專利名稱：：結(jié)合到聚苯乙烯泡沫塑料上的新型可噴涂磷酸鹽水泥的組合物和應(yīng)用的制作方法發(fā)明的合同來源根據(jù)U.S.DepartmentofEnergy(DOE)和代表ArgonneNationalLaboratory的芝加哥大學(xué)之間的W-31-109-ENG-38號(hào)合同，美國政府享有該發(fā)明的權(quán)益。
背景技術(shù)：
：本發(fā)明涉及可泵送的陶瓷，更具體而言，本發(fā)明涉及可用于建筑業(yè)中的陶瓷組合物，其可用于在各種溫度條件下將所述陶瓷施加到豎直的墻以及斜墻和水平墻上，比如屋頂，從而提供針對(duì)水泥或聚苯乙烯泡沫塑料基底而言便宜的涂料。尤其在加勒比和南美國家，對(duì)下述建筑材料有強(qiáng)烈的需求它可以現(xiàn)場(chǎng)混合，施加到基底結(jié)構(gòu)(包括聚苯乙烯泡沫塑料)上，而且可以被加工比如涂抹，但仍然在足夠短的時(shí)間內(nèi)固化以至于無需采用機(jī)械錨定比如金屬絲或其它機(jī)構(gòu)來將制品固定到垂直表面上。發(fā)展中國家需要廉價(jià)房，尤其是那種能承受熱帶和亞熱帶氣候的不需熟練技術(shù)工而且可以快速建起的廉價(jià)房。Agonne國家實(shí)驗(yàn)室在開發(fā)磷酸鹽基水泥或陶瓷產(chǎn)品方面一直處于領(lǐng)先地位，磷酸鹽基水泥或陶瓷產(chǎn)品有很廣泛的用途，如在1997年7月8日授予Wagh等的美國專利5645518“MethodforStabilizingLow-LevelMixedWastesAtRoomTemperature”，在1998年11月3日授予Wagh等的美國專利5830815“MethodofWasteStabilizationViaChemicallyBondedPhosphateCeramics”，在1998年12月8日授予Singh等的美國專利5846894“PhosphateBondedStructuralProductsFromHighVolumeWastes”，在2000年11月28日授予Wagh等的美國專利6153809“StabilizationofMetalandSaltAnionsinPhospahteCeramics”，在2001年3月20日授予Singh等的美國專利6204214“Pumpable/InjectablePhosphate-BondedCeramics”，在2002年12月24日授予Wagh等的美國專利6498119“ChemicallyBondedPhosphateCeramicsofTrivalentOxidesofIronandManganese”，和在2003年2月11日授予Wagh等的美國專利6518212“ChemicallyBondedPhosphosilicateCeramics”中所述，以上專利每一個(gè)的所有公開內(nèi)容在此通過引用結(jié)合進(jìn)來?？傮w來說，上述專利公開了化學(xué)結(jié)合的單價(jià)堿金屬磷酸鹽或者磷酸氫銨、微溶的氧化物如氧化鎂或者氧化鈣、以及各種填料，以提供可用于各種最終制品的材料。然而，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)使用不同比例的材料會(huì)形成一種可泵送的磷酸基水泥制品，這種制品可用于形成剛性的垂直墻和屋頂，并有利于在各種溫度和濕度條件下快速構(gòu)建建筑物和其它結(jié)構(gòu)。
