CN101717271A

CN101717271A - 一种利用土质原料制备多孔材料的方法

Info

Publication number: CN101717271A
Application number: CN200910198318A
Authority: CN
Inventors: 景镇子; 鲁磊; 潘晓辉; 冉献强
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2009-11-05
Filing date: 2009-11-05
Publication date: 2010-06-02

Abstract

本发明属于无机材料合成技术领域，具体涉及一种利用土质原料制备多孔材料的方法。具体步骤为：首先，将土质原料与含CaO的辅助原料混合，并使混合料中CaO与SiO₂的摩尔比为0.4～1.4，向混合料中加入一定量的水，混合均匀后，在压片机下压制成型，最后放入反应釜水热合成得到具有一定强度的多孔材料。本发明在不破坏土质原料自身固有微孔结构的前提下，利用水热技术低温(≤200℃)合成土质原料为具有较高强度的多孔材料，此材料可用于建筑物墙体材料或内装饰用墙地面材料，能够有效地调节室内的湿度，减少空调的使用量，大大节约能源。

Description

一种利用土质原料制备多孔材料的方法

技术领域

本发明属于无机材料合成技术领域，具体涉及一种利用土质原料制备多孔材料的方法。

背景技术

空气相对湿度是衡量室内环境的一项重要参数，对人体健康、舒适程度、室内空气质量以及物品的存放都有重要意义。研究表明，人类感到最舒适的相对湿度范围是40％-70％。由于我国建筑物保温隔热性能相对较差，室内的温湿度随外界环境变化波动很大，每年夏季和冬季，为了调节室内的温度和湿度，我国城市，特别是南方城市，大量使用空调，造成了巨大的能源消耗。

已经有人对调湿材料的制备进行了研究，如中国专利《无机湿度调节面板及其制造方法》(公开日2006年6月21，公开号CN1788995A)和中国专利《高效调湿材料》(公开日2008年1月23，公开号CN101108902A)中公开的技术，但由于制成品的强度低及制备应用过程过于复杂等问题，使制备出的调湿材料无法在城市建筑中得到大规模的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用土质原料制备多孔材料的方法。

本发明提出的利用土质原料制备多孔材料的方法，是利用水热技术将土质原料合成为具有保温调湿作用的多孔材料的方法，具体步骤如下：

首先，将土质原料与含CaO的辅助原料混合，使混合料中CaO与SiO₂的摩尔比为0.4∶1～1.4∶1，即辅助原料的重量为混合料总重量的0～40％(CaO与SiO₂的摩尔比为0.4时辅助原料的添加量为0％)；然后，在上述混合料中加入占混合料总重量5％～25％的水，搅拌均匀后，在10～40MPa的压力下压制成型；最后，将压制好的试样放入水热反应釜内，在温度为100～200℃、压强为0.1～1.55MPa的饱和蒸汽压下水热处理1～72h，即得所需产品。

本发明中，所述土质原料为自然存在的黄土或基建产生的废土，所述辅助原料为生石灰、消石灰、石膏或水泥中任一种。

本发明中，还可在混合料中添加占混合料总量1％～5％的无机染料，以使合成的材料能够具有不同的颜色。

本发明的方法为水热合成法，与传统烧结工艺相比，水热合成由于温度低，既能保留土质原料本身固有的微孔结构，又能够控制大量纳米级微细孔生成，水热合成的多孔材料，可用于建筑物墙体材料或内装饰用墙地面材料，能够有效的调节室内的湿度，减少空调的使用，节约能源。

附图说明

图1：水热合成土质原料为多孔材料的工艺流程。

图2：成型压力对水热合成材料的抗折强度的影响。

图3：消石灰的添加量对水热合成材料的抗折强度的影响。

图4：水分添加量对水热合成材料的抗折强度的影响。

图5：水泥、石膏及生石灰的添加对水热合成材料的抗折强度的影响。

图6：水热合成温度对水热合成材料的抗折强度的影响。

图7：水热合成时间对水热合成材料的抗折强度的影响。

图8：水热合成前后样品的XRD衍射图谱。

图9：水热合成前后样品的SEM图片，其中，(a)为水热合成前样品的SEM图片，(b)和(c)为水热合成后样品的SEM图片。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。

