煤矸石空心微珠/泡沫铝硅酸盐聚合物复合材料及制备

摘要

本发明公开了属于复合材料制备技术领域的煤矸石空心微珠/泡沫铝硅酸盐聚合物复合材料及制备。该复合材料具有宏孔与微孔和/或介孔结构，以硅溶胶和强碱混合的碱性激发溶液与偏高岭土为原料，通过煤矸石空心微珠为造孔剂和双氧水为发泡剂的复合方式造孔得到；本发明制备方法成本低廉、绿色环保，同时解决了煤矸石固废污染环境、材料孔隙率提升困难的问题，制备得到的复合材料孔隙率高、轻质高强，孔结构多样可控，适用范围广。

说明书

技术领域

本发明属于复合材料制备技术领域，特别涉及煤矸石空心微珠/泡沫铝硅酸盐聚合物复合材料及制备。

背景技术

煤矸石粉体因其较大比表面积与膨松多孔的结构，作为吸附剂在污水处理及吸附与过滤方面发展势头迅猛，实现了资源再利用；空心微珠是一种小尺寸的中空球形粉体，具有高强质轻、耐温绝热等特殊的优点，微珠特殊的结构不仅比表面积大，而且流动性强；以煤矸石粉体为原料的固废空心微珠则兼具了两者优势，比表面积大、流动性强，同时具有良好的吸附功能。

铝硅酸盐聚合物是一类无机材料，泡沫铝硅酸盐聚合物是在制备铝硅酸盐聚合物的基础上，利用多孔陶瓷制备方法发泡合成其多孔结构得到的新型多孔材料。闭孔结构的泡沫铝硅酸盐聚合物可应用于保温隔热领域，开孔结构的材料可在过滤分离、废水处理、催化吸附等方面一展身手。虽然采用直接发泡法能大幅提高泡沫铝硅酸盐聚合物的孔隙率与比表面积，但其中单一分布的大尺寸宏孔结构存在降低了其力学性能，限制了其工程应用范围。

发明内容

本发明的目的在于提供煤矸石空心微珠/泡沫铝硅酸盐聚合物复合材料及制备，具体技术方案如下：

煤矸石空心微珠/泡沫铝硅酸盐聚合物复合材料具有宏孔与微孔和/或介孔结构；以硅溶胶和强碱混合的碱性激发溶液与偏高岭土为原料，通过煤矸石空心微珠为造孔剂和双氧水为发泡剂的复合方式造孔得到。

所述的煤矸石空心微珠/泡沫铝硅酸盐聚合物复合材料的制备方法包括以下步骤：

(1)将氢氧化钾与质量分数为25％～45％的硅溶胶均匀混合，磁力搅拌24-72小时后得到碱性激发溶液A；

(2)将偏高岭土粉体加入碱性激发溶液A中，混合均匀、超声并机械搅拌10-30分钟后得到铝硅酸盐聚合物料浆B；

(3)将煤矸石空心微珠加入铝硅酸盐聚合物料浆B，机械搅拌10-30分钟得到混合浆料C；

(4)向混合浆料C先加入发泡剂双氧水，搅拌1-5分钟后再加入稳泡剂，搅拌1-5分钟混合均匀后得到可发泡混合浆料D，经发泡、固化即得到煤矸石空心微珠/泡沫铝硅酸盐聚合物复合材料。

所述步骤(1)中氢氧化钾与硅溶胶中二氧化硅的摩尔比为1：(0.5～2)。

所述步骤(2)铝硅酸盐聚合物料浆B中硅、铝摩尔比为(1～4)：1。

所述步骤(3)中煤矸石空心微珠与偏高岭土的质量比为1：(0.1～2)，然后利用去离子水将混合浆料C粘度调整为200mPa·s～600mPa·s。

所述步骤(4)中稳泡剂为十二烷基硫酸钠和/或十二烷基苯磺酸钠，双氧水与偏高岭土的质量比为(0.01～0.1)：1，稳泡剂与偏高岭土的质量比为(0.01～0.1)：1。

所述步骤(4)中发泡为将可发泡混合浆料D置于塑料模具中，室温(15-25℃)静置0～48小时发泡；固化在鼓风干燥箱内40～80℃下固化24～240小时。

本发明的有益效果为：

(1)本发明以双氧水为发泡剂直接发泡使得泡沫铝硅酸盐基体形成高孔隙率的宏孔网络结构，再引入煤矸石空心微珠作为造孔剂二次造孔，获得微-介孔多级孔结构的复合材料，其中煤矸石空心微珠加入不仅可以提高复合材料的孔隙率，还对复合材料强度的提高起到一定作用；

