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一种改性膨胀珍珠岩及其制备方法和应用

来源：花匠小妙招时间：2025-04-25 00:29

一种改性膨胀珍珠岩及其制备方法和应用

1.本发明属于绝热材料技术领域，具体涉及一种改性膨胀珍珠岩及其制备方法和应用。

背景技术：

2.珍珠岩是由火山喷发的酸性熔岩经急剧冷却而成的玻璃质岩石，因其具有典型的珍珠裂隙结构而得名。珍珠岩中无定形sio2和al2o3含量在80%以上，且含有一定量的碱金属氧化物，具有很好的熔融性，与其他物质互熔性较好，也能为下游制品提供si和al元素。此外，珍珠岩因高玻璃质及含结晶水而特有膨胀性，膨胀倍数高达25倍，利用这一膨胀特性而制备膨胀珍珠岩及其制品，其内多孔，孔形态主要为开孔、闭孔和中空孔，具有化学稳定性好、质轻、吸音性能好、隔热保温、吸湿(开孔)或防水(闭孔)、防火无毒无味等优良性能，广泛应用于低温装置保温、建筑行业保温等诸多领域。
3.由于膨胀珍珠岩的生产工艺较为简单，我国的膨胀珍珠岩生产企业普遍规模不大，生产的膨胀珍珠岩质量参差不齐，以中低品位居多，大多呈开孔结构，但内部多孔的膨胀珍珠岩有吸附性，这种特性对助滤、载体都有利，但对隔热保温不利，特别是在潮湿的地方，珍珠岩制品容易吸水，致使其导热系数急剧增大，高温时水份又易蒸发，带走大量的热，从而失去保温隔热的功能，因此严重影响了膨胀珍珠岩及其制品在lng及建筑保温行业的推广应用。

技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的问题和不足，本发明的目的在于提供一种改性膨胀珍珠岩及其制备方法和应用。
5.基于上述目的，本发明采用如下技术方案：本发明第一方面提供了一种改性膨胀珍珠岩及其制备方法和应用，包括如下步骤：（1）将粉体、分散剂加入粉体防水剂稀释液中混合均匀，得到分散液；所述粉体包括气相二氧化硅粉体、鳞片石墨粉体、膨胀石墨粉体、石墨烯粉体中的至少一种；（2）将膨胀珍珠岩放入步骤（1）制备的分散液中搅拌均匀后进行真空浸渍，浸渍结束后干燥得到预改性膨胀珍珠岩；（3）将防水涂料涂覆于步骤（2）制备的预改性膨胀珍珠岩上，干燥后得到改性膨胀珍珠岩。
6.优选地，所述粉体用量为膨胀珍珠岩质量的0.2%～2%。
7.优选地，所述膨胀珍珠岩与粉体防水剂稀释液的质量比为1∶（3～6）。
8.优选地，所述粉体防水剂稀释液由抗老化有机硅防水剂加水稀释而成；所述抗老化有机硅防水剂与水的质量比为0.5%～5%；所述抗老化有机硅防水剂粘度为100～1000mpa
·
s。
9.更加优选地，所述抗老化有机硅防水剂包括但不限于二甲基硅油、烷基改性硅油、聚醚改性硅油、环氧改性硅油、氨基改性硅油中的至少一种。更加优选地，所述抗老化有机硅防水剂为二甲基硅油。
10.更加优选地，所述分散剂包括纳米材料分散剂。
11.优选地，所述分散剂与粉体防水剂稀释液的质量比为0.1%～1%。
12.优选地，所述防水涂料由涂料防水剂加水稀释后添加成膜助剂制备而成；所述涂料防水剂包括但不限于甲基硅酸钠、聚氨酯乳液、js防水乳液、丙烯酸乳液中的一种或几种；所述成膜助剂包括但不限于醇酯-12、texanol
®
酯醇、丙烯酸双环戊烯基氧乙基酯（dpoa）中的至少一种。
13.优选地，所述防水涂料用量为预改性膨胀珍珠岩质量的0.5～5倍。
14.优选地，所述防水涂料中涂料防水剂的质量分数为0.5%～5%。
15.优选地，所述防水涂料中成膜助剂的质量分数为0.2%～1%。
