水化硅酸钙基复合保温隔热材料及其制备方法

1.本发明涉及一种复合保温隔热材料及其制备方法，尤其涉及一种水化硅酸钙基复合保温隔热材料及其制备方法，属于建筑保温领域。


背景技术：

2.在建筑运行阶段，常使用保温隔热材料减少建筑内外热量传输、维持建筑内温湿环境，但目前所使用的保温隔热材料均各有利弊。以聚苯板为代表的有机材料的保温隔热性能优异，导热系数较低(可低于0.04w/(m
·
k))，但由于有机材料的耐火性较差，用于建筑保温时，通常达不到国家、地方标准的防火等级规定，且与粘结剂的粘结较差，常出现脱落等问题；而无机材料，如泡沫混凝土、保温砂浆等，由于密度和材料自身性质，导热系数较大。因此，相比有机材料，同等节能效果下，无机保温材料所需的尺寸更大，这也进一步提高了成本和碳排放；因此，对于建筑运行阶段，亟需开发一种热学性能优异、安全性较好且成本较低的保温隔热材料，以有效降低建筑运行阶段的能耗水平。
3.水泥主要水化产物——水化硅酸钙凝胶(c-s-h)，作为一种可设计、可调控、可与高分子材料杂化的无机纳米材料，为建筑节能提供了新的思路。c-s-h在纳米尺度上为层状结构，层间为纳米孔。克努森效应决定了结构中富含纳米孔使得c-s-h具有制备低密度保温隔热材料的天然优势。同时，c-s-h作为钙、硅类的无机材料，具有低廉的成本和优异的耐高温、耐火阻燃性能。这些均显示出c-s-h具有作为保温隔热材料的潜力。但目前的技术难题是，合成的c-s-h并不具有成为一个完整块体的能力，难以发挥c-s-h作为保温隔热材料的潜力。


技术实现要素：

4.发明目的：本发明的目的是提供一种具有较低的密度和导热系数的水化硅酸钙基复合保温隔热材料；本发明的另一目的是提供一种水化硅酸钙基复合保温隔热材料的制备方法。
5.技术方案：本发明的一种水化硅酸钙基复合保温隔热材料，所述水化硅酸钙基复合保温隔热材料由有机交联剂与水化硅酸钙经过离子释放、交联后获得，其中所述水化硅酸钙与有机交联剂的质量比为1：0.5-2.0。
6.优选的，所述有机交联剂为聚乙烯醇、海藻酸钠或纳米纤维素。
7.优选的，所述水化硅酸钙粉末中钙硅的摩尔比为0.8-1.5。
8.作为上述方案的进一步改进，所述水化硅酸钙粉末由以下方法制备：
9.(1)将氧化钙和气相二氧化硅混合均匀，得到固体混合物；
10.(2)在所述固体混合物中加入水，使固液充分混匀，反应一段时间，得到悬浮液；
11.(3)将所述悬浮液进行真空抽滤，然后洗涤和烘干，得到水化硅酸钙粉末。
12.作为上述方案的进一步改进，所述水化硅酸钙粉末制备方法满足以下条件中任一一项或多项：
13.步骤(2)中，反应环境为惰性气体环境；
14.步骤(2)中，反应时间为7～14天；
15.步骤(3)中，使用酒精溶液进行洗涤。
16.优选的，步骤(2)中，所述水为超纯水，所述超纯水的质量为固体混合物的质量的10～20倍。
17.另一方面，本发明提供一种水化硅酸钙基复合保温隔热材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：
18.(1)将有机交联剂悬浮液与水化硅酸钙悬浮液混合，得到混合悬浮液；
19.(2)混合悬浮液经过离子释放、交联过程，得到混合物，将混合物装入模具中；
20.(3)最后去除混合物中水分，即得到水化硅酸钙基复合保温隔热材料。
21.优选的，步骤(1)中，有机交联剂为聚乙烯醇、海藻酸钠或纳米纤维素，有机交联剂的质量分数为1％～10％。若有机交联剂质量分数过低，保温材料难以形成无损的整体，容易发生开裂；而当有机交联剂质量分数过高，相应地，会导致密度较大或耐火性能较差等害处。
