專利名稱：一種利用土質(zhì)原料制備多孔材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無機(jī)材料合成技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用土質(zhì)原料制備多孔材料的
方法。
背景技術(shù)：
空氣相對濕度是衡量室內(nèi)環(huán)境的一項重要參數(shù)，對人體健康、舒適程度、室內(nèi)空 氣質(zhì)量以及物品的存放都有重要意義。研究表明，人類感到最舒適的相對濕度范圍是 40% -70% 。由于我國建筑物保溫隔熱性能相對較差，室內(nèi)的溫濕度隨外界環(huán)境變化波動很 大，每年夏季和冬季，為了調(diào)節(jié)室內(nèi)的溫度和濕度，我國城市，特別是南方城市，大量使用空 調(diào)，造成了巨大的能源消耗。 已經(jīng)有人對調(diào)濕材料的制備進(jìn)行了研究，如中國專利《無機(jī)濕度調(diào)節(jié)面板及其制 造方法》(
公開日2006年6月21，公開號CN1788995A)和中國專利《高效調(diào)濕材料》(公開 日2008年1月23，公開號CN101108902A)中公開的技術(shù)，但由于制成品的強(qiáng)度低及制備應(yīng) 用過程過于復(fù)雜等問題，使制備出的調(diào)濕材料無法在城市建筑中得到大規(guī)模的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種利用土質(zhì)原料制備多孔材料的方法。 本發(fā)明提出的利用土質(zhì)原料制備多孔材料的方法，是利用水熱技術(shù)將土質(zhì)原料合
成為具有保溫調(diào)濕作用的多孔材料的方法，具體步驟如下 首先，將土質(zhì)原料與含Ca0的輔助原料混合，使混合料中Ca0與Si02的摩爾比為 0.4 : 1 1.4 : 1，即輔助原料的重量為混合料總重量的0 40% (Ca0與Si02的摩爾比為 0. 4時輔助原料的添加量為0% );然后，在上述混合料中加入占混合料總重量5% 25% 的水，攪拌均勻后，在10 40MPa的壓力下壓制成型；最后，將壓制好的試樣放入水熱反應(yīng) 釜內(nèi)，在溫度為100 20(TC、壓強(qiáng)為0. 1 1. 55MPa的飽和蒸汽壓下水熱處理1 72h，即 得所需產(chǎn)品。 本發(fā)明中，所述土質(zhì)原料為自然存在的黃土或基建產(chǎn)生的廢土，所述輔助原料為 生石灰、消石灰、石膏或水泥中任一種。 本發(fā)明中，還可在混合料中添加占混合料總量1% 5%的無機(jī)染料，以使合成的 材料能夠具有不同的顏色。 本發(fā)明的方法為水熱合成法，與傳統(tǒng)燒結(jié)工藝相比，水熱合成由于溫度低，既能保 留土質(zhì)原料本身固有的微孔結(jié)構(gòu)，又能夠控制大量納米級微細(xì)孔生成，水熱合成的多孔材 料，可用于建筑物墻體材料或內(nèi)裝飾用墻地面材料，能夠有效的調(diào)節(jié)室內(nèi)的濕度，減少空調(diào) 的使用，節(jié)約能源。


圖1 :水熱合成土質(zhì)原料為多孔材料的工藝流程。
圖2 :成型壓力對水熱合成材料的抗折強(qiáng)度的影響。 圖3 :消石灰的添加量對水熱合成材料的抗折強(qiáng)度的影響。 圖4 :水分添加量對水熱合成材料的抗折強(qiáng)度的影響。 圖5 :水泥、石膏及生石灰的添加對水熱合成材料的抗折強(qiáng)度的影響。 圖6 :水熱合成溫度對水熱合成材料的抗折強(qiáng)度的影響。 圖7 :水熱合成時間對水熱合成材料的抗折強(qiáng)度的影響。 圖8 :水熱合成前后樣品的XRD衍射圖譜。 圖9 :水熱合成前后樣品的SEM圖片，其中，(a)為水熱合成前樣品的SEM圖片，(b) 和(c)為水熱合成后樣品的SEM圖片。