16.优选地，步骤（2）中所述真空浸渍处理条件为真空度0～85kpa，浸渍时间4～24h。
17.优选地，步骤（2）中所述干燥处理条件为105～110℃烘干。
18.更加优选地，步骤（3）中采用旋转热风喷涂工艺完成涂覆处理。
19.优选地，所述膨胀珍珠岩的孔结构为开放孔；所述粉体的粒径均≤500目。
20.更加优选地，所述石墨烯粉体为多层石墨烯粉体或单层石墨烯粉体。
21.本发明第二方面提供了上述第一方面所述制备方法制备的改性膨胀珍珠岩产品。
22.本发明第三方面提供了上述第二方面所述改性膨胀珍珠岩产品在绝热材料中的应用，如防水保温材料中的应用。优选地，所述改性膨胀珍珠岩直接作为装置保温材料填充使用，或将所述改性膨胀珍珠岩加入水泥或石膏等胶凝材料中制备复合保温板，或将所述改性膨胀珍珠岩添加粘合剂水玻璃制成膨胀珍珠岩保温板，或将所述改性膨胀珍珠岩制备建筑保温砂浆。
23.与现有技术相比，本发明的有益效果如下：（1）本发明制备方法利用开孔型膨胀珍珠岩具有多孔、多断面和吸附特性，将微纳粉体填充进入膨胀珍珠岩的孔洞并封堵部分孔隙，同时利用双层防水结构（两层防水剂）将空气封堵于膨胀珍珠岩开放孔中，通过减少热对流，增加热反射对膨胀珍珠岩颗粒进行绝热改性。本发明能在不增加甚至降低导热系数的前提下对膨胀珍珠岩进行改性，而且制备得到的改性膨胀珍珠岩防水、保温性能优异。在其中一项实施例中，本发明将初始导热系数为0.055w/（m
·
k），质量吸水率为280%的膨胀珍珠岩进行改性后，得到导热系数降至0.052w/（m
·
k），质量吸水率为80%的改性膨胀珍珠岩，防水保温效果得到大幅度提升。
24.（2）此外，本技术使用的微纳粉体形成第三道防水结构，这是因为微纳粉体（气相二氧化硅粉体、鳞片石墨粉体、膨胀石墨粉体或石墨烯粉体）吸附在膨胀珍珠岩的开放孔中，一方面可以堵孔阻水，另一方面可以减少热对流、增加热反射降低导热系数，达到防水保温的效果。而且由于闭孔珍珠岩的量少价高，价格方面可达较低品质膨胀珍珠岩近3倍，而本发明改性方法简单，用料价廉，能大大缩减生产成本，更有利于工业化生产。因此，从产品性能、造价、生产难易程度等多方面考虑，本发明制备方法能制备出理想的建筑保温材料。
附图说明
25.图1为本发明实施例中未改性膨胀珍珠岩表面的微观形貌图；图2为本发明实施例中预改性膨胀珍珠岩表面的微观形貌图；图3为本发明实施例中改性膨胀珍珠岩表面的微观形貌图。
具体实施方式
26.为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例结合附图，对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
27.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
28.（一）改性膨胀珍珠岩制备方法中粉体种类的探讨为了探讨粉体种类对制得的改性膨胀珍珠岩的导热系数和吸水性的影响，发明人分别做了以下实验，即实施例1、实施例2、实施例3和对比例1，其对应的粉体分别为：气相二氧化硅粉体、多层石墨烯粉体、气相二氧化硅粉体和多层石墨烯粉体、不加粉体。结果如表1所示。