發(fā)明內(nèi)容相應(yīng)地，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供可泵送的磷酸鹽基水泥制品，這種水泥制品可以進(jìn)行比如涂抹等操作，可以在各種溫度和濕度條件下快速固化，所述快速固化足以使其可用作垂直墻、水平墻和斜墻上的建筑材料。本發(fā)明的另一目的是提供一種干混顆粒組合物，該組合物包括Mg和/或Ca的煅燒氧化物、酸式磷酸鹽以及飛灰或等同物，其中煅燒氧化物的量為大約17重量％-大約40重量％，酸式磷酸鹽的量為大約29重量％-大約52重量％，飛灰或等同物的量為大約24重量％-大約39重量％。本發(fā)明的又一目的是提供形成結(jié)構(gòu)件的方法，包括向襯底上施加Mg和/或Ca的煅燒氧化物、酸式磷酸鹽、和飛灰或者等同物的干混物和砂子的含水漿料，然后使?jié){料固化，其中所述煅燒氧化物的量為大約17重量％-大約40重量％，酸式磷酸鹽的量為大約29重量％-大約52重量％，飛灰或等同物的量為大約24重量％-大約39重量％，砂子的量為所述干混物和砂子的大約39重量％-大約61重量％。本發(fā)明的最后一個(gè)目的是提供干混顆粒組合物，包括煅燒的MgO、酸式磷酸鉀、和飛灰或者等同物，其中所述煅燒的MgO的量為大約17重量％-大約40重量％，酸式磷酸鉀的量為大約29重量％-大約52重量％，飛灰或等同物的量是大約24重量％-大約39重量％，其中所述煅燒的MgO和酸式磷酸鉀的重量比是大約1。發(fā)明詳述雖然下面的發(fā)明具體描述中用的是煅燒氧化鎂、飛灰和沙灘砂子作為本發(fā)明的組成部分，但是氧化鈣可以全部或部分替換氧化鎂，火山灰或本領(lǐng)域公知的其它適合替代物也可以用于代替飛灰或者和飛灰組合。除砂子外，其它本領(lǐng)域常見的填料也可以使用。本發(fā)明提供了一種水泥型制品，由于它粘到聚苯乙烯泡沫塑料和現(xiàn)有的水泥和許多其它材料上，所以特別適于構(gòu)建采用聚苯乙烯泡沫塑料基底的建筑物，以及適于修補(bǔ)現(xiàn)有的水泥和其它結(jié)構(gòu)。該材料的快速固化性能是很理想的，因?yàn)楫?dāng)噴到垂直墻上時(shí)，它發(fā)生固化但同時(shí)允許有剛好足以進(jìn)行表面處理比如涂抹的時(shí)間。該制品和聚苯乙烯泡沫塑料反應(yīng)，也與水泥和許多其它表面反應(yīng)，因此，結(jié)合是化學(xué)性的強(qiáng)結(jié)合。這種性質(zhì)使得無需采用任何機(jī)械錨定比如金屬絲將所述制品固定到垂直表面上。本發(fā)明公開的方法和制品相對(duì)于傳統(tǒng)塊狀或者澆鑄水泥構(gòu)件的優(yōu)點(diǎn)在于構(gòu)建速度提高，和水泥相比，制品的質(zhì)量好例如，不會(huì)收縮或者開裂，優(yōu)異的防水性，由于聚苯乙烯泡沫塑料而具有優(yōu)異的絕熱性，耐火表面，和抗壓強(qiáng)度為2-3倍，抗彎強(qiáng)度為6倍。在熱帶和亞熱帶氣候，水泥快速腐蝕，而本發(fā)明的材料不會(huì)。包裝中的粉末處于自由流動(dòng)狀態(tài)，事先混合的和事先包裝好的材料可以儲(chǔ)存和長距離運(yùn)輸，而不結(jié)塊或變硬。調(diào)整各組分的混合比例的能力使得本制品可以用于不同的環(huán)境溫度，性能可以標(biāo)準(zhǔn)化以提供固定的摻混、泵送和噴涂時(shí)間。