22.作为上述方案的进一步改进，步骤(1)中，所述水化硅酸钙悬浮液是由水化硅酸钙粉末加入到水中，再经高速搅拌20～60分钟后获得。其中，高速搅拌的目的是为了使无机成分均匀分散至有机交联剂中，若不搅拌均匀，则会影响保温隔热材料的均匀性。
23.作为上述方案的进一步改进，步骤(2)中，所述离子释放、交联的过程是将混合悬浮液搅拌5～20分钟后，静置5～20分钟，等待水化硅酸钙中的钙离子与有机交联剂交联完成网络化的过程。由于有机交联剂通过水化硅酸钙释放的钙离子发生交联，实际上，水化硅酸钙与有机交联剂是互为交联剂的关系，而非单纯的使用有机组分将水化硅酸钙粘结。
24.作为上述方案的进一步改进，步骤(3)中，去除混合物中水分的方法为冷冻干燥，所述冷冻干燥过程是将装有混合物的模具降至恒温，之后用液氮进行冷冻，最后用冷冻干燥机干燥5-7天。具体的，冷冻干燥过程是将装有混合物的模具在4℃的冰柜中降至恒温，之后用液氮进行冷冻，最后用冷冻干燥机干燥5-7天的过程。如果不使用冰柜预先降温直接用液氮处理，在巨大的温差下，混合浆体容易形成较大的缺陷，引起导热系数升高。
25.本发明中，水化硅酸钙分散在水中会缓慢释放钙离子，本发明选用的有机交联剂具有在二价及以上阳离子作用下发生离子交联的能力。因此，从这个角度上说，水化硅酸钙也是有机交联剂的交联剂，而非单纯的使用有机交联剂来粘结水化硅酸钙粉末。水化硅酸钙是一种纳米级的片状材料，在高速分散于溶液中与有机交联剂混合后能够为有机交联剂形成纳米尺度的交联点和增强。再结合水化硅酸钙作为保温隔热材料的天然优势，最终制备出具有良好保温隔热效果的水化硅酸钙基复合保温隔热材料。
26.有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：本发明采取水化硅酸钙与有机交联剂相互交联形成无机-有机复合网络的新方法，结合冷冻干燥技术，制备出了具有较好保温隔热效果的水化硅酸钙基复合保温隔热材料(导热系数低至0.044w
·
m-1
·
k-1)。水化硅酸钙材料来源广泛，价格便宜，同时选用的有机交联剂能够于环境中自然降解，有利于保护环境，解决当前建筑节能能耗高的问题。
附图说明
27.图1为实施例9制备的水化硅酸钙与海藻酸钠的复合保温材料的微观形貌，可以看出，水化硅酸钙与海藻酸钠互为交联剂。
具体实施方式
28.下面结合实施例对本发明进行进一步的阐述。
29.取总计30g的氧化钙和气相二氧化硅于塑料瓶中，在混料机中混合均匀。随后加入超纯水，水固比为15，通过搅拌和摇晃使固液混匀。通过控制氧化钙和气相二氧化硅的摩尔比来控制合成的水化硅酸钙粉末的钙硅比。制备了钙硅比为0.8、1.2和1.5的三种水化硅酸钙，其用量见表1。在氮气气氛中反应7天后，取出混合的悬浮液，并用布氏漏斗和混合纤维素滤膜进行真空抽滤，然后用1：1的酒精溶液洗涤3次，最后于40℃的真空烘箱中干燥至恒重。
30.表1三种钙硅比的水化硅酸钙粉末的合成配比
[0031][0032][0033]
实施例1
[0034]
本实施例提供一种水化硅酸钙基复合保温隔热材料的制备方法，包括以下步骤：
[0035]
称取7g聚乙烯醇完全溶解于70g 95℃的超纯水中，冷却至室温，制备聚乙烯醇溶液。称取7g编号1的水化硅酸钙粉末，分散于70g超纯水中，并在10000rpm下分散20分钟，制备水化硅酸钙悬浮液。然后，将水化硅酸钙悬浮液加入聚乙烯醇溶液中，800rpm磁力搅拌10分钟后，静置20分钟。随后，将混合物倒入直径90mm、高20mm的不锈钢模具中，放入4℃的冰柜中预降至恒温，再放入液氮中进行冷冻。最后，将冷冻的混合物放入冷冻干燥机中干燥7天，获得水化硅酸钙基复合保温隔热材料。
