胶-石膏基保温材料的干密度和导热系数较高。

同时，本发明采用标准稠度扩展度测定，得到混合样品的标准稠度用水量，有效保证了SiO2气凝胶-石膏基保温材料的凝结时间，有利于改善SiO2气凝胶-石膏基保温材料的质量。

上述的一种SiO2气凝胶-石膏基保温材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述过筛采用200目筛网。采用200目筛网过滤得到的石膏粉粒度较细，有利于SiO2气凝胶的充分分散，同时避免原料受潮结块影响SiO2气凝胶-石膏基保温材料的质量。

上述的一种SiO2气凝胶-石膏基保温材料的制备方法，其特征在于，步骤四中所述烘干为在50℃～55℃下干燥18h～24h至恒重。通常，恒重的判断标准为：将再养护后的浆料凝结体进行持续干燥并称重，且两次称重间隔大于4h，直至相邻两次称重的质量差不大于1g。

另外，本发明还公开了一种SiO2气凝胶-石膏基保温材料，其特征在于，由上述的方法制备得到。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明以建筑石膏、SiO2气凝胶为原料与水掺合制备SiO2气凝胶-石膏基保温材料，使得SiO2气凝胶均匀分散到建筑石膏中，增强了材料的隔热保温性能，并降低了材料的比重，工艺简单，无需发泡，且不用添加其他外加或改性材料。

2、本发明将石膏粉与SiO2气凝胶混匀后形成大量分布均匀的气凝胶微球，然后加入水与气凝胶微球的间隙或表面附着的石膏粉发生水化，形成石膏浆体包裹在气凝胶微球表面，经烘干后形成由大量规则蜂窝孔聚集而成的结构，因此SiO2气凝胶-石膏基保温材料的干密度和导热系数较低，提高了保温材料的使用性能。

3、本发明研究了SiO2气凝胶掺量对石膏基保温材料标准稠度用水量、凝结时间、强度和导热系数的影响，探索了SiO2气凝胶-石膏基保温材料的作用规律，并获得性能最优时的SiO2气凝胶最佳掺量。

下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明实施例1～实施例7和对比例1中采用的建筑石膏的XRD图谱。

具体实施方式

本发明实施例1～实施例7和对比例1中采用的建筑石膏的物相均为半水硫酸钙，SiO2气凝胶均为隔热分散型SiO2气凝胶膏，SiO2气凝胶在建筑石膏中均分散均匀，无聚集和结块。

本发明实施例1～实施例7和对比例1中对混合样品进行标准稠度扩展度测定、进而得到混合样品的标准稠度用水量的具体过程参照GB/T17669.3-1999《建筑石膏力学性能的测定》中的标准稠度扩展度测定方法，其具体过程为：将稠度仪的筒体内部及玻璃板擦净，并保持湿润，然后将稠度仪的筒体垂直放置于玻璃板上；将预估的标准稠度用水量的水倒入搅拌碗中，称取混合样品300g在5s内倒入搅拌碗的水中，并用拌合棒搅拌30s，得到均匀的料浆；将料浆边搅拌边迅速注入稠度仪的筒体内，用刮刀刮去溢浆，使浆面与筒体上端面齐平，从混合样品与水接触开始至50s时，开动稠度仪筒体提升按钮，待筒体提去后，测定料浆扩散成的试饼在两个垂直方向上的扩展直径，计算其算术平均值，记录料浆扩展直径为(180±5)mm时的加水量，并计算该加水量与混合样品质量之比(以百分数表示)，取两次测定结果平均值作为混合样品标准稠度用水量，精确至1％。

实施例1

本实施例包括以下步骤：

步骤一、将建筑石膏过200目筛网，得到石膏粉；

步骤二、从步骤一中得到的石膏粉中取样294g与6g的SiO2气凝胶混合均匀，得到混合样品，，以石膏粉对应的建筑石膏和SiO2气凝胶的总质量为基准，混合样品中SiO2气凝胶的掺入质量百分数为2％，然后对混合样品进行标准稠度扩展度测定，得到混合样品的标准稠度用水量为67％；

步骤三、将8820g步骤一中得到的石膏粉与180g的SiO2气凝胶混合均匀，得到混合物，然后根据步骤二中得到的混合样品的标准稠度用水量称取6030g水并与混合物搅拌混匀，制备得到浆料；

步骤四、将步骤三中得到的浆料倒入尺寸为300mm×300mm×30mm(长×宽×高)、且底部平铺聚乙烯塑料布的模具中，抹平上表面，养护至终凝后脱模，然后在室温25±2℃下养护至龄期，并放置于50℃～55℃的烘箱中干燥18h～24h至恒重，得到SiO2气凝胶-石膏基保温材料。

对比例1

本对比例与实施例1的不同之处在于：浆料中SiO2气凝胶掺入质量百分数为0％。

实施例2

本实施例包括以下步骤：

步骤一、将建筑石膏过200目筛网，得到石膏粉；

步骤二、从步骤一中得到的石膏粉中取样294g与6g的SiO2气凝胶混合均匀，得到混合样品，以石膏粉对应的建筑石膏和SiO2气凝胶的总质量为基准，混合样品中SiO2气凝胶的掺入质量百分数为2％，然后对混合样品进行标准稠度扩展度测定，得到混合样品的标准稠度用水量为67％；