通過對(duì)組成進(jìn)行調(diào)整，獲得了用于硬化和粘附到聚苯乙烯泡沫塑料或者水泥上所需的時(shí)間。本發(fā)明的組合物和前述專利中要求保護(hù)的不同。例如，在早期專利中，磷酸鉀和氧化鎂的比值受到兩者之間的反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量比的限制，即，所述比值大約是3∶1。但是，在采用這些組合物構(gòu)建房子的案例研究中，我們發(fā)現(xiàn)這種比值不可用。本文要求保護(hù)的令人驚奇的發(fā)現(xiàn)是所述的獨(dú)一無二的組合物，其中所述比值更接近于1，它提供了可以施加到垂直表面上的快速固化材料。除了磷酸二氫鉀和氧化物以外，在總組合物中采用了飛灰、硼酸鈉(任選的)和砂子。按不同比例將這些組分摻混后形成的制品使得該混合物可以噴到聚苯乙烯泡沫塑料墻上來構(gòu)建新建筑物，而且由于該混合物能夠粘附到標(biāo)準(zhǔn)水泥上，所以該混合物也可以施加到已有的水泥結(jié)構(gòu)上作為修補(bǔ)劑。這種快速構(gòu)建建筑物的方法也是新的。所述方法由如下構(gòu)成如后所述在水泥螺桿式混合機(jī)中混合膏狀物，然后通過軟管泵送到噴嘴，所述噴嘴用于將所述漿料噴到垂直墻上。混合和噴涂的總時(shí)間大約為10分鐘。一旦經(jīng)過噴涂，漿料變稠而且不會(huì)從墻上滴落，而是通過釋放熱量開始硬化。這種熱量有助于在聚苯乙烯泡沫塑料或者水泥表面和硬化的制品之間形成化學(xué)反應(yīng)，從而形成和基底表面的無限結(jié)合。對(duì)聚苯乙烯泡沫塑料墻來說，通過在墻上涂上丙烯酸涂料可以增強(qiáng)結(jié)合?？梢栽谂渲茲{料之前將丙烯酸鹽和干混物混合，以代替涂料。對(duì)水泥墻來說，不需要所述的比如丙烯酸鹽涂料，這是因?yàn)樗嘀械拟}化合物和漿料發(fā)生反應(yīng)，在這兩者之間形成良好的結(jié)合。噴涂后的表面可以進(jìn)行涂抹以形成更光滑的表面，或者可以采用合適的模具在表面上刻上設(shè)計(jì)圖案。一旦固化，所述表面就可以采用常規(guī)油漆來涂上油漆。表1、100磅整體材料摻合物的組成下面的實(shí)施例舉例說明了針對(duì)目標(biāo)應(yīng)用的粉末材料組合物和方法。實(shí)施例1低環(huán)境溫度下的應(yīng)用本試驗(yàn)在40進(jìn)行。用于本實(shí)施例的組合物推薦在40-60的溫度范圍內(nèi)使用。用于這種情況的組合物是MgO18份、磷酸二氫鉀17份、和灰15份。將該摻混物和50重量份砂子以及11重量份水混合。將整個(gè)混合物放入料斗中，混合、泵送、再噴涂到原型墻上，所述原型是由聚苯乙烯泡沫塑料板制備的、直立在水泥基座上的一居室。甚至房子的屋頂也是用固定在鋁架上的聚苯乙烯泡沫塑料板制成的。可以持續(xù)噴涂數(shù)小時(shí)，整個(gè)房子噴涂4-5小時(shí)。噴完馬上通過涂抹將一些區(qū)域抹平。一小時(shí)之內(nèi)，墻變溫，表明在墻內(nèi)正在發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。表面變硬，墻和屋頂都變得非常堅(jiān)固而且剛性極好。切下墻的一些部分，檢查聚苯乙烯泡沫塑料和固化材料的界面，發(fā)現(xiàn)除非毀掉聚苯乙烯泡沫塑料則無法將兩者分開?；旧蟽蓚€(gè)人工作一整天可以建完房子。