氣凝膠膨脹珍珠巖的制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及建筑節能材料領域，具體是一種氣凝膠膨脹珍珠巖的制備方法。
【背景技術】
[0002] 我國建筑市場上應用的墻體保溫節能材料主要分為有機和無機兩大類。有機保溫 材料如發泡聚苯板、擠塑聚苯板、噴涂聚氨酯、酚醛樹脂泡沫板等導熱系數小，保溫效果良 好，在建筑保溫節能領域得到廣泛的應用。但是有機保溫材料易燃燒，一旦發生火災會加速 火焰蔓延，并有大量有毒氣體排出。另外，有機保溫材料不耐老化、變形系數大、穩定性和安 全性差，用在建筑上無法達到保溫結構同壽命。
[0003] 無機保溫材料膨脹珍珠巖是由珍珠巖礦經破碎、篩分成礦砂，在高溫條件下體積 迅速膨脹而成。由于膨脹珍珠巖質輕、多孔、不燃、無毒、化學穩定性好，并且造價低，作為綠 色、環保、節能材料已被廣泛應用于建筑保溫節能工程。此外，膨脹珍珠巖還具有吸音、防 震、防輻射等優良性能，具有廣泛的應用前景。
[0004] 但是，膨脹珍珠巖在實際工程應用中也存在諸多問題從而限制了其應用范圍。膨 脹珍珠巖較有機保溫材料導熱系數偏大，保溫效果差。常用的有機保溫材料導熱系數在 0.03 W/(m.K)左右，而膨脹珍珠巖的導熱系數一般在0.045-0.075 W/(m.K)范圍。并且， 由于內部的蜂窩狀結構使得膨脹珍珠巖極易吸水，質量吸水率高達300%~400 %。水的導 熱系數是空氣的24倍，吸水后的膨脹珍珠巖內部由水分子構成熱橋，使膨脹珍珠巖導熱系 數大大提高。另外，吸水后的膨脹珍珠巖材料機械強度隨之降低，使用壽命縮短。因此，研究 合適的方法降低膨脹珍珠巖的導熱系數，通過憎水改性方法降低其吸水率成為膨脹珍珠巖 及其制品的重要研究方向。
[0005] 氣凝膠是一種分散介質為氣體的凝膠材料，因其具有三維納米顆粒骨架，高比表 面積，納米級孔洞，低密度等特殊的微觀結構，在熱學、光學、聲學等方面都表現出獨特的性 質。由于氣凝膠的納米多孔結構能夠有效抑制固態熱傳導和氣體傳熱，具有優異的隔熱特 性，是目前公認熱導率最低的固態材料(常溫下為0.01-0.03 W/(m·^)。在聲學方面，氣凝 膠內部充滿了開放且相互連通的介孔，聲波在氣凝膠中傳播時大部分聲能被耗費，可以作 為隔聲材料以及聲耦合材料。相比于一般普通材料(如巖棉板），氣凝膠具有極好的穩定性、 耐腐蝕性以及疏水性，使它即使在高溫及強腐蝕環境下仍有很好的消音效果。此外，由于氣 凝膠較低的彈性模量和機械強度可用作能量吸收器，具有抗爆和抗沖擊性能。因此，氣凝 膠作為一種超級絕熱材料，具有良好的隔熱、吸聲、抗爆、抗沖擊性能，在航天航空、化工、冶 金、建筑節能等領域具有廣闊的應用前景。
[0006] 但是，從目前二氧化硅氣凝膠的制備來看，一般采用昂貴的硅源做前驅體，利用溶 膠-凝膠法通過超臨界干燥工藝獲得，工藝復雜，成本很高，并且存在安全隱患。如果以氣凝 膠為單體材料直接應用于建筑節能工程，僅保溫材料一項的成本將會增加數十倍乃至數百 倍。另外，氣凝膠低密度、高孔隙率的結構特點也導致其力學性能急劇下降，材料強度變低、 脆性增大。因此，氣凝膠直接取代傳統的隔熱材料應用于建筑節能領域，從成本到材料還存 在很多亟待解決的問題。
[0007] 專利《含納米珍珠巖的建筑保溫混凝土及其制備方法》（【申請號】2014108043753) 公開了一種納米珍珠巖制備方法，該方法利用正硅酸乙酯為前驅體，使用無水乙醇為有機 溶劑，制備納米二氧化硅溶膠，然后通過真空浸漬吸附工藝將納米二氧化硅溶膠吸入到珍 珠巖內腔結構中，等待納米二氧化硅溶膠在珍珠巖內部凝膠老化，最后通過干燥即得到納 米珍珠巖。該方法使用了成本較高的正硅酸乙酯和無水乙醇，并且后期未對二氧化硅濕凝 膠溶進行溶劑置換和疏水處理，這在常壓下干燥氣凝膠會使其納米孔結構坍塌，導致氣凝 膠的孔隙率降低，導熱系數升高，降低氣凝膠制備質量。
[0008] 專利《納米珍珠巖保溫隔熱砂漿及其制備方法》（【申請號】2014108044169)也公開 了一種納米珍珠巖制備方法，該方法也是利用正硅酸乙酯為前驅體，使用無水乙醇為有機 溶劑，將膨脹珍珠巖浸泡于事先制備好的納米二氧化硅溶膠中，采用真空浸漬吸附工藝，使 納米二氧化硅溶膠吸入膨脹珍珠巖空腔內，形成凝膠，待老化后，通過常壓分級干燥、憎水 處理形成納米珍珠巖。該方法也使用了成本較高的正硅酸乙酯和無水乙醇。并且將膨脹珍 珠巖浸泡于二氧化硅溶膠再進行真空浸漬吸附的工藝使得二氧化硅溶膠吸入珍珠巖內腔 的量很少，對降低珍珠巖導熱系數作用有限。
