替代石棉的硅基难燃材料及其制备方法

摘要

本发明涉及一种硅基难燃材料及其制备方法，更具体地，涉及一种包含硅石、石灰岩和钠长石作为主要成分的硅基难燃材料及其制备方法，所述硅基难燃材料是通过包括碾碎、熔融、喷涂和成型在内的一系列工艺而获得的，并可替代石棉。根据本发明，由于可使用由硅基矿物质构成的硅基难燃材料来制备即使在高温下也难燃的功能性建筑材料，并且由于只使用天然矿物质为主要成分，所述硅基难燃材料可被用作对人体无害的建筑材料，并且可替代已经被广泛用于作隔热和隔音等常规建筑材料的石棉。

说明书

技术领域

本发明涉及一种硅基难燃材料(silica-based nonflammable material)及其制 备方法，更具体地，本发明涉及一种包括硅石、石灰岩和钠长石作为主要成分 的硅基难燃材料及其制备方法，所述硅基难燃材料是通过包括碾碎、熔融、喷 涂和成型在内的一系列工艺过程而获得的，且该硅基难燃材料可替代石棉。

背景技术

石棉是一种本质上为纤维状且富含镁的含水硅酸盐矿物质。石棉被广泛应 用于诸如厚纸板、石棉板等的建筑材料、防火材料、耐火材料、隔热材料、电 绝缘材料、电解质膜材料、制动衬片材料、或类似物。

特别地，石棉因具有优秀的隔热、绝缘性质、抗磨损性、抗张强度、对酸 性或碱性化学物质的耐受性且价格非常便宜而被广泛应用。然而，由于最近已 发现石棉是致癌物，于是石棉被逐渐弃用。此外，为了取代石棉，研究正在进 展当中。

该研究结果的代表性实例包括：登记号为No.20-0351515的韩国实用新型 公开了一种难燃的薄板，其中碳纤维板通过粘合剂被粘合到硅纤维板的两面； 登记号为No.20-0435418的韩国实用新型公开了一种建筑草(纤维)水泥板， 其中通过将草或草本植物打浆而得的纤维与水泥和水混合来生产隔热或隔声 材料，该隔热或隔声材料被用于内部建筑或外部建筑并且该隔热或隔声材料可 防水和防火；以及韩国专利公开号No.2007-0065854公开了一种使用回收的合 成纤维废品来制备吸音材料的方法和一种用于建筑的吸音板。

上述现有技术部分地解决了在石棉中存在的有害性问题并且是具有额外 功能的建筑材料。然而，此类常规的现在技术仍存在不足，由于它们包含了从 中会部分地释放有害物质的原材料，故这些现有技术并没有完全解决有害性的 问题。

因此，本发明人做出了大量的努力以解决常规现有技术的相关问题，并因 此发现了，可以通过将硅石、石灰岩和钠长石，或钙硅石和钠长石经过包括碾 碎、熔融、喷涂和成型在内的一系列工艺过程而制备出一种对人体无害的难燃 建筑材料，前述硅石、石灰岩和钠长石，或钙硅石和钠长石均为天然矿物质， 从而完成了本发明。

