一种轻质多孔碳化板材及其制备方法与流程

1.本发明属于碳化板材技术领域，尤其涉及一种轻质多孔碳化板材及其制备方法。


背景技术：

2.绿色低碳建筑既要减少建设过程中的碳排放，也要大幅降低建筑日常能耗和排放。所以，建筑及装潢类材料等消费市场，其建筑及装潢类材料消费品的原材料成本压力显现。
3.新型板材是目前建筑装修的一个重要的研究方向，利用新材料实现板材的轻质化可以达到减轻墙体压力的目的，但是现有新型板材，其制备过程复杂、成本高，吸附性能不佳。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种轻质多孔碳化板材及其制备方法，该方法制备的碳化板材轻质且具有优异的吸附性能。
5.本发明提供了一种轻质多孔碳化板材的制备方法，包括以下步骤：
6.将碳矿化材料和纳米二氧化硅、水混合，得到混合物料；
7.将所述混合物料压制，得到成型板材；
8.将所述成型板材碳化，得到轻质多孔碳化板材。
9.所述碳矿化材料和纳米二氧化硅的质量比为9:1～6:4。
10.在本发明中，所述水占所述碳矿化材料和纳米二氧化硅总质量的10～40％。
11.在本发明中，所述碳化的压力为0.1～0.6mpa，碳化的时间为8～60h；
12.所述碳化中采用的碳化气体中二氧化碳的体积浓度≥3％。
13.在本发明中，所述碳矿化材料选自氧化钙、氢氧化钙、氧化镁、氢氧化镁、硅酸钙、硅酸镁、钢渣、炉渣、镁渣、电石渣、硫脲渣、γ-硅酸二钙、β-硅酸二钙、硅酸一钙和二硅酸三钙中的一种或多种。
14.在本发明中，所述成型板材碳化后进行碱洗，再经水洗至中性，得到轻质多孔碳化板材；
15.所述碱洗的方式为超声碱洗；所述碱洗采用4～8mol/l的氢氧化钠溶液；
16.所述碱洗的温度为50～90℃，所述碱洗的时间大于等于30min。
17.本发明提供了一种轻质多孔碳化板材，由上述技术方案所述制备方法制得。
18.本发明提供了一种轻质多孔碳化板材的制备方法，包括以下步骤：将碳矿化材料和纳米二氧化硅、水混合，得到混合物料；将所述混合物料压制，得到成型板材；将所述成型板材碳化，得到轻质多孔碳化板材。该方法制备的碳化板材孔道密集且均匀，能有效增强板材对水分、气体的吸附作用；制备过程为“碳中和”的过程，达到节约成本，废物再利用的目的，减轻温室效应，同时该制备过程可操作性强，适合产业化，达到回收二氧化碳、轻质吸附的目的。实验结果表明：碳化板材的轻质、多孔；碘吸附值为400～529mg/g；断裂模数为3.6
～8.2mpa。
附图说明
19.图1为本发明具体实施例制备轻质多孔碳化板材的流程示意图。
具体实施方式
20.本发明提供了一种轻质多孔碳化板材的制备方法，包括以下步骤：
21.将碳矿化材料和纳米二氧化硅、水混合，得到混合物料；
22.将所述混合物料压制，得到成型板材；
23.将所述成型板材碳化，得到轻质多孔碳化板材。
24.本发明将碳矿化材料和纳米二氧化硅、水混合，得到混合物料。在本发明中，所述碳矿化材料优选为富含氧化钙、氢氧化钙、氧化镁、氢氧化镁、硅酸钙和硅酸镁成分中的一种或多种材料；所述碳矿化材料中的成分优选还包括钢渣、炉渣、镁渣、电石渣、硫脲渣、γ-硅酸二钙、β-硅酸二钙、硅酸一钙和二硅酸三钙中的一种或多种。在本发明具体实施例中，所述碳矿化材料为γ-硅酸二钙或钢渣。
25.在本发明中，所述纳米二氧化硅的粒度为1～100nm。所述碳矿化材料和纳米二氧化硅的质量比优选为9:1～6:4。具体实施例中，碳矿化材料和纳米二氧化硅的质量比为9:1；或8:2；或7:3；或6:4。
26.所述水的加入量占物料总量的10～40wt％。所述水的加入有助于压制成型，且对碳化效果影响小。
27.得到混合物料后，本发明将所述混合物料压制，得到成型板材。本发明优选将混合物料置于压样模具中压制成板。
28.本发明将所述成型板材碳化，得到轻质多孔碳化板材。在本发明中，所述碳化的压力为0～0.6mpa，碳化的时间为8～60h；具体实施例中，所述碳化的压力为0.1mpa，碳化的时间为24h；所述碳化中采用的碳化气体中二氧化碳的体积浓度≥3％，有助于二氧化碳进入板材参加反应，碳化更加充分；碳化过程为碳中和的过程，碳化气体可为工业废气，实现废物利用，有效降低生产成本。