29.实施例1本实施例提供一种改性膨胀珍珠岩，其制备方法包括如下步骤：（1）将8g纳米材料分散剂（湖南中岩建材科技有限公司，zy-dpⅰ）、10g二甲基硅油加入3000g水中搅拌均匀，然后再加入8g气相二氧化硅粉体（粒径＜100nm），分散均匀得到分散液；（2）将1000g膨胀珍珠岩放入分散液中搅拌均匀后真空（真空度85kpa）浸渍12h，然后在105℃干燥箱中烘干，得到预改性膨胀珍珠岩；（3）将20g甲基硅酸钠乳液、10g成膜助剂醇酯-12加入1000g水中混合均匀，得到防水涂料；采用旋转热风喷涂工艺将防水涂料均匀喷涂于预改性膨胀珍珠岩表面，干燥后得到改性膨胀珍珠岩。
30.将未改性的膨胀珍珠岩、预改性膨胀珍珠岩和改性膨胀珍珠岩进行扫描电镜（sem）分析，结果如图1、图2和图3所示。从图1可以看出，未改性的膨胀珍珠岩表面有微米级别的大量孔洞，孔洞尺寸约为10-100μm；而图2中可以看出微纳粉体填充在预改性膨胀珍珠岩表面的孔隙结构中，封闭了膨胀珍珠岩表面的绝大部分孔洞；图3中可以看出防水涂料在膨胀珍珠岩表面形成了不均匀的防水薄膜，同时将微纳粉体进一步封闭并固定于膨胀珍珠岩表面的孔洞内。
31.实施例2一种改性膨胀珍珠岩内容与实施例1的内容基本相同，其不同之处在于：将多层石墨烯（长度5-10μm，5-10层）粉体代替所述气相二氧化硅粉体进行分散液的制备。
32.实施例3一种改性膨胀珍珠岩内容与实施例1的内容基本相同，其不同之处在于：将4g多层石墨烯粉体和4g气相二氧化硅粉体代替所述8g气相二氧化硅粉体进行分散液的制备。
33.对比例1
一种改性膨胀珍珠岩内容与实施例1的内容基本相同，其不同之处在于：所述气相二氧化硅粉体加入量为0g。
34.表1 粉体种类对制得的改性膨胀珍珠岩的影响将实施例与对比例对比后我们发现，加入粉体的改性膨胀珍珠岩（实施例）与不加粉体的改性膨胀珍珠岩（对比例1）相比，导热系数相差不大甚至略有降低，质量吸水率有明显减小，水接触角有明显增大。这是因为小粒径的气相二氧化硅粉体或多层石墨烯粉体会在制备预改性膨胀珍珠岩的过程中封堵膨胀珍珠岩的开放孔，使膨胀珍珠岩的开放孔闭合，同时将空气封堵于膨胀珍珠岩开放孔中。一方面，因为静止空气的导热系数要小于流动空气的导热系数，所以闭合孔的膨胀珍珠岩的导热系数会有所下降；另一方面，闭合孔的膨胀珍珠岩的吸水性比开放孔的膨胀珍珠岩大大降低，这将极大改善改性膨胀珍珠岩的吸水性，同时也有助于降低导热系数。因此，在膨胀珍珠岩改性过程中加入气相二氧化硅或石墨烯粉体在可以明显改善膨胀珍珠岩的吸水性的同时，还能在改性过程中降低膨胀珍珠岩的导热系数。
35.由表1可知，与单独使用石墨烯改性以及复合使用气相二氧化硅和多层石墨烯改性相比，单独使用气相二氧化硅进行改性处理制得的改性膨胀珍珠岩的导热系数更低，质量吸水率更低，水接触角更大。这是因为，气相二氧化硅本身为多孔状，密度更小，导热系数更低，单独使用气相二氧化硅对膨胀珍珠岩进行改性的效果更好。
36.（二）改性膨胀珍珠岩制备方法中气相二氧化硅用量的探讨为了探讨气相二氧化硅用量对制得的改性膨胀珍珠岩的导热系数和吸水性的影响，发明人分别做了以下实验，即实施例1和实施例4-6，其对应的气相二氧化硅与膨胀珍珠岩的质量比分别为：0.8%、0.5%、1%、1.3%。结果如表2所示。
37.实施例4一种改性膨胀珍珠岩内容与实施例1的内容基本相同，其不同之处在于：所述气相二氧化硅粉体加入量为5g。
38.实施例5一种改性膨胀珍珠岩内容与实施例1的内容基本相同，其不同之处在于：所述气相二氧化硅粉体加入量为10g。
39.实施例6一种改性膨胀珍珠岩内容与实施例1的内容基本相同，其不同之处在于：所述气相二氧化硅粉体加入量为13g。
40.表2 气相二氧化硅与膨胀珍珠岩的质量比对制得的改性膨胀珍珠岩的影响