发明内容

技术问题

本发明的一个目的是提供一种可替代石棉的硅基难燃材料及其制备方法。

技术方案

为了达到上述目的，一方面，本发明提供了一种硅基难燃材料的制备方法， 所述方法包括以下步骤：

(a)将包括硅石、石灰岩和钠长石作为主要成分的天然矿物质碾碎成天然矿 物质粉末；

(b)将在步骤(a)被碾碎的、包括硅石、石灰岩和钠长石的天然矿物质粉末 进行熔融，以形成液态熔融物；和

(c)将在步骤(b)所形成的液态熔融物进行喷涂，以获得作为被喷涂的材料 的硅基难燃材料。

另一方面，本发明提供了由所述方法制备的、包括硅石、石灰岩和钠长石 的硅基难燃材料。

又一方面，本发明提供了一种硅基难燃材料的制备方法，所述方法包括以 下步骤：

(a)将包括钙硅石和钠长石作为主要成分的天然矿物质碾碎成天然矿物质 粉末；

(b)将在步骤(a)被碾碎的、包括钙硅石和钠长石的天然矿物质粉末进行熔 融，以形成液态熔融物；和

(c)将在步骤(b)所形成的液态熔融物进行喷涂，以获得作为被喷涂的材料 的硅基难燃材料。

再一方面，本发明提供了由所述方法制备的、包括钙硅石和钠长石的硅基 难燃材料。

以下详细的说明书及所附的权利要求书将更明确地说明本发明的其它特 征和实施方式。

附图说明

图1是根据本发明制备硅基难燃材料的工艺流程图；

图2是根据本发明所制备的、包括硅石、石灰岩和钠长石的硅基难燃材料 的照片，其中图2(a)显示了成型前的硅基难燃材料和图2(b)显示了成型 后的硅基难燃材料；

图3是根据本发明所制备的、包括钙硅石和钠长石的硅基难燃材料的照 片，其中图3(a)显示了成型前的硅基难燃材料和图3(b)显示了成型后的 硅基难燃材料。

具体实施方式

除非另有定义，本发明使用的所有技术术语和科学术语都具有本发明所属 技术领域的普通技术人员通常理解的含义。通常，本发明中所使用的术语和下 文将描述的实验方法都是本领域公知的或常用的。

一方面，本发明涉及一种硅基难燃材料的制备方法，所述方法包括步骤： (a)将包括硅石、石灰岩和钠长石作为主要成分的天然矿物质碾碎成天然矿物质 粉末；(b)将在步骤(a)被碾碎的、包括硅石、石灰岩和钠长石的天然矿物质粉 末进行熔融，以形成液态熔融物；和(c)将在步骤(b)所形成的液态熔融物进行 喷涂，以获得作为被喷涂的材料的硅基难燃材料。(参见图1)

硅砂(silica sand)是含有高含量的二氧化硅(SiO₂)的石英砂。具体地，硅 砂是指通过自然现象形成的砂，在该自然现象中由于风化的原因，其它矿物原 料分解致消失，只有石英存留或被转移。韩国的硅砂的总预计储量为约1.09 亿万吨，且长期以来硅砂被用于包括混凝土等不同种类的建筑材料。

因此，本发明提供一种硅基难燃材料，该硅基难燃材料对人体无害且包含 作为一类硅砂的硅石和钙硅石，也即在韩国很容易获得的天然矿物质。具体地， 由于硅石具有超出1400-1600℃的较高的熔融温度，故为了降低该硅石的熔融 温度，使用石灰岩和钠长石与硅石一起作为主要成分。由于钙硅石具有相对较 低的熔融温度600-800℃，因此只使用钠长石与硅石一起作为主要成分。

硅石是一种化学式为SiO₂的矿物质，通常以石英的形式存在。由于硅石 具有防火的物理性质，硅石被用作包括耐火浆泥、耐火砖之类的耐火建筑材料 的主要分成，且硅石具有在1400-1600℃的高温下被熔融的性质。

因此，在本发明中，硅石的作用是为了赋予最终制备的硅基难燃材料具有 难燃的性质，以使得生产表现出难燃性的功能性建筑材料成为可能。此外，由 于硅石是以砂石等形式天然存在的矿物质，所以硅石显现出不释放对人体有害 物质的效果。

石灰岩是一种具有耐火和隔热性质、隔音、重量轻、可成型性等物理性质 的矿物质。此外，石灰岩包含作为主要成分的CaCO₃并具有在900-1100℃的 低温下被熔融的性质。

因此，在本发明中，石灰岩的作用是为了降低熔融工艺中进行熔融的温度， 并且石灰岩可表现出降低生产硅基难燃材料的成本开销的效果。

钠长石(Na₂O·Al₂O₃·6SiO₂)是一种分子量为524.3和熔点为1000-1100℃的 矿物质。钠长石具有在较低温度时可将材料的颗粒彼此顺利地粘合的物理性 质。

因此，在本发明中，利用钠长石的前述物理性质，钠长石的作用是为了使 作为硅基难燃材料主要成分的硅石粉末颗粒之间相互粘合，这使得在较低的熔 融温度下生产硅基难燃材料成为可能，从而降低生产成本。