29.本发明在碳化后优选进行碱洗，再经水洗至中性，得到轻质多孔碳化板材；所述碱洗的方式为超声碱洗；所述碱洗采用4～8mol/l的氢氧化钠溶液；所述碱洗的温度为50～90℃，所述碱洗的时间大于等于30min；所述超声碱洗的超声频率为60％及以上，有助于清洗纳米二氧化硅，去除更加干净。具体实施例中，所述碱洗采用6mol/l的氢氧化钠溶液；碱洗的时间为30min，碱洗的温度为50℃；超声频率为60％。
30.图1为本发明具体实施例采用的制备轻质多孔碳化板材的流程示意图。
31.本发明提供了一种轻质多孔碳化板材，由上述技术方案所述制备方法制得。所述碳化板材的轻质多孔的特性能够增强板材对于水分、气体的吸附作用。
32.为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种轻质多孔碳化板材及其制备方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
33.实施例1
34.一种轻质多孔碳化板材制备工艺，变量条件(γ-硅酸二钙与纳米二氧化硅按照9:
1均匀混合)
35.1.将γ-硅酸二钙与纳米二氧化硅按照9:1均匀混合，加入物料总量的30％的水，继续混合均匀；
36.2.将混合物料放入压样模具中压制成板；
37.3.将板材放入碳化罐中在0.1mpa的压力下利用二氧化碳碳化24h；
38.4.将碳化板材取出用6mol/l的氢氧化钠溶液超声清洗0.5h，超声温度50℃、超声频率60％，再用蒸馏水洗涤为溶液中性，即可得轻质多孔碳化板材。
39.实施例2
40.一种轻质多孔碳化板材制备工艺，变量条件(γ-硅酸二钙与纳米二氧化硅按照8:2均匀混合)
41.1.将γ-硅酸二钙与纳米二氧化硅按照8:2均匀混合，加入物料总量的30％的水，继续混合均匀；
42.2.将混合物料放入压样模具中压制成板；
43.3.将板材放入碳化罐中在0.1mpa的压力下利用二氧化碳碳化24h；
44.4.将碳化板材取出用6mol/l的氢氧化钠溶液超声清洗0.5h，超声温度50℃、超声频率60％，再用蒸馏水洗涤为溶液中性，即可得轻质多孔碳化板材。
45.实施例3
46.一种轻质多孔碳化板材制备工艺，变量条件(γ-硅酸二钙与纳米二氧化硅按照7:3均匀混合)
47.1.将γ-硅酸二钙与纳米二氧化硅按照7:3均匀混合，加入物料总量的30％的水，继续混合均匀；
48.2.将混合物料放入压样模具中压制成板；
49.3.将板材放入碳化罐中在0.1mpa的压力下利用二氧化碳碳化24h；
50.4.将碳化板材取出用6mol/l的氢氧化钠溶液超声清洗0.5h，超声温度50℃、超声频率60％，再用蒸馏水洗涤为溶液中性，即可得轻质多孔碳化板材。
51.实施例4
52.一种轻质多孔碳化板材制备工艺，变量条件(γ-硅酸二钙与纳米二氧化硅按照6:4均匀混合)
53.1.将γ-硅酸二钙与纳米二氧化硅按照6:4均匀混合，加入物料总量的30％的水，继续混合均匀；
54.2.将混合物料放入压样模具中压制成板；
55.3.将板材放入碳化罐中在0.1mpa的压力下利用二氧化碳碳化24h；
56.4.将碳化板材取出用6mol/l的氢氧化钠溶液超声清洗0.5h，超声温度50℃、超声频率60％，再用蒸馏水洗涤为溶液中性，即可得轻质多孔碳化板材。
57.实施例5
58.一种轻质多孔碳化板材制备工艺，变量条件(钢渣与纳米二氧化硅按照8:2均匀混合)
59.2.将钢渣与纳米二氧化硅按照8:2均匀混合，加入物料总量的30％的水，继续混合均匀；
60.2.将混合物料放入压样模具中压制成板；
61.3.将板材放入碳化罐中在0.1mpa的压力下利用二氧化碳碳化24h；
62.4.将碳化板材取出用6mol/l的氢氧化钠溶液超声清洗0.5h，超声温度50℃、超声频率60％，再用蒸馏水洗涤为溶液中性，即可得轻质多孔碳化板材。
63.实施例6
64.一种轻质多孔碳化板材制备工艺，变量条件(钢渣与纳米二氧化硅按照7:3均匀混合)
65.3.将钢渣与纳米二氧化硅按照7:3均匀混合，加入物料总量的30％的水，继续混合均匀；
66.2.将混合物料放入压样模具中压制成板；
67.3.将板材放入碳化罐中在0.1mpa的压力下利用二氧化碳碳化24h；
