一种工业用地聚合物隔热防火填充料及其制备方法

本发明属于隔热防火材料，具体涉及一种工业用地聚合物隔热防火填充料及其制备方法。

背景技术：

1、随着工业的发展以及国家对于能源、环境和生产安全的逐渐重视，工业上对于材料隔热防火的要求逐渐提高。填充料属于一种辅助材料，其作用主要是填充孔隙，增加材料密度或提升材料性能。具体的填充料是根据人们对于填充的特殊需求而研制出来的。工业上常用的隔热型填充料主要为多孔材料，其是利用材料内部所含的孔隙隔热。隔热效果随材料的类型（如结晶材料的导热系数最大，微晶体结构次之，玻璃体结构的最小）、孔隙特征（孔径越小、孔隙越封闭，导热系数越小）以及容重大小（一般情况下，容重越小导热系数越低）等的不同而有所差异。防火型填充料主要包括矿物类（如滑石粉、硅砂、碳酸钙等）、难燃型树脂类（如环氧树脂、酚醛树脂等）以及耐温材料等。

2、目前针对隔热防火型填充料的研究主要是在传统材料（有机、无机）的基础上进行改性。如向水泥等耐温材料中引入泡沫、空心玻璃微珠、引气剂等以制备多孔材料，以及使用有机磷阻燃剂、磷氯系阻燃剂等对聚氨酯泡沫塑料进行阻燃改性等。但这些材料均有一定缺点，如仍以水泥等高碳排放材料为基础；研究中使用大量含毒性试剂等，会对环境以及人体产生一定影响，不利于大规模推广应用。

3、近年来，研究人员通过大量探索，提出一种新思路，即利用低碳排放、耐高温材料——地聚合物材料替代水泥等高碳排放材料制备多孔材料。目前以地聚合物材料制备多孔材料的研究较多，但其导热性能、机械性能有较大差异，实际应用难度较大。迫切需要进一步稳定降低泡沫地聚合物材料的导热系数以及增加其抗压强度等。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种容重、导热、抗压性能优良的工业用地聚合物隔热防火填充料及其制备方法。

2、本发明所采用的技术方案为：

3、一种工业用地聚合物隔热防火填充料，其特征在，以重量份计，所用原料为：粉煤灰200-400份、矿渣50-100份、复合碱激发剂185-370份、促凝剂2-4份、二氧化硅气凝胶25-50份、发泡剂1-2份、稳泡剂2-4份、金属络合剂1-2份、外加剂1-5份、分散剂3-6份及去离子水300-400份。

4、进一步优选，原料中外加剂的量为1-3份。

5、所述外加剂为纳米c-s-h晶核。（中值粒径为190 nm，纯度约为87%，总体呈无定形态）。

6、所述促凝剂为甲酸钙、乙酸钙和甲酰胺中的一种，纯度均为分析纯。

7、所述发泡剂为α烯基磺酸钠、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠中的一种或多种，纯度不低于92%。

8、所述稳泡剂为硅树脂聚醚微乳液、磷酸三钠及黄原胶中的一种或多种，其中硅树脂聚醚微乳液固含量70%，磷酸三钠纯度不低于98%，黄原胶纯度为工业级。

9、所述金属络合剂为单乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、三异丙醇胺及乙二胺四乙酸盐中的一种或多种，固含量不低于78%。

10、所述分散剂为聚羧酸高效减水剂、萘系高效减水剂和三聚磷酸钠中的一种或多种，固含量不低于26%。

11、所述粉煤灰为低钙f级粉煤灰，所述矿渣为s105级矿渣。

12、所述二氧化硅气凝胶的孔隙率为85-95%，平均孔径为20-40 nm，干密度30-80 kg/m³，常温下导热系数为0.0151-0.0204 w/m·k。

13、所述复合碱激发剂的模数为1.33-1.5，制备时：将所需外加去离子水与氢氧化钠颗粒倒入水玻璃中，搅拌、静置陈化24 h得到；氢氧化钠颗粒纯度不低于96%，水玻璃模数为2.0-2.42，波美度为50.4-55.2；添加去离子水使得复合碱激发剂中水（外加去离子水与水玻璃中水）与胶凝材料质量比为0.40-0.50。