[0036]
实施例2
[0037]
本实施例提供一种水化硅酸钙基复合保温隔热材料的制备方法，包括以下步骤：
[0038]
称取7g聚乙烯醇完全溶解于70g 95℃的超纯水中，冷却至室温，制备聚乙烯醇溶液。称取7g编号2的水化硅酸钙粉末，分散于70g超纯水中，并在10000rpm下分散20分钟，制备水化硅酸钙悬浮液。然后，将水化硅酸钙悬浮液加入聚乙烯醇溶液中，800rpm磁力搅拌10分钟后，静置20分钟。随后，将混合物倒入直径90mm、高20mm的不锈钢模具中，放入4℃的冰柜中预降至恒温，再放入液氮中进行冷冻。最后，将冷冻的混合物放入冷冻干燥机中干燥7天，获得水化硅酸钙基复合保温隔热材料。
[0039]
实施例3
[0040]
本实施例提供一种水化硅酸钙基复合保温隔热材料的制备方法，包括以下步骤：
[0041]
称取7g聚乙烯醇完全溶解于70g 95℃的超纯水中，冷却至室温，制备聚乙烯醇溶液。称取7g编号3的水化硅酸钙粉末，分散于70g超纯水中，并在10000rpm下分散20分钟，制
备水化硅酸钙悬浮液。然后，将水化硅酸钙悬浮液加入聚乙烯醇溶液中，800rpm磁力搅拌10分钟后，静置20分钟。随后，将混合物倒入直径90mm、高20mm的不锈钢模具中，放入4℃的冰柜中预降至恒温，再放入液氮中进行冷冻。最后，将冷冻的混合物放入冷冻干燥机中干燥7天，获得水化硅酸钙基复合保温隔热材料。
[0042]
实施例4
[0043]
本实施例提供一种水化硅酸钙基复合保温隔热材料的制备方法，包括以下步骤：
[0044]
称取7g聚乙烯醇完全溶解于70g 95℃的超纯水中，冷却至室温，制备聚乙烯醇溶液。称取3.5g编号2的水化硅酸钙粉末，分散于70g超纯水中，并在10000rpm下分散20分钟，制备水化硅酸钙悬浮液。然后，将水化硅酸钙悬浮液加入聚乙烯醇溶液中，800rpm磁力搅拌10分钟后，静置20分钟。随后，将混合物倒入直径90mm、高20mm的不锈钢模具中，放入4℃的冰柜中预降至恒温，再放入液氮中进行冷冻。最后，将冷冻的混合物放入冷冻干燥机中干燥7天，获得水化硅酸钙基复合保温隔热材料。
[0045]
实施例5
[0046]
本实施例提供一种水化硅酸钙基复合保温隔热材料的制备方法，包括以下步骤：
[0047]
称取7g聚乙烯醇完全溶解于70g 95℃的超纯水中，冷却至室温，制备聚乙烯醇溶液。称取14g编号2的水化硅酸钙粉末，分散于70g超纯水中，并在10000rpm下分散20分钟，制备水化硅酸钙悬浮液。然后，将水化硅酸钙悬浮液加入聚乙烯醇溶液中，800rpm磁力搅拌10分钟后，静置20分钟。随后，将混合物倒入直径90mm、高20mm的不锈钢模具中，放入4℃的冰柜中预降至恒温，再放入液氮中进行冷冻。最后，将冷冻的混合物放入冷冻干燥机中干燥7天，获得水化硅酸钙基复合保温隔热材料。
[0048]
实施例6
[0049]
本实施例提供一种水化硅酸钙基复合保温隔热材料的制备方法，包括以下步骤：
[0050]