68.4.将碳化板材取出用6mol/l的氢氧化钠溶液超声清洗0.5h，超声温度50℃、超声频率60％，再用蒸馏水洗涤为溶液中性，即可得轻质多孔碳化板材。
69.实施例7
70.一种轻质多孔碳化板材制备工艺，变量条件(γ-硅酸二钙与纳米二氧化硅按照8:2均匀混合)
71.1.将γ-硅酸二钙与纳米二氧化硅按照8:2均匀混合，加入物料总量的10％的水，继续混合均匀；
72.2.将混合物料放入压样模具中压制成板；
73.3.将板材放入碳化罐中在0.1mpa的压力下利用二氧化碳碳化24h；
74.4.将碳化板材取出用6mol/l的氢氧化钠溶液超声清洗0.5h，超声温度50℃、超声频率60％，再用蒸馏水洗涤为溶液中性，即可得轻质多孔碳化板材。
75.实施例8
76.一种轻质多孔碳化板材制备工艺，变量条件(γ-硅酸二钙与纳米二氧化硅按照8:2均匀混合)
77.1.将γ-硅酸二钙与纳米二氧化硅按照8:2均匀混合，加入物料总量的20％的水，继续混合均匀；
78.2.将混合物料放入压样模具中压制成板；
79.3.将板材放入碳化罐中在0.1mpa的压力下利用二氧化碳碳化24h；
80.4.将碳化板材取出用6mol/l的氢氧化钠溶液超声清洗0.5h，超声温度50℃、超声频率60％，再用蒸馏水洗涤为溶液中性，即可得轻质多孔碳化板材。
81.实施例9
82.一种轻质多孔碳化板材制备工艺，变量条件(γ-硅酸二钙与纳米二氧化硅按照8:2均匀混合)
83.1.将γ-硅酸二钙与纳米二氧化硅按照8:2均匀混合，加入物料总量的40％的水，继续混合均匀；
84.2.将混合物料放入压样模具中压制成板；
85.3.将板材放入碳化罐中在0.1mpa的压力下利用二氧化碳碳化24h；
86.4.将碳化板材取出用6mol/l浓度氢氧化钠溶液超声清洗0.5h，超声温度50℃、超
声频率60％，再用蒸馏水洗涤为溶液中性，即可得轻质多孔碳化板材。
87.实施例10
88.一种轻质多孔碳化板材制备工艺，变量条件(γ-硅酸二钙与纳米二氧化硅按照8:2均匀混合)
89.1.将γ-硅酸二钙与纳米二氧化硅按照8:2均匀混合，加入物料总量的50％的水，继续混合均匀；
90.2.将混合物料放入压样模具中压制成板；
91.3.将板材放入碳化罐中在0.1mpa的压力下利用二氧化碳碳化24h；
92.4.将碳化板材取出用6mol/l的氢氧化钠溶液超声清洗0.5h，超声温度50℃、超声频率60％，再用蒸馏水洗涤为溶液中性，即可得轻质多孔碳化板材。
93.实施例11
94.一种轻质多孔碳化板材制备工艺，变量条件(钢渣与纳米二氧化硅按照8:2均匀混合)
95.1.将钢渣与纳米二氧化硅按照8:2均匀混合，加入物料总量的20％的水，继续混合均匀；
96.2.将混合物料放入压样模具中压制成板；
97.3.将板材放入碳化罐中在0.1mpa的压力下利用二氧化碳碳化24h；
98.4.将碳化板材取出用6mol/l浓度氢氧化钠溶液超声清洗0.5h，超声温度50℃、超声频率60％，再用蒸馏水洗涤为溶液中性，即可得轻质多孔碳化板材。
99.实施例12
100.一种轻质多孔碳化板材制备工艺，变量条件(钢渣与纳米二氧化硅按照7:3均匀混合)
101.1.将钢渣与纳米二氧化硅按照8:2均匀混合，加入物料总量的30％的水，继续混合均匀；
102.2.将混合物料放入压样模具中压制成板；
103.3.将板材放入碳化罐中在0.1mpa的压力下利用二氧化碳碳化24h；
104.4.将碳化板材取出用6mol/l浓度氢氧化钠溶液超声清洗0.5h，超声温度50℃、超声频率60％，再用蒸馏水洗涤为溶液中性，即可得轻质多孔碳化板材。
105.对比例1
106.一种碳化板材制备工艺，变量条件(未添加纳米二氧化硅)
107.1.在钢渣中加入物料总量的30％的水，混合均匀；
108.2.将混合物料放入压样模具中压制成板；
109.3.将板材放入碳化罐中在0.1mpa的压力下利用二氧化碳碳化24h；
110.4.将碳化板材取出用6mol/l浓度氢氧化钠溶液超声清洗0.5h，超声温度50℃、超声频率60％，再用蒸馏水洗涤为溶液中性，即碳化板材。
111.对比例2
112.一种碳化板材制备工艺，变量条件(未添加纳米二氧化硅)
113.1.在γ-硅酸二钙中加入物料总量的30％的水，混合均匀；
114.2.将混合物料放入压样模具中压制成板；