【發明內容】
[0009] 本發明的目的是為了克服現有技術的不足，而提供一種氣凝膠膨脹珍珠巖的制備 方法。該方法制得的氣凝膠膨脹珍珠巖是一種結合了膨脹珍珠巖和氣凝膠兩者優點，造價 低、導熱系數小、具有保溫、吸聲、防火、防爆、防輻射的多功能建筑節能材料。
[0010] 本發明是通過如下技術方案實現的： 一種氣凝膠膨脹珍珠巖的制備方法，以水玻璃為前驅體，以膨脹珍珠巖為載體，利用溶 膠-凝膠法(sol-gel)和真空壓力浸漬滿細胞法(VPI)，通過真空干燥工藝將氣凝膠填充或 外包裹于膨脹珍珠巖復合而成，制備得到的氣凝膠膨脹珍珠巖的粒徑大于〇. 〇5mm，導熱系 數0.020-0.065 W/(m · K)。
[0011] 進一步的，所述的氣凝膠為疏水改性氣凝膠，孔徑為2-50nm，導熱系數小于0.03 1八111*1〇;所述的膨脹珍珠巖為開孔膨脹珍珠巖，粒徑大于0.05 111111，導熱系數為0.025-0.08W/(m · K);所述的真空干燥工藝為恒溫干燥或梯度升溫干燥;所述的真空壓力浸漬滿 細胞法和真空干燥工藝采用的設備為一體式真空干燥及壓力浸漬設備。
[0012] -種氣凝膠膨脹珍珠巖的制備方法，具體包括如下步驟： 1) 以水玻璃為前驅體與去離子水混合，水玻璃與去離子水體積比為1:1 -1:24，攪拌數 分鐘，得到混合均勻的溶液； 2) 將步驟1)中得到的溶液通過裝有氫型陽離子交換樹脂的離子交換柱，去除溶液中的 Na+離子和其他雜質陽離子，同時調整溶液PH值； 3) 向步驟2)中的溶液中滴加氨水，調整溶液PH值，控制溶膠的凝膠時間滿足后續工藝 要求，并將溶膠置于一體式的真空干燥及壓力浸漬設備的溶膠儲液罐中； 4) 將膨脹珍珠巖置于真空罐中，抽真空至OMPa(常壓)到-0.1 MPa，然后加熱至烘干溫度 60°C-180°C，將膨脹珍珠巖烘干至恒重； 5) 繼續對真空罐抽真空，并降至常溫25°C，打開溶膠儲液罐的閥門將溶膠吸入真空罐， 直到淹沒真空罐中的膨脹珍珠巖； 6) 繼續抽真空30min后，真空罐吸氣升壓至1.5MPa，穩壓20-30min，隨后罐體壓力降至 常壓并將浸漬剩余的溶膠排出，等待罐中溶膠在膨脹珍珠巖的孔洞內部和表面凝膠； 7) 溶膠凝膠后復合而成的濕凝膠膨脹珍珠巖繼續在真空罐體中常溫常壓老化12-48h; 8) 對老化后的濕凝膠膨脹珍珠巖進行第一次溶劑置換:將溶劑置換所用置換溶劑乙醇 置于置換溶劑罐中，開啟真空干燥及壓力浸漬設備，常溫25°C抽真空至OMPa(常壓）到-0.1 MPa，將置換溶劑吸入真空罐并完全淹沒老化后的濕凝膠膨脹珍珠巖，持續抽真空30min 后停止，打開進氣閥至常壓下繼續溶劑置換12-48h，然后排出置換溶劑殘夜； 9) 對步驟8)中第一次溶劑置換處理的濕凝膠膨脹珍珠巖進行疏水處理:疏水處理溶劑 為正己烷和三甲基氯硅烷(TMCS)按體積比為1:1-20:1混合而成的混合溶液，將疏水處理溶 劑置于疏水溶液罐中，開啟真空干燥及壓力浸漬設備，常溫25°C抽真空至OMPa(常壓）到_ O.lMPa，將疏水處理溶劑吸入真空罐并完全淹沒濕凝膠膨脹珍珠巖，混合溶液總量控制在 丁1?^/!120(摩爾比）=0.1-0.3。持續抽真空301^11后，打開進氣閥至常壓下繼續疏水處理12-48h，然后排出疏水處理溶劑殘液； 10) 對步驟9)中疏水處理的濕凝膠膨脹珍珠巖進行第二次溶劑置換，方法同步驟8); 11) 對步驟10)中第二次溶劑置換處理的濕凝膠膨脹珍珠巖在真空罐中進行真空干燥， 常溫25°C抽真空至OMPa(常壓）到-O.IMPa，然后進行25°C_300°C的恒溫真空干燥或是梯度 升溫真空干燥，直至恒重不變，最后即制備得到氣凝膠膨脹珍珠巖。
[0013] 進一步的，步驟1)中所述的去離子水可以由蒸餾水代替；步驟3)中的氨水由其它 堿性溶液代替，如氫氧化鈉、氫氧化鉀等堿性溶液;步驟)8和10)中的置換溶劑乙醇由表面 張力小于30mN/m的一種溶劑或幾種混合溶劑代替，如正己烷、正丁烷、正庚烷等表面張力小 于30mN/m的溶劑;步驟9)中的三甲基氯硅烷由含有烷基的有機溶劑代替，或者是步驟9)中 的三甲基氯硅烷由三甲基氯硅烷和含有烷基的有機溶劑的混合溶劑代替，含有烷基的有機 溶劑例如有六甲基二硅