称取1.4g海藻酸钠完全溶解于70g 95℃的超纯水中，冷却至室温，制备聚乙烯醇溶液。称取1.4g编号1的水化硅酸钙粉末，分散于70g超纯水中，并在10000rpm下分散20分钟，制备水化硅酸钙悬浮液。然后，将水化硅酸钙悬浮液加入聚乙烯醇溶液中，800rpm磁力搅拌10分钟后，静置20分钟。随后，将混合物倒入直径90mm、高20mm的不锈钢模具中，放入4℃的冰柜中预降至恒温，再放入液氮中进行冷冻。最后，将冷冻的混合物放入冷冻干燥机中干燥7天，获得水化硅酸钙基复合保温隔热材料。
[0051]
实施例7
[0052]
本实施例提供一种水化硅酸钙基复合保温隔热材料的制备方法，包括以下步骤：
[0053]
称取1.4g海藻酸钠完全溶解于70g 95℃的超纯水中，冷却至室温，制备聚乙烯醇溶液。称取1.4g编号2的水化硅酸钙粉末，分散于70g超纯水中，并在10000rpm下分散20分钟，制备水化硅酸钙悬浮液。然后，将水化硅酸钙悬浮液加入聚乙烯醇溶液中，800rpm磁力搅拌10分钟后，静置20分钟。随后，将混合物倒入直径90mm、高20mm的不锈钢模具中，放入4℃的冰柜中预降至恒温，再放入液氮中进行冷冻。最后，将冷冻的混合物放入冷冻干燥机中干燥7天，获得水化硅酸钙基复合保温隔热材料。
[0054]
实施例8
[0055]
本实施例提供一种水化硅酸钙基复合保温隔热材料的制备方法，包括以下步骤：
[0056]
称取1.4g海藻酸钠完全溶解于70g 95℃的超纯水中，冷却至室温，制备聚乙烯醇
溶液。称取1.4g编号3的水化硅酸钙粉末，分散于70g超纯水中，并在10000rpm下分散20分钟，制备水化硅酸钙悬浮液。然后，将水化硅酸钙悬浮液加入聚乙烯醇溶液中，800rpm磁力搅拌10分钟后，静置20分钟。随后，将混合物倒入直径90mm、高20mm的不锈钢模具中，放入4℃的冰柜中预降至恒温，再放入液氮中进行冷冻。最后，将冷冻的混合物放入冷冻干燥机中干燥7天，获得水化硅酸钙基复合保温隔热材料。
[0057]
实施例9
[0058]
本实施例提供一种水化硅酸钙基复合保温隔热材料的制备方法，包括以下步骤：
[0059]
称取1.4g海藻酸钠完全溶解于70g 95℃的超纯水中，冷却至室温，制备聚乙烯醇溶液。称取0.7g编号2的水化硅酸钙粉末，分散于70g超纯水中，并在10000rpm下分散20分钟，制备水化硅酸钙悬浮液。然后，将水化硅酸钙悬浮液加入聚乙烯醇溶液中，800rpm磁力搅拌10分钟后，静置20分钟。随后，将混合物倒入直径90mm、高20mm的不锈钢模具中，放入4℃的冰柜中预降至恒温，再放入液氮中进行冷冻。最后，将冷冻的混合物放入冷冻干燥机中干燥7天，获得水化硅酸钙基复合保温隔热材料。
[0060]
实施例10
[0061]
本实施例提供一种水化硅酸钙基复合保温隔热材料的制备方法，包括以下步骤：
[0062]
称取1.4g海藻酸钠完全溶解于70g 95℃的超纯水中，冷却至室温，制备聚乙烯醇溶液。称取2.8g编号2的水化硅酸钙粉末，分散于70g超纯水中，并在10000rpm下分散20分钟，制备水化硅酸钙悬浮液。然后，将水化硅酸钙悬浮液加入聚乙烯醇溶液中，800rpm磁力搅拌10分钟后，静置20分钟。随后，将混合物倒入直径90mm、高20mm的不锈钢模具中，放入4℃的冰柜中预降至恒温，再放入液氮中进行冷冻。最后，将冷冻的混合物放入冷冻干燥机中干燥7天，获得水化硅酸钙基复合保温隔热材料。
[0063]
图1为实施例9制备的水化硅酸钙基复合保温隔热材料的微观形貌，从图中可以看出水化硅酸钙与海藻酸钠互为交联剂。
[0064]
采用质量体积法测试水化硅酸钙基复合保温隔热材料的表观密度，用瞬态平面热源法测试水化硅酸钙基复合保温隔热材料的导热系数。
[0065]
表2水化硅酸钙基复合保温隔热材料的性能