需要指出的是，放熱反應(yīng)對(duì)環(huán)境空氣溫度進(jìn)行了補(bǔ)償，使得所述制品在此比例下確實(shí)混合得很好。實(shí)施例II本實(shí)施例在60-80的環(huán)境溫度下進(jìn)行。構(gòu)建房子的整個(gè)過程和實(shí)施例1相同，但是現(xiàn)在采用的是不同的組合物。采用17份MgO、17份磷酸二氫鉀、16份灰和50份砂子。除了砂子之外，所有組分用50磅的袋子包裝并運(yùn)送到現(xiàn)場(chǎng)。在現(xiàn)場(chǎng)加入砂子和11份水。另外，需要時(shí)在每100磅的總混合物中加入多達(dá)4盎司的硼酸或者四硼酸鈉，以減緩反應(yīng)速度。用丙烯酸油漆涂覆聚苯乙烯泡沫塑料墻。同樣，結(jié)果和實(shí)施例1所述的同樣好。當(dāng)切下墻的一些部分時(shí)，聚苯乙烯泡沫塑料無法和施加的材料分開，除非將聚苯乙烯泡沫塑料破壞掉，因?yàn)榻Y(jié)合非常緊密。實(shí)施例III用于80-100溫度的配方由16.5份MgO、17份磷酸二氫鉀、16份灰、50份砂子和10.5份水組成。同樣，需要時(shí)在100磅混合物中加入8盎司的硼酸或者四硼酸鈉。還發(fā)現(xiàn)，在每50磅袋子中的摻混干混物中加入2-4盎司的1英寸長聚纖維，有助于防止所述制品施加到正在工作的聚苯乙烯泡沫塑料或者水泥表面上時(shí)發(fā)生任何開裂或者收縮。整體而言，這些實(shí)施例證實(shí)了采用本發(fā)明的配方和方法在整個(gè)環(huán)境溫度范圍，大約40-100，的可行性，以及如何對(duì)配方進(jìn)行調(diào)整來實(shí)現(xiàn)。一般而言，表1列出了本發(fā)明材料的每種組分的范圍，應(yīng)該理解組分的比值可以根據(jù)地區(qū)溫度和濕度條件而變化。所用砂子優(yōu)選是30目。盡管實(shí)施例中用的都是磷酸二氫鉀，但其它磷酸鹽如磷酸二氫鎂或磷酸二氫鋁，磷酸單氫銨或二氫銨、磷酸二氫鈣、三元過磷酸鈣肥料或者其組合可以全部或者部分代替，這是本領(lǐng)域所公知的。盡管具體公開的是玻璃纖維，但是如同本領(lǐng)域所公知的那樣，可以用其它纖維比如玉米、劍麻或者大麻來全部或者部分代替。一般而言，對(duì)煅燒氧化物、酸式磷酸鹽和飛灰或等同物的干混物來說，優(yōu)選比例是煅燒氧化物約17％-約40％、酸式磷酸鹽約29％-約52％、飛灰或等同物約24％-約39％，所有百分比都是重量百分比。最優(yōu)選百分比分別是32-36％、33-37％和29-37％。當(dāng)砂子或等同物加到上述干混物中時(shí)，砂子約占干混物和砂子組合重量的大約39％-大約61％。加入到干混物和砂子組合中的水優(yōu)選是每100磅干混物和砂子中8-大約12磅的水。可以加入大縱橫比(highaspect)的玻璃纖維或等同物，也可以加入硼酸鹽來控制反應(yīng)速度。盡管公開的內(nèi)容是所認(rèn)為的本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案，但是應(yīng)該理解，可以對(duì)細(xì)節(jié)進(jìn)行各種改變，而不會(huì)偏離本發(fā)明的精神，或者犧牲本發(fā)明的任何優(yōu)勢(shì)。權(quán)利要求1.