115.3.将板材放入碳化罐中在0.1mpa的压力下利用二氧化碳碳化24h；
116.4.将碳化板材取出用6mol/l浓度氢氧化钠溶液超声清洗0.5h，超声温度50℃、超声频率60％，再用蒸馏水洗涤为溶液中性，即碳化板材。
117.综上实施例1～6和对比例1～2作如下分析：
118.表1实施例1～6和对比例1～2的测试结果
[0119][0120]
由表1可知(1)γ-硅酸二钙与纳米二氧化硅添加比例为8:2时碘吸附值最好，综合产品效果最佳；(2)随着纳米二氧化硅所占质量的增加，板材产品整体质量降低，碘吸附值先增加后降低，原因是大孔增多，碘吸附值下降；因此优选γ-硅酸二钙与纳米二氧化硅的混合比例为8:2。
[0121]
表2实施例的板材的性能测试结果
[0122][0123]
由表2可知，添加水量直接影响碳化程度以及板材强度，断裂模数随添水量的增加先增高再降低，且当水量30％时，断裂模数最高；当添水量达到50％时，板材表面已经开始出现明显断裂情况，因此，添加水量可优选30％。
[0124]
由以上实施例可知，本发明提供了一种轻质多孔碳化板材的制备方法，包括以下步骤：将碳矿化材料和纳米二氧化硅、水混合，得到混合物料；将所述混合物料压制，得到成型板材；将所述成型板材碳化，得到轻质多孔碳化板材。该方法制备的碳化板材孔道密集且均匀，能有效增强板材对水分、气体的吸附作用；制备过程为“碳中和”的过程，达到节约成本，废物再利用的目的，减轻温室效应，同时该制备过程可操作性强，适合产业化，达到回收二氧化碳、轻质吸附的目的。实验结果表明：碳化板材的轻质、多孔；碘吸附值为400～529mg/g；断裂模数为3.6～8.2mpa。
[0125]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种轻质多孔碳化板材的制备方法，包括以下步骤：将碳矿化材料和纳米二氧化硅、水混合，得到混合物料；将所述混合物料压制，得到成型板材；将所述成型板材碳化，得到轻质多孔碳化板材。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳矿化材料和纳米二氧化硅的质量比为9:1～6:4。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述水占所述碳矿化材料和纳米二氧化硅总质量的10～40％。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳化的压力为0～0.6mpa，碳化的时间为8～60h；所述碳化中采用的碳化气体中二氧化碳的体积浓度≥3％。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳矿化材料选自氧化钙、氢氧化钙、氧化镁、氢氧化镁、硅酸钙、硅酸镁、钢渣、炉渣、镁渣、电石渣、硫脲渣、γ-硅酸二钙、β-硅酸二钙、硅酸一钙和二硅酸三钙中的一种或多种。6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述成型板材碳化后进行碱洗，再经水洗至中性，得到轻质多孔碳化板材；所述碱洗的方式为超声碱洗；所述碱洗采用4～8mol/l的氢氧化钠溶液；所述碱洗的温度为50～90℃，所述碱洗的时间大于等于30min。7.一种轻质多孔碳化板材，其特征在于，由权利要求1～6任一项所述制备方法制得。

技术总结
本发明提供了一种轻质多孔碳化板材及其制备方法，包括以下步骤：将碳矿化材料和纳米二氧化硅、水混合，得到混合物料；将所述混合物料压制，得到成型板材；将所述成型板材碳化，得到轻质多孔碳化板材。该方法制备的碳化板材孔道密集且均匀，能有效增强板材对水分、气体的吸附作用；制备过程为“碳中和”的过程，达到节约成本，废物再利用的目的，减轻温室效应，同时该制备过程可操作性强，适合产业化，达到回收二氧化碳、轻质吸附的目的。实验结果表明：碳化板材的轻质、多孔；碘吸附值为400～529mg/g；断裂模数为3.6～8.2MPa。裂模数为3.6～8.2MPa。


技术研发人员：徐继任 高飞 司政凯 张学雷 张余鑫 张淑苹 姚富国 付华清
受保护的技术使用者：山东京韵泰博新材料科技有限公司
技术研发日：2023.03.17
技术公布日：2023/7/7