14、工业用地聚合物隔热防火填充料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

15、1）按比例取各原料；

16、2）将粉煤灰、矿渣和复合碱激发剂搅拌混匀制成地聚合物浆料；

17、3）向地聚合物浆料中加入二氧化硅气凝胶，搅拌混匀得到气凝胶地聚合物浆料；

18、4）将外加剂与分散剂与去离子水混合超声分散，继续加入发泡剂、稳泡剂和金属络合剂，搅拌得到预制泡沫；

19、5）将预制泡沫加入气凝胶地聚合物浆料中（泡沫体积为地聚合物浆料体积的1-3倍），搅拌，得到混合料；

20、6）使用前将混合料与促凝剂混匀。（140±5 r/min的速率搅拌30-60 s）

21、混合料与促凝剂的混合不能过早，一般在使用前进行混匀，避免过早混合而导致凝结，根据现场对凝结时间的实际需求来灵活调整。混合料与促凝剂混混匀后的物料能够用于路基下方空区或矿山采空区填充、油井调剖封窜等场所，具有凝结时间可控、力学性能优良等优点。

22、所述步骤2）中搅拌时：先以140±5 r/min的转速搅拌1-2 min，再以285±10 r/min的转速搅拌1-2 min；所述步骤3）搅拌时：以285±10 r/min的转速搅拌2-3 min；所述步骤4）中搅拌时：搅拌速度为1000-1500 r/min，搅拌时间为3-5 min；所述步骤5）中搅拌时：搅拌速度140±5 r/min，搅拌时间为3-5 min。

23、所述步骤4）中超声分散时：超声频率42 khz，超声时间15 min。

24、与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：

25、本发明的隔热防火填充料添加了二氧化硅气凝胶，有助于提高泡沫地聚合物稳定性，并且其本身具有优异防火保温隔热等性能二氧化硅气凝胶的引入使得填充料性能进一步得到优化。

26、本发明在预制泡沫制备过程中引入了外加剂纳米c-s-h晶核和金属络合剂，纳米c-s-h晶核混入泡沫液制备成预制泡沫时，纳米c-s-h晶核会进入泡沫壁，使泡沫液粘度增大，这会使泡沫壁变厚，泡沫抵抗外界力的能力增大，泡沫稳定性提高。泡沫稳定性提高，同时会改变泡沫地聚合物硬化体中的孔结构，如孔径大小，孔形态等，从调整孔结构角度提高强度，大大提高地聚合物基体的强度，为制备超轻-低导热工业用含气凝胶泡沫地聚合物隔热防火填充料提供可靠基体。同时其本身具有晶核效应，能够提供形核位点，降低水化产物形核势垒，从动力学角度提高强度，会引起原料（粉煤灰和矿渣）的解聚速率加快，水化反应速率加快，生成产物增多。同时纳米csh晶核会使水化产物的形核势垒降低，加快水化产物的形成速率，从而使反应体系中ca离子、al离子等的浓度降低，这会使矿渣与粉煤灰加速与碱反应，解聚，补偿体系内的离子浓度。

27、金属络合剂不仅可以起到稳定泡沫的作用，同时还可以络合浆体中金属离子，促进硅铝质前驱体解聚，增加反应程度，进而提高硬化后的抗压强度。

28、本发明以工业固体废物粉煤灰和矿渣为胶凝材料制备地聚合物填充料，具有便宜易得、碳排放低等优点，可实现安全低成本生产。

29、本发明在制备时，采用预发泡法掺入泡沫，该方法受环境因素影响较小，并且能够引入较多封闭孔，有助于拓宽地聚合物填充料的应用环境以及赋予其优异的保温隔热性能。

30、本发明制备的隔热防火填充料，固化后具有可观强度、优异保温隔热、防火防潮效果，其制备方法简便易操作，可实现自动化，有助于大规模应用。

31、本发明制备的工业用含气凝胶泡沫地聚合物隔热防火填充料使用时采用了多组分密封胶原理，通过改变促凝剂的添加量控制凝结时间，赋予填充料固化时间可控的优点，拓展了填充料的应用范围。