[发明专利]包含硅粉的煤灰基地聚合物泡沫的制备方法

说明书

本发明涉及一种以煤底灰和粉煤灰一起用作地聚合物泡沫的原料，并在碱性活化剂和氢氧化钠的混合溶液中添加硅粉来制备的热导率较低且较轻的地聚合物泡沫及其制备方法。本发明的地聚合物泡沫可以用于改善使用环保胶结物的建筑物的隔热性能和安全性。

技术领域

本发明涉及一种包含硅粉的煤灰基地聚合物(coal ash-based geopolymer)泡沫的制备方法。

背景技术

胶结物(cement)是无机粘结剂(binder)的总称的术语，上述无机粘结剂是通过与水等不同物质进行反应使其本身凝固或将其他物质凝聚在一起。通常，胶结物是指硅酸盐水泥(Ordinary Portland Cement，OPC)，因为硅酸盐水泥在整个混凝土使用方面占95％以上的比例。硅酸盐水泥由于原料丰富，生产方式并不复杂，因此适合大量生产，但是生产过程具有大量消耗能源以及排出大量二氧化碳的问题。根据达维多维茨(Davidovits)的研究，发现了在生产1吨的胶结物时会排出大约1吨的二氧化碳。在胶结物产业中，通过使用生物燃料或引入低能耗的新型水泥熟料(clinker)，以及开发环保混凝土结构等方式，为减少二氧化碳的排出量而做出了各种努力。

地聚合物(geopolymer)作为OPC的环保替代物质而备受关注。地聚合物是具有硅酸铝(aluminosilicate)三维结构的无机粘结物质，上述硅酸铝三维结构是通过对富有二氧化硅(SiO₂)和氧化铝(Al₂O₃)的物质进行碱法活化(alkali activation)来合成。地聚合物可以利用燃煤发电厂中产生的粉煤灰、矿产业中产生的尾矿砂(mine tailing)或铝提纯过程中产生的赤泥等产业废弃物作为原料，因此在废弃物处理方面具有优点。

煤灰为粉煤灰(coal fly ash，CFA)和煤底灰(coal bottom ash，CBA)。粉煤灰具有球形粒子形状，且其粒度低，从而地聚合物反应性较高。因此，进行了很多利用粉煤灰的研究，并且产生量的大部分在实际中也被利用。另一方面，虽然煤底灰的成分与粉煤灰相似，但由于其粒型不规则，棱角分明以及粒度大，因此难以用作地聚合物的原料物质。利用煤底灰的研究并不多，对产生量的大部分进行了填埋。根据韩国南洞发电实际产生煤灰的现状，2018年1年中所产生的煤灰中，对79.07％的粉煤灰进行了回收利用，对17.55％的粉煤灰进行了填埋，但是对76.59％的煤底灰进行了填埋。煤灰填埋除了产生土壤和水质的污染，而且还可能产生填埋费用、填埋地不足等各种困难，因此亟需一种对煤灰，尤其是对煤底灰进行利用的研究。

一方面，现代建筑物的隔热性能成为了一项重要的设计标准。广泛用作现代建筑物的隔热材料的有机隔热材料耐高温性较弱，因此存在当发生火灾时会排出有毒气体，从而导致对人体造成伤害的问题。由此，具有优秀的隔热性能的同时耐高温性较强的无机隔热材料备受关注。在现代工业界和学术界中，通常利用混凝土及地聚合物泡沫的合成法，上述混凝土及地聚合物泡沫是通过利用化学物质添加剂的反应，在结构内产生气体。J.L.Bell和W.M.Kriven的研究中，通过使用过氧化氢和铝粉来形成泡沫结构的地聚合物。另外，Aguilar等利用各种添加剂(使用硅粉)进行了合成地聚合物泡沫的研究。如上所述的现有研究中主要将偏高岭土和粉煤灰用作原料，但是在本发明中通过利用上述泡沫合成法来制备以煤底灰作为原料的地聚合物泡沫。

在生产过程中铝粉会大量消耗能源，因此，在环境方面优选将用量最小化，并且由于表面活性剂为有机物质，因此高温分解来产生毒性物质。硅粉(silica fume)是在生产硅或硅合金时产生的工业副产物，众所周知，作为杂质存在的硅的反应会产生氢气。通过这种反应可以形成更加稳定的地聚合物泡沫结构。因此，尝试通过仅添加硅粉作为发泡剂而不使用铝粉和表面活性剂来合成地聚合物泡沫。

韩国授权专利第10-1901684号中公开了利用煤底灰的高强度属性地聚合物的制备方法；韩国公开专利第10-2013-0057024号涉及一种利用废圆盘的地聚合物粘合剂及利用其的耐火砂浆组合物，并公开了包含废煤灰煤底灰(bottom ash)作为骨料的耐火砂浆组合物。