具體實施例方式
下面通過實施例結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明。
實施例1 : 首先，選取黃土為主原料，選取工業(yè)用消石灰為輔助原料，將上述原料混合，消石 灰占混合料總重的18%，混合料中，Ca0與Si02的摩爾比約為0. 8 ;然后，向上述混合料中 加入占混合料總重量10%的水，攪拌均勻后，在壓片機(jī)下壓制成型，成型壓力為30MPa ;最 后，將壓制好的試樣放入水熱反應(yīng)釜內(nèi)，在200°C、1. 55MPa飽和蒸汽壓下水熱處理12h，得
到最終的樣品。
實施例2 首先，選取黃土為主要原料，選取工業(yè)用消石灰為輔助原料，將上述原料混合，消 石灰占混合料總重的40 % ，對應(yīng)的CaO與Si02的摩爾比為1. 4 ;再在混合料中添加混合料總 量2%的無機(jī)染料；然后，向上述混合料中加入占混合料總重量5%的水，攪拌均勻后，在壓 片機(jī)下壓制成型，成型壓力為10MPa;最后，將壓制好的試樣放入水熱反應(yīng)釜內(nèi)，在20(TC、 1. 55Mpa飽和蒸汽壓下水熱處理12h，得到最終的樣品。
實施例3 首先，選取黃土為主要原料，選取水泥為輔助原料，將上述原料混合，水泥占混合 料總重的20% ;然后，向上述混合料中加入占混合料總重量10%的水，攪拌均勻后，在壓 片機(jī)下壓制成型，成型壓力為30MPa ;最后，將壓制好的試樣放入水熱反應(yīng)釜內(nèi)，在IO(TC、 0. 1Mpa飽和蒸汽壓下水熱處理24h，得到最終的樣品。
實施例4 首先，選取黃土為主要原料，不添加任何輔助原料(即輔助原料添加量為0% )，對 應(yīng)的CaO與Si02的摩爾比為0. 4 ;向上述原料中加入占混合料總重量10%的水，攪拌均勻 后，在壓片機(jī)下壓制成型，成型壓力為40MPa ;最后，將壓制好的試樣放入水熱反應(yīng)釜內(nèi)，在 100°C、0. 1Mpa飽和蒸汽壓下水熱處理72h，得到最終的樣品。
實施例5 首先，選取建筑生產(chǎn)產(chǎn)生的廢土為主原料，選取工業(yè)用消石灰為輔助原料，將上述 原料混合，消石灰占混合料總重的18%，混合料中，CaO與Si02的摩爾比約為0. 8 ;然后，向 上述混合料中加入占混合料總重量20%的水，攪拌均勻后，在壓片機(jī)下壓制成型，成型壓力 為30MPa ;最后，將壓制好的試樣放入水熱反應(yīng)釜內(nèi)，在200°C、1. 55Mpa飽和蒸汽壓下水熱處理6h，得到最終的樣品。 水熱合成材料的硬化機(jī)理是在水熱合成過程中，材料內(nèi)生成了大量的水化硅酸鈣(Ca0-Si02-H20， C-S-H)，特別是托勃莫來石(tobermorite， Ca5 (Si6018H2) 4H20)晶體，大量細(xì)桿狀的托缽莫來石晶體生成，彼此之間互相交聯(lián)，使材料致密度提高，從而導(dǎo)致材料強(qiáng)度提高。 水熱合成材料具有優(yōu)異的濕度調(diào)節(jié)作用是由于材料內(nèi)有大量介孔級微細(xì)孔存在。土質(zhì)原料本身具有大量的微細(xì)孔，這些微細(xì)孔具有一定的保溫調(diào)濕作用，水熱合成過程由于所需溫度較低，不會破壞土本身的微孔結(jié)構(gòu)，另外由于水熱合成過程中托勃莫來石晶體的生成，晶體之間產(chǎn)生了大量的介孔，正是由于水熱合成材料中存在大量分布均勻的介孔級微細(xì)孔，使得材料具有優(yōu)異的濕度調(diào)節(jié)作用。 下面以陜西省乾縣黃土高原的黃土作實驗進(jìn)一步說明本發(fā)明。