步骤三、根据步骤二中得到的混合样品的标准稠度用水量称取6030g水与180g的SiO2气凝胶搅拌混匀，得到混合物，然后加入8820g步骤一中得到的石膏粉搅拌混匀，制备得到浆料；

步骤四、将步骤三中得到的浆料倒入尺寸为300mm×300mm×30mm(长×宽×高)、且底部平铺聚乙烯塑料布的模具中，抹平上表面，养护至终凝后脱模，然后在室温25±2℃下养护至龄期，并放置于50℃～55℃的烘箱中干燥18h～24h至恒重，得到SiO2气凝胶-石膏基保温材料。

根据GB/T 10294-2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定方法热板法》对实施例1和实施例2制备的SiO2气凝胶-石膏基保温材料进行导热系数检测，并同时进行干密度检测，结果如表1所示。

表1

从表1可知，实施例1制备的SiO2气凝胶-石膏基保温材料的干密度和导热系数均低于实施例2，性能更为优异，更适宜作为保温隔热材料，说明实施例1采用石膏粉与SiO2气凝胶混合后再加入水的加料顺序，优于实施例2中将SiO2气凝胶与水混匀后再加入石膏粉的加料顺序。

根据实施例1的加料顺序，采用不同的SiO2气凝胶掺量进行实施例2～7，制备得到SiO2气凝胶-石膏基保温材料；同时，测试不同SiO2气凝胶掺量(5％～50％)制备浆料的标准稠度用水量，在符合标准稠度用水量的情况下，使用维卡仪测得实施例1-7和对比例1所制浆料的初凝时间和终凝时间，采用的参数及检测结果具体见表2。

表2

从表2可知，随着SiO2气凝胶的掺入质量百分数的增加(0％～50％)，SiO2气凝胶-石膏基保温材料采用的标准稠度用水量减少；同时，对应净浆的初凝时间和终凝时间的变化规律保持一致，即在SiO2气凝胶的掺入质量百分数为0％～5％时呈增大趋势，大于5％且小于20％时呈先减小后增大趋势，其中以10％时最小，20％～30％时呈减小趋势，大于30％时持续增大。

根据GB/T 10294-2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定方法热板法》对实施例1～7和对比例1中制备的SiO2气凝胶-石膏基保温材料的导热系数进行检测，并同时进行干质量和干密度检测，结果如表3所示。

表3

从表3可以看出，随着SiO2气凝胶的掺入质量百分数的增加(0％～50％)，SiO2气凝胶-石膏基保温材料的干质量和干密度明显降低，且导热系数也随之降低，当实施例7中SiO2气凝胶的掺入质量百分数高达50％时，相对于对比例1，SiO2气凝胶-石膏基保温材料的干质量减重为70.26％，而导热系数降低了72.44％，为0.08032W/(m·K)，保温性能最好，说明SiO2气凝胶的掺入质量百分数对SiO2气凝胶-石膏基保温材料的干密度和导热系数影响较大；但需要注意的是，实施例7中的凝结时间较长(表2，终凝时间＞60min)，如果再增加SiO2气凝胶的掺入质量百分数，则凝结时间过长而失去实际应用价值，因此，将SiO2气凝胶的掺入质量百分数控制为不超过50％。

根据GB/T17669.3-1999《建筑石膏力学性能的测定》对实施例1～7和对比例1中制备的SiO2气凝胶-石膏基保温材料的力学性能进行检测，结果如表4所示。

表4

表4中的“-”表示强度过低无法测得数值。

从表4可以看出，随着SiO2气凝胶的掺入质量百分数的增加，SiO2气凝胶-石膏基保温材料的抗压强度(2h，7d)和抗折强度(2h，7d)整体均呈降低趋势，且随着养护龄期的增加，SiO2气凝胶-石膏基保温材料的抗压强度和抗折强度均增大。

将表2～表4进行综合分析发现，当SiO2气凝胶的掺入质量百分数为40％时，制备的SiO2气凝胶-石膏基保温材料的凝结时间、干密度、导热系数和力学性能达到最优，适宜于实际应用。

图1为本发明实施例1～实施例7和对比例1中采用的建筑石膏的XRD图谱，从图1可以看出，在2θ＝14.76°附近的最强衍射峰，及2θ分别位于29.76°和25.69°对应的次强衍射峰峰和第三强衍射峰，都是半水石膏(Bassanite，CaSO4˙0.5H2O)衍射峰；而2θ分别在27.93°、31.91°、33.00°、42.29°、49.40°、54.14°和55.13°等附近也出现半水石膏衍射峰；2θ位于26.63°左右出现的强度较低的衍射峰，则为石英(Quartz，SiO2)峰，说明建筑石膏的主要物相为半水石膏，其中也有含量较低的石英，且分析含量可知，半水石膏含量高达96.8％，而石英仅为3.2％。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。