实施例1：

首先，选取黄土为主原料，选取工业用消石灰为辅助原料，将上述原料混合，消石灰占混合料总重的18％，混合料中，CaO与SiO2的摩尔比约为0.8；然后，向上述混合料中加入占混合料总重量10％的水，搅拌均匀后，在压片机下压制成型，成型压力为30MPa；最后，将压制好的试样放入水热反应釜内，在200℃、1.55MPa饱和蒸汽压下水热处理12h，得到最终的样品。

实施例2

首先，选取黄土为主要原料，选取工业用消石灰为辅助原料，将上述原料混合，消石灰占混合料总重的40％，对应的CaO与SiO₂的摩尔比为1.4；再在混合料中添加混合料总量2％的无机染料；然后，向上述混合料中加入占混合料总重量5％的水，搅拌均匀后，在压片机下压制成型，成型压力为10MPa；最后，将压制好的试样放入水热反应釜内，在200℃、1.55Mpa饱和蒸汽压下水热处理12h，得到最终的样品。

实施例3

首先，选取黄土为主要原料，选取水泥为辅助原料，将上述原料混合，水泥占混合料总重的20％；然后，向上述混合料中加入占混合料总重量10％的水，搅拌均匀后，在压片机下压制成型，成型压力为30MPa；最后，将压制好的试样放入水热反应釜内，在100℃、0.1Mpa饱和蒸汽压下水热处理24h，得到最终的样品。

实施例4

首先，选取黄土为主要原料，不添加任何辅助原料(即辅助原料添加量为0％)，对应的CaO与SiO₂的摩尔比为0.4；向上述原料中加入占混合料总重量10％的水，搅拌均匀后，在压片机下压制成型，成型压力为40MPa；最后，将压制好的试样放入水热反应釜内，在100℃、0.1Mpa饱和蒸汽压下水热处理72h，得到最终的样品。

实施例5

首先，选取建筑生产产生的废土为主原料，选取工业用消石灰为辅助原料，将上述原料混合，消石灰占混合料总重的18％，混合料中，CaO与SiO₂的摩尔比约为0.8；然后，向上述混合料中加入占混合料总重量20％的水，搅拌均匀后，在压片机下压制成型，成型压力为30MPa；最后，将压制好的试样放入水热反应釜内，在200℃、1.55Mpa饱和蒸汽压下水热处理6h，得到最终的样品。

水热合成材料的硬化机理是在水热合成过程中，材料内生成了大量的水化硅酸钙(CaO-SiO₂-H₂O，C-S-H)，特别是托勃莫来石(tobermorite，Ca₅(Si₆O₁₈H₂)·4H₂O)晶体，大量细杆状的托钵莫来石晶体生成，彼此之间互相交联，使材料致密度提高，从而导致材料强度提高。

水热合成材料具有优异的湿度调节作用是由于材料内有大量介孔级微细孔存在。土质原料本身具有大量的微细孔，这些微细孔具有一定的保温调湿作用，水热合成过程由于所需温度较低，不会破坏土本身的微孔结构，另外由于水热合成过程中托勃莫来石晶体的生成，晶体之间产生了大量的介孔，正是由于水热合成材料中存在大量分布均匀的介孔级微细孔，使得材料具有优异的湿度调节作用。

下面以陕西省乾县黄土高原的黄土作实验进一步说明本发明。

图1为水热合成土质原料为多孔材料的工艺流程图。

图2为成型压力对水热合成材料抗折强度的影响。成型压力分别为10MPa、20MPa、30MPa或40MPa。实验条件：消石灰添加量18％，水添加量10％，200℃温度下水热合成12h。由图可以看出，10MPa-30MPa范围内，强度增加较快，超过30MPa后，强度增加变得缓慢，表明过高的成型压力对水热合成材料强度的增加影响较小。

图3为消石灰添加量不同对水热合成材料抗折强度的影响。实验中分别添加占混合料总重10％、18％、24％、30％的消石灰以及不添加消石灰。实验条件：水添加量10％，30MPa下成型后，在200℃温度下水热合成12h。由图中可以看出，不添加消石灰时，强度很低，随着消石灰的加入，强度增加，消石灰添加量为18％时，强度达到最大值，继续加入消石灰，强度缓慢下降。由此可见，消石灰的最佳添加量为18％。