圖1為水熱合成土質(zhì)原料為多孔材料的工藝流程圖。 圖2為成型壓力對水熱合成材料抗折強(qiáng)度的影響。成型壓力分別為10MPa、20MPa、30MPa或40MPa。實驗條件消石灰添加量18%，水添加量10% ， 20(TC溫度下水熱合成12h。由圖可以看出，10MPa-30MPa范圍內(nèi)，強(qiáng)度增加較快，超過30MPa后，強(qiáng)度增加變得緩慢，表明過高的成型壓力對水熱合成材料強(qiáng)度的增加影響較小。 圖3為消石灰添加量不同對水熱合成材料抗折強(qiáng)度的影響。實驗中分別添加占混合料總重10%、18%、24%、30%的消石灰以及不添加消石灰。實驗條件水添加量10%，30MPa下成型后，在20(TC溫度下水熱合成12h。由圖中可以看出，不添加消石灰時，強(qiáng)度很低，隨著消石灰的加入，強(qiáng)度增加，消石灰添加量為18%時，強(qiáng)度達(dá)到最大值，繼續(xù)加入消石灰，強(qiáng)度緩慢下降。由此可見，消石灰的最佳添加量為18%。 圖4為水添加量對水熱合成材料抗折強(qiáng)度的影響。實驗中分別添加5%、10%、15%的蒸餾水。實驗條件消石灰添加量為18%，在30MPa成型壓力下成型后，在20(TC溫度下水熱合成12h。由圖中可以看出，未加水時，材料強(qiáng)度較低，但加入5 % 、 10 % 、 15 %的水，強(qiáng)度差別很小。 圖5為水泥、石膏及生石灰的添加對水熱合成材料的抗折強(qiáng)度的影響。實驗中，分別添加20%的水泥、石膏和生石灰。實驗條件水添加量10^、30MPa下成型后，在20(TC溫度下水熱合成12h。由圖中可以看出，水泥、石膏或生石灰加入后，材料的抗折強(qiáng)度均達(dá)到了20MPa以上，強(qiáng)度較高。 圖6、7為水熱合成溫度及時問對水熱合成材料抗折強(qiáng)度的影響。實驗條件消石灰添加量18%、水添加量10%、成型壓力30MPa。圖6是不同的溫度(IO(TC、 125°C、 150°C、200°C )下12h水熱合成后測試所得，由圖中可以看出隨著溫度提高，水熱合成材料強(qiáng)度升高，表明溫度升高，有利于水熱反應(yīng)的進(jìn)行。圖7為20(TC溫度下經(jīng)不同時間(lh、3h、6h、9h、12h、24h)水熱合成后測試所得，由圖中可以看出，隨著時間的延長，強(qiáng)度增加，12h時最大(約27MPa)，24h時，強(qiáng)度有一定程度的下降。表明， 一定范圍內(nèi)，水熱合成時間延長有利于樣品強(qiáng)度提高，但過長時間的水熱合成對材料強(qiáng)度的增加不利。 圖8為水熱合成前后晶相變化的XRD衍射圖。水熱合成條件為消石灰添加量18%、水添加量10X、30MPa下成型，20(TC溫度下水熱合成12h。水熱合成前，樣品中主要的晶相為石英(Quartz)和方解石(Calcite)，另外還有少量的伊利石(IUite)、高嶺土
5(Kaolinite)等粘土礦物以及少量的長石(Feldspar)和白云母(Muscovite)。水熱合成后，出現(xiàn)了新的晶相托勃莫來石(Tobermorite)。水熱合成后材料強(qiáng)度有很大的提高，主要就是由于托勃莫來石的生成。 圖9為水熱合成前后樣品的掃描電子顯微鏡(SEM)圖片。其中(a)為未水熱合成的樣品的SEM圖，由圖中可以看出，水熱合成前，較大的黃土顆粒松散的堆積在一起，顆粒間間隙較大。(b)為水熱合成后樣品內(nèi)結(jié)晶較好區(qū)域的SEM圖，由圖中可以看出，水熱合成后，大量細(xì)桿狀的托勃莫來石生成，彼此間互相交聯(lián)，導(dǎo)致樣品強(qiáng)度提高，同時產(chǎn)生了大量晶間孔(晶體之間的孔)。(c)是水熱合成后樣品中富黃土原料區(qū)域的SEM圖，可看出，由于溶解/析出作用，在黃土大顆粒間或大顆粒上產(chǎn)生了大量析出的疏松小晶粒，增加了多孔性。由圖(b)和圖(c)可以看出，水熱合成后，樣品中出現(xiàn)了大量微細(xì)孔，正是由于水熱合成黃土得到的材料中含有大量的微細(xì)孔，使得其具有優(yōu)異的保溫調(diào)濕作用。