由表2可以看出，随着气相二氧化硅与膨胀珍珠岩质量比的增加，改性膨胀珍珠岩的质量吸水率明显减小，水接触角明显增大，吸水性得到了明显改善。但是，改性膨胀珍珠岩的导热系数呈现先降低后增大的趋势，这是因为气相二氧化硅过少，无法完全封堵膨胀珍珠岩的开放孔，太多会封堵大部分的开放孔占据孔内空气空间，无法达到降低导热系数的改性效果。因此本技术优选0.8%的质量比将气相二氧化硅加入膨胀珍珠岩中进行改性。
41.（三）改性膨胀珍珠岩制备方法中防水涂料用量的探讨为了探讨防水涂料用量对制得的改性膨胀珍珠岩的导热系数和吸水性的影响，发明人分别做了以下实验，即实施例1、实施例7、实施例8和对比例2，其对应的防水涂料用量与膨胀珍珠岩的质量比为：1∶1、2∶1、3∶1、0∶1。结果如表3所示。
42.实施例7一种改性膨胀珍珠岩内容与实施例1的内容基本相同，其不同之处在于：步骤（3）中将40g甲基硅酸钠乳液、20g成膜助剂醇酯-12加入2000g水中混合均匀，得到防水涂料。
43.实施例8一种改性膨胀珍珠岩内容与实施例1的内容基本相同，其不同之处在于：步骤（3）中将60g甲基硅酸钠乳液、30g成膜助剂醇酯-12加入3000g水中混合均匀，得到防水涂料。
44.对比例2一种改性膨胀珍珠岩内容与实施例1的内容基本相同，其不同之处在于：不进行步骤（3）的制备，直接将预改性膨胀珍珠岩进行性能测试。
45.表3 防水涂料与膨胀珍珠岩的质量比对制得的改性膨胀珍珠岩的影响将实施例与对比例对比后发现，喷涂防水涂料的改性膨胀珍珠岩（实施例）与不喷涂防水涂料的改性膨胀珍珠岩（对比例2）相比，导热系数略有降低，质量吸水率明显降低，水接触角显著增大。这是因为预膨胀珍珠岩表面喷涂防水涂料后，相比预改性膨胀珍珠岩（见图2），其孔洞表面形成一层薄薄的拒水膜（见图3），该层拒水膜的存在不仅能阻止水分进入膨胀珍珠岩内部，还能将微纳粉体固定在膨胀珍珠岩表层的孔洞部位，起到隔绝膨胀
珍珠岩内部空气流动的作用。因此，在膨胀珍珠岩改性过程中对预改性膨胀珍珠岩进行防水涂料喷涂可以明显改善膨胀珍珠岩的吸水性，同时还能降低其导热系数。
46.由表3可以看出，随着防水涂料与膨胀珍珠岩的质量比的增加，改性膨胀珍珠岩的导热系数呈现逐渐增大的趋势，质量吸水率呈现缓慢减小的趋势，水接触角变化不大。这是因为，随着防水涂料的用量增加，膨胀珍珠岩表面拒水膜仅厚度增加，而拒水膜本身的导热系数较大，所以改性膨胀珍珠岩的导热系数呈现逐渐增大的趋势，质量吸水率呈现缓慢减小的趋势，水接触角变化不大。因此本技术优选1∶1的质量比将防水涂料加入预改性膨胀珍珠岩中进行最终改性。
47.实施例9一种改性膨胀珍珠岩内容与实施例1的内容基本相同，其不同之处在于：步骤（1）中所述气相二氧化硅粉体加入量为2g；步骤（2）中浸渍时间4h，烘干温度为110℃；步骤（3）中将10g甲基硅酸钠乳液、5g成膜助剂醇酯-12加入500g水中混合均匀，得到防水涂料。
48.实施例10一种改性膨胀珍珠岩内容与实施例1的内容基本相同，其不同之处在于：步骤（1）中所述气相二氧化硅粉体加入量为20g；水加入量为6000g；步骤（2）中浸渍时间24h；步骤（3）中将100g甲基硅酸钠乳液、50g成膜助剂醇酯-12加入5000g水中混合均匀，得到防水涂料。
49.综上所述，本发明有效克服了现有技术中的不足，且具高度产业利用价值。上述实施例的作用在于说明本发明的实质性内容，但并不以此限定本发明的保护范围。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和保护范围。