(2)本发明利用的煤矸石空心微珠固废粉体主要由非金属氧化物构成，与泡沫铝硅酸盐基体材料有很好的相容性，克服了材料孔隙率提高困难及微珠分散问题，实现了发泡与微珠在基体中的均匀分布及多级造孔；

(3)本发明制备得到的煤矸石空心微珠/泡沫铝硅酸盐聚合物复合材料具有宏孔、微孔和/或介孔结构，轻质高强、孔隙率高、比表面积大，具备结构功能一体化潜能，可用于环保材料的开发及吸附过滤材料的使用；

(4)本发明利用固废煤矸石空心微珠作为原料，实现了固体废弃物类粉体材料的资源再利用、减轻了环境污染，制备方法绿色环保、成本低廉、工艺简单便于操作，适于大规模生产。

附图说明

图1为实施例1制备得到的煤矸石空心微珠/泡沫铝硅酸盐聚合物复合材料宏观照片；

图2为实施例1制备得到的煤矸石空心微珠/泡沫铝硅酸盐聚合物复合材料XRD图；

图3为实施例1制备得到的煤矸石空心微珠/泡沫铝硅酸盐聚合物复合材料SEM图。

具体实施方式

本发明提供了煤矸石空心微珠/泡沫铝硅酸盐聚合物复合材料及制备，下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

实施例1

按照下列步骤制备煤矸石空心微珠/泡沫铝硅酸盐聚合物复合材料

(1)制备碱性激发溶液A：将氢氧化钾倒入质量分数为40％的硅溶胶中，并伴随磁力搅拌混合，搅拌72小时后得到氢氧化钾与二氧化硅摩尔比为1:1的碱性激发溶液A；

(2)将偏高岭土粉体加入碱性激发溶液A中，超声并机械搅拌30分钟后，得到硅、铝摩尔比为2:1的铝硅酸盐聚合物料浆B；

(3)按照煤矸石空心微珠与偏高岭土质量比1:2，将煤矸石空心微珠加入铝硅酸盐聚合物料浆B，机械搅拌10分钟，然后加入去离子水调节料浆粘度为200mPa·s～600mPa·s，得到混合浆料C；其中煤矸石空心微珠选自河北勇龙邦大新材料有限公司，制备方法见申请号200910131051.7的发明专利。

(4)按照双氧水与偏高岭土质量比0.03:1，将发泡剂双氧水加入混合浆料C，搅拌5分钟后，按照稳泡剂与偏高岭土质量比0.03:1加入稳泡剂十二烷基硫酸钠，搅拌5分钟后得到可发泡混合浆料D；

(5)将可发泡混合浆料D倒入塑料模具中，置于25℃室温下，静置24小时发泡，然后移入鼓风干燥箱内在60℃下固化7天后取出，即得到煤矸石空心微珠/泡沫铝硅酸盐聚合物复合材料。

经上述制备方法得到的煤矸石空心微珠/泡沫铝硅酸盐聚合物复合材料密度为0.44g/cm³，抗压强度为1.25MPa,，孔隙率为79.5％。

图1为经上述制备方法得到的煤矸石空心微珠/泡沫铝硅酸盐聚合物复合材料的宏观照片，从图1可以看出复合材料为具有宏孔网络结构的蓬松材料。

图2为经上述制备方法得到的煤矸石空心微珠/泡沫铝硅酸盐聚合物复合材料的XRD图谱，从图2可以看出，复合材料的物相与指铝硅酸盐聚合物基体一致，为非晶结构，其中石英相的峰源于原料偏高岭土，由石英特征峰与整个图谱可以看出，铝硅酸盐聚合物基体和煤矸石空心微珠中的杂质未发生化学合成反应。

图3为经上述制备方法得到的煤矸石空心微珠/泡沫铝硅酸盐聚合物复合材料的SEM图，从图3可以看出，复合材料为微孔、介孔组合的多孔结构，煤矸石空心微珠与铝硅酸盐聚合物基体界面结合良好、相容性好。

实施例2

将实施例1步骤(4)中双氧水与偏高岭土质量比更改为0.01:1，其余步骤与参数均与实施例1相同，制备得到的煤矸石空心微珠/泡沫铝硅酸盐聚合物复合材料密度为0.7g/cm³，抗压强度为5.70MPa，孔隙率为67.8％。

实施例3

将实施例1步骤(4)中双氧水与偏高岭土质量比更改为0.02:1，其余步骤与参数均与实施例1相同，制备得到的煤矸石空心微珠/泡沫铝硅酸盐聚合物复合材料密度为0.5g/cm³，抗压强度为1.49MPa，孔隙率为78.3％。