以上對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，文中應(yīng)用了具體的實例對本發(fā)明進(jìn)行闡述，這是為了便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在本發(fā)明的思想應(yīng)用到其他實施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于這里的實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對于本發(fā)明做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種利用土質(zhì)原料制備多孔材料的方法，其特征在于具體步驟如下將土質(zhì)原料與含CaO的輔助原料混合，使混合料中CaO與SiO2的摩爾比為0.4∶1～1.4∶1，輔助原料的重量為混合料總重量的0～40％；在上述混合料中加入占混合料總重量5％～20％的水，攪拌均勻后，在10～40MPa的壓力下壓制成型；將壓制好的試樣放入水熱反應(yīng)釜內(nèi)，在溫度為100～200℃、壓強(qiáng)為0.1～1.55MPa的飽和蒸汽壓下水熱處理1～72h，即得到所需產(chǎn)品。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用土質(zhì)原料制備多孔材料的方法，其特征在于所述土質(zhì)原料為一般自然存在的黃土或由基建產(chǎn)生的廢土中任一種。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用土質(zhì)原料制備多孔材料的方法，其特征在于所述輔助原料為生石灰、消石灰、石膏或水泥中任一種。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用土質(zhì)原料制備多孔材料的方法，其特征在于在混合料中添加混合料總量1 % 5%的無機(jī)染料。
全文摘要
本發(fā)明屬于無機(jī)材料合成技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用土質(zhì)原料制備多孔材料的方法。具體步驟為首先，將土質(zhì)原料與含CaO的輔助原料混合，并使混合料中CaO與SiO2的摩爾比為0.4～1.4，向混合料中加入一定量的水，混合均勻后，在壓片機(jī)下壓制成型，最后放入反應(yīng)釜水熱合成得到具有一定強(qiáng)度的多孔材料。本發(fā)明在不破壞土質(zhì)原料自身固有微孔結(jié)構(gòu)的前提下，利用水熱技術(shù)低溫(≤200℃)合成土質(zhì)原料為具有較高強(qiáng)度的多孔材料，此材料可用于建筑物墻體材料或內(nèi)裝飾用墻地面材料，能夠有效地調(diào)節(jié)室內(nèi)的濕度，減少空調(diào)的使用量，大大節(jié)約能源。
文檔編號C04B38/00GK101717271SQ200910198318
公開日2010年6月2日 申請日期2009年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月5日
發(fā)明者冉獻(xiàn)強(qiáng), 景鎮(zhèn)子, 潘曉輝, 魯磊 申請人:同濟(jì)大學(xué)