图4为水添加量对水热合成材料抗折强度的影响。实验中分别添加5％、10％、15％的蒸馏水。实验条件：消石灰添加量为18％，在30MPa成型压力下成型后，在200℃温度下水热合成12h。由图中可以看出，未加水时，材料强度较低，但加入5％、10％、15％的水，强度差别很小。

图5为水泥、石膏及生石灰的添加对水热合成材料的抗折强度的影响。实验中，分别添加20％的水泥、石膏和生石灰。实验条件：水添加量10％、30MPa下成型后，在200℃温度下水热合成12h。由图中可以看出，水泥、石膏或生石灰加入后，材料的抗折强度均达到了20MPa以上，强度较高。

图6、7为水热合成温度及时问对水热合成材料抗折强度的影响。实验条件：消石灰添加量18％、水添加量10％、成型压力30MPa。图6是不同的温度(100℃、125℃、150℃、200℃)下12h水热合成后测试所得，由图中可以看出随着温度提高，水热合成材料强度升高，表明温度升高，有利于水热反应的进行。图7为200℃温度下经不同时间(1h、3h、6h、9h、12h、24h)水热合成后测试所得，由图中可以看出，随着时间的延长，强度增加，12h时最大(约27MPa)，24h时，强度有一定程度的下降。表明，一定范围内，水热合成时间延长有利于样品强度提高，但过长时间的水热合成对材料强度的增加不利。

图8为水热合成前后晶相变化的XRD衍射图。水热合成条件为消石灰添加量18％、水添加量10％、30MPa下成型，200℃温度下水热合成12h。水热合成前，样品中主要的晶相为石英(Quartz)和方解石(Calcite)，另外还有少量的伊利石(Illite)、高岭土(Kaolinite)等粘土矿物以及少量的长石(Feldspar)和白云母(Muscovite)。水热合成后，出现了新的晶相托勃莫来石(Tobermorite)。水热合成后材料强度有很大的提高，主要就是由于托勃莫来石的生成。

图9为水热合成前后样品的扫描电子显微镜(SEM)图片。其中(a)为未水热合成的样品的SEM图，由图中可以看出，水热合成前，较大的黄土颗粒松散的堆积在一起，颗粒间间隙较大。(b)为水热合成后样品内结晶较好区域的SEM图，由图中可以看出，水热合成后，大量细杆状的托勃莫来石生成，彼此间互相交联，导致样品强度提高，同时产生了大量晶间孔(晶体之间的孔)。(c)是水热合成后样品中富黄土原料区域的SEM图，可看出，由于溶解/析出作用，在黄土大颗粒间或大颗粒上产生了大量析出的疏松小晶粒，增加了多孔性。由图(b)和图(c)可以看出，水热合成后，样品中出现了大量微细孔，正是由于水热合成黄土得到的材料中含有大量的微细孔，使得其具有优异的保温调湿作用。

以上对本发明进行了详细的介绍，文中应用了具体的实例对本发明进行阐述，这是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在本发明的思想应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种利用土质原料制备多孔材料的方法，其特征在于具体步骤如下：

将土质原料与含CaO的辅助原料混合，使混合料中CaO与SiO₂的摩尔比为0.4∶1～1.4∶1，辅助原料的重量为混合料总重量的0～40％；在上述混合料中加入占混合料总重量5％～20％的水，搅拌均匀后，在10～40MPa的压力下压制成型；将压制好的试样放入水热反应釜内，在温度为100～200℃、压强为0.1～1.55MPa的饱和蒸汽压下水热处理1～72h，即得到所需产品。

2.根据权利要求1所述的利用土质原料制备多孔材料的方法，其特征在于所述土质原料为一般自然存在的黄土或由基建产生的废土中任一种。

3.根据权利要求1所述的利用土质原料制备多孔材料的方法，其特征在于所述辅助原料为生石灰、消石灰、石膏或水泥中任一种。

4.根据权利要求1所述的利用土质原料制备多孔材料的方法，其特征在于在混合料中添加混合料总量1％～5％的无机染料。