在本发明中，以100重量份的硅石为基础，石灰岩和钠长石的含量分别为 60-90重量份和60-90重量份。

如果石灰岩的含量少于60重量份(基于100重量份的硅石)，则出现熔融 温度仍然高的问题。相反，如果石灰岩的含量超出90重量份(基于100重量份 的硅石)，则随着加入的石灰岩量的增加也无益处。此外，如果钠长石的含量 少于60重量份(基于100重量份的硅石)，则出现熔融温度仍然高的问题。相 反，如果钠长石的含量超出90重量份(基于100重量份的硅石)，则随着加入 的钠长石量的增加也无益处。

在本发明中，优选地，作为主要成分使用的硅石和钠长石被碾碎成粒径为 1-3mm的天然矿物质粉末。为了将硅石和钠长石碾碎到粒径小于1mm的天然 矿物质粉末，需耗费更多的时间。如果天然矿物质粉末的粒径超过3mm，则 会出现需要耗费更多的时间来熔融该天然矿物质粉末的问题。可将硅石、石灰 岩和钠长石分别碾碎，然后一起熔融。或者，可将石灰岩和钠长石一起碾碎后 熔融。

在本发明中，步骤(b)中进行熔融是在700-1,300℃下进行20-50分钟。 如果天然矿物质粉末的进行熔融的温度低于700℃，则熔融不充分。相反地， 如果进行熔融的温度超过1,300℃，则随着熔融温度的增加也无益处。另外， 如果天然矿物质粉末的进行熔融的时间少于20分钟，则熔融不能充分进行。 相反地，如果进行熔融的时间超过50分钟，则随着熔融时间的增加也无益处。

优选以窑作为进行包括熔融、煅烧等在内的常规加热处理工艺的装置进行 熔融，但不限于此且任何可以熔融天然矿物质粉末的装置都是可以的。

在本发明中，步骤(c)中进行喷涂可通过高压喷涂器(high-pressure  sprayer)来进行，且被喷涂的材料是棉纤维形式的材料。

在本发明中，将步骤(c)中被喷涂的材料成型的步骤是额外进行的。所 述成型是挤压成型工艺。

步骤(c)中作为被喷涂的材料的、所获得的硅基难燃材料是棉纤维形式 的。对该象棉纤维般的硅基难燃材料施用额外的成型步骤可获得平板形式的硅 基难燃材料。

作为一个具体的实例，将在下文描述使用滚筒的挤压成型工艺。

将在窑里通过熔融工艺形成的液态熔融物喷涂到滚筒上，和当从一对滚筒 之间经过时，该棉纤维形式的被喷涂的材料就被挤压，因此板状样的硅基难燃 材料便卷绕在滚筒上，从而获得卷状物形式的硅基难燃材料。当该硅基难燃材 料被实际用作建筑材料时，如果需要，可以被切割并使用该硅基难燃材料。

同时，可以将液态熔融物与有机粘合剂一起喷涂到滚筒上，以进一步促进 在使用滚筒的挤压成型的工艺中的成型。

此外，为了防止经过滚筒时挤压出来的板状样硅基难燃材料卷与卷绕在滚 筒上的硅基难燃材料相互粘着，可在底部放置聚合树脂、树脂等以形成卷状物。

另一方面，本发明还涉及一种由所述方法制备的、包含硅石、石灰岩和钠 长石的硅基难燃材料。

如上所述，包含硅石、石灰岩和钠长石作为主要成分的、棉纤维形式的硅 基难燃材料可通过包括碾碎、熔融和喷涂在内的一系列工艺而获得。此外，平 板形式的硅基难燃材料可通过包括碾碎、熔融、喷涂和成型在内的一系列工艺 而获得。

在另一方面，本发明还涉及一种硅基难燃材料的制备方法，所述方法包括 步骤：(a)将包括钙硅石和钠长石作为主要成分的天然矿物质碾碎成天然矿物质 粉末；(b)将步骤(a)中所碾碎的、包括钙硅石和钠长石的天然矿物质粉末进行 熔融，以形成液态熔融物；和(c)将步骤(b)所形成的液态熔融物进行喷涂，以 获得硅基难燃材料。

钙硅石是一种分子式为CaSiO₃的链硅酸钙(calcium inosilicate)矿物质， 其包含48.3％重量的CaO和51.7％重量的SiO₂。另外，钙硅石是一种天然存 在的矿物质，具有即使在超过1000℃的高温仍保持难燃的特性。