[0066][0067]
本发明未尽事宜为公知技术。
[0068]
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种水化硅酸钙基复合保温隔热材料，其特征在于，所述水化硅酸钙基复合保温隔热材料由有机交联剂与水化硅酸钙经过离子释放、交联后获得，其中所述水化硅酸钙与有机交联剂的质量比为1：0.5-2.0。2.根据权利要求1所述的水化硅酸钙基复合保温隔热材料，其特征在于，所述有机交联剂为聚乙烯醇、海藻酸钠或纳米纤维素。3.根据权利要求1所述的水化硅酸钙基复合保温隔热材料，其特征在于，所述水化硅酸钙粉末中钙硅的摩尔比为0.8-1.5。4.根据权利要求1所述的水化硅酸钙基复合保温隔热材料，其特征在于，所述水化硅酸钙粉末由以下方法制备：(1)将氧化钙和气相二氧化硅混合均匀，得到固体混合物；(2)在所述固体混合物中加入水，使固液充分混匀，反应一段时间，得到悬浮液；(3)将所述悬浮液进行真空抽滤，然后洗涤和烘干，得到水化硅酸钙粉末。5.根据权利要求4所述的水化硅酸钙基复合保温隔热材料，其特征在于，所述水化硅酸钙粉末制备方法满足以下条件中任一一项或多项：步骤(2)中，反应环境为惰性气体环境；步骤(2)中，反应时间为7～14天；步骤(3)中，使用酒精溶液进行洗涤。6.一种水化硅酸钙基复合保温隔热材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)将有机交联剂悬浮液与水化硅酸钙悬浮液混合，得到混合悬浮液；(2)混合悬浮液经过离子释放、交联过程，得到混合物，将混合物装入模具中；(3)最后去除混合物中水分，即得到水化硅酸钙基复合保温隔热材料。7.根据权利要求6所述的水化硅酸钙基复合保温隔热材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，有机交联剂为聚乙烯醇、海藻酸钠或纳米纤维素，有机交联剂的质量分数为1％～10％。8.根据权利要求6所述的水化硅酸钙基复合保温隔热材料的制备方法，步骤(1)中，所述水化硅酸钙悬浮液是由水化硅酸钙粉末加入到水中，再经高速搅拌20～60分钟后获得。9.根据权利要求6所述的水化硅酸钙基复合保温隔热材料的制备方法，步骤(2)中，所述离子释放、交联的过程是将混合悬浮液搅拌5～20分钟后，静置5～20分钟，等待水化硅酸钙中的钙离子与有机交联剂交联完成网络化的过程。10.根据权利要求6所述的水化硅酸钙基复合保温隔热材料的制备方法，步骤(3)中，去除混合物中水分的方法为冷冻干燥，所述冷冻干燥过程是将装有混合物的模具降至恒温，之后用液氮进行冷冻，最后用冷冻干燥机干燥5-7天。

技术总结
本发明公开了一种水化硅酸钙基复合保温隔热材料及其制备方法。该材料由水化硅酸钙的均匀悬浮液加入倒有机交联剂的水溶液中，经搅拌、离子释放、交联和冷冻干燥获得，具有较低的密度和较低的导热系数。本发明结合水化硅酸钙在水溶液中的钙离子释放能力和有机交联剂的离子交联能力，形成了溶液中的有机-无机双网络。本发明的保温隔热材料将该领域中尚未被大量关注的水化硅酸钙多孔材料应用于建筑节能领域，充分发挥了其作为保温隔热材料的潜力，这有助于减少建筑运行能耗，缩减碳排放，降低温室效应。温室效应。温室效应。


技术研发人员：冯攀 沈叙言 李文佳 张琪 刘新 王浩川
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2023.04.20
技术公布日：2023/8/5