因此，在本发明中，钙硅石的作用是赋予最终制备的硅基难燃材料有难燃 的性质，从而使生产表现出难燃的功能性建筑材料成为可能。此外，由于钙硅 石是天然存在的矿物质，具有不释放对人体有害物质的效果。

在本发明中，以100重量份的钙硅石为基础，钠长石的含量为10-50重量 份。

如果钠长石的含量少于10重量份(基于100重量份的钙硅石)，则出现天 然矿物粉末的熔融温度仍然高的问题。相反地，如果钠长石的含量超出50重 量份(基于100重量份的钙硅石)，则随着加入的钠长石量的增加也无益处。

在本发明中，步骤(b)的熔融是在700-800℃下进行10-30分钟。如果天 然矿物质粉末进行熔融的温度低于700℃，则熔融不充分。相反地，如果进行 熔融的温度超过800℃，则随着熔融温度的增加也无益处。另外，如果天然矿 物质粉末进行熔融的时间少于20分钟，则熔融不充分，相反地，如果进行熔 融的时间超过50分钟，则随着熔融时间的增加也无益处。

在本发明中，将步骤(c)中被喷涂的材料进行成型的步骤是额外进行的。

在本发明中，所述成型是使用滚筒进行挤压成型工艺。

另一方面，本发还涉及由所述方法制备的、包含钙硅石和钠长石的硅基难 燃材料。

由于根据本发明的硅基难燃材料是以棉纤维形式或平板形式获得的，该硅 基难燃材料可以以任意可选的方式在实际的建筑建设中被适当地用作隔热和 隔音等建筑材料。此外，本发明的硅基难燃材料由于包含天然矿物质作为主要 成分而对人体无害，这与已被广泛用作建筑材料但由于释放致癌物质而被认为 有害的石棉不同。

实施例

以下，将参考实施例进一步详细描述本发明。显然，对本领域的技术人员 来说，这些实施例仅用于解释的目的并不能理解为对本发明范围的限制。

【实施例1】制备包括硅石、石灰岩和钠长石的硅基难燃材料

使用球磨机(韩国陶瓷有限公司)将40kg硅石、30kg石灰岩、30kg钠长 石碾碎成粒径为1-3mm的天然矿物质粉末。将所述碾碎的粉末投放到窑中并 在1100℃下熔融35分钟。

使用高压空气压缩机(韩国Dong-A精确有限公司(Korean Dong-A  Precision Co.，Ltd))喷涂被熔融并流出窑的液态熔融物以获得棉纤维形式的硅 基难燃材料(参见图2(a))。

另外，当在一对滚筒(韩国陶瓷有限公司)之间经过时，作为被喷涂的材 料的、该棉纤维形式的硅基难燃材料被挤压成型，并且然后被卷绕到该滚筒上 从而获得平板形式的硅基难燃材料(参见图2(b))。

【实施例2】制备包括钙硅石和钠长石的硅基难燃材料

使用球磨机(韩国陶瓷有限公司)将70kg钙硅石、30kg钠长石碾碎成粒 径为1-3mm的天然矿物质粉末。将所述碾碎的粉末投放到窑中并在650℃下 熔融35分钟。

使用高压空气压缩机(韩国Dong-A精确有限公司)喷涂被熔融并流出窑 的液态熔融物以获得棉纤维形式的硅基难燃材料(参见图3(a))。

另外，当在一对滚筒(韩国陶瓷有限公司)之间经过时，作为被喷涂的材 料的、该棉纤维形式的硅基难燃材料被挤压成型，并且然后被卷绕到该滚筒上 从而获得平板形式的硅基难燃材料(参见图3(b))。

工业适用性

如上所述，根据本发明，由于使用由硅基矿物质构成的硅基难燃材料可以 制备即使在高温下仍难燃的功能性建筑材料，并且由于只使用天然矿物质作为 主要成分，故所述硅基难燃材料可用作建筑材料而对人体无害，并可替代已经 被广泛用作隔热和隔音等常规建筑材料的石棉。

尽管对本发明的详细描述中涉及具体的特征，显然，对本领域的技术人员 来说，这种描述只是一种优选的实施方式并不限制本发明的范围。因此，本发 明的实质范围由所附的权利要求书及其等同来限定。