干混顆粒組合物，包含Mg和/或Ca的煅燒氧化物、酸式磷酸鹽以及飛灰或等同物，其中所述煅燒氧化物的量是大約17重量％-大約40重量％、所述酸式磷酸鹽的量是大約29重量％-52重量％、所述飛灰或等同物的量是大約24重量％-大約39重量％。2.權(quán)利要求1中的組合物，其中所述煅燒氧化物的量是大約32重量％-大約36重量％，所述酸式磷酸鹽的量是大約33重量％-大約37重量％，飛灰或等同物的量是大約29重量％-大約33重量％。3.權(quán)利要求1中的組合物，另外包括占干混物和砂子的組合的大約39重量％-大約61重量％的砂子。4.權(quán)利要求2中的組合物，其中所述氧化物是MgO，所述酸式磷酸鹽是KH2PO4。5.權(quán)利要求1中的組合物，其中所述飛灰的等同物是火山灰。6.權(quán)利要求3中的組合物，其中煅燒氧化物與酸式磷酸鹽的重量比例約為1，水為大約8-大約12磅/100磅干混物和砂子。7.權(quán)利要求6中的組合物，其中在干混物和砂子中存在著硼酸或硼酸鈉。8.權(quán)利要求6中的組合物，其中在干混物和砂子中存在著高縱橫比的纖維。9.權(quán)利要求6中的組合物，其中所述砂子經(jīng)過篩得到30目篩的尺寸。10.權(quán)利要求6中的組合物，其中在干混物和砂子中具有丙烯酸鹽。11.形成結(jié)構(gòu)件的方法，包括向襯底上施加Mg和/或Ca的煅燒氧化物、酸式磷酸鹽、飛灰或者等同物的干混物和砂子的含水漿料，然后使?jié){料固化，其中所述煅燒氧化物的量為大約17重量％-大約40重量％，酸式磷酸鹽的量為大約29重量％-大約52重量％，飛灰或等同物的量為大約24重量％-大約39重量％，砂子占所述干混物和砂子的量為大約39重量％-大約61重量％。12.權(quán)利要求11的方法，其中水的存在量是每100磅干混物和砂子大約8-大約12磅。13.權(quán)利要求12的方法，其中所述襯底是涂有丙烯酸的聚苯乙烯泡沫塑料。14.權(quán)利要求12的方法，其中所述襯底是水泥。15.權(quán)利要求12的方法，其中所述含水漿料被噴涂到垂直表面上。16.權(quán)利要求11的方法，其中存在著硼酸或硼酸鈉以控制漿料的固化速度。17.權(quán)利要求12的方法，其中煅燒氧化物的存在量是大約32重量％-大約36重量％，酸式磷酸鹽的存在量是大約33重量％-大約37重量％，飛灰或等同物的存在量是大約29重量％-大約33重量％，所有量都基于所述干混物的量。18.權(quán)利要求17的方法，其中所述氧化物是MgO，所述酸式磷酸鹽是KH2PO4。19.權(quán)利要求17的方法，其中在所述干混物中存在著丙烯酸鹽。20.干混顆粒組合物，包括煅燒MgO、酸式磷酸鉀、和飛灰或者等同物，其中所述煅燒MgO的量為大約17重量％-大約40重量％，所述酸式磷酸鉀的量為大約29重量％-大約52重量％，所述飛灰或等同物的量是大約24重量％-大約39重量％，其中所述煅燒MgO和酸式磷酸鉀的重量比是大約1。全文摘要干混顆粒組合物，包含Mg和/或Ca的煅燒氧化物、酸式磷酸鹽、以及飛灰或等同物，其中所述煅燒氧化物的量是大約17重量％－大約40重量％、所述酸式磷酸鹽的量是大約29重量％－大約52重量％、所述飛灰或等同物的量是大約24重量％－大約39重量％，當(dāng)在所述干混物中加入砂子時(shí)，砂子占所述干混物和砂子的組合的大約39重量％－大約61重量％。還公開了形成結(jié)構(gòu)件的方法，其中在干混物和砂子中加入大約8－12磅水的含水漿料。文檔編號(hào)C04B18/08GK101076502SQ200580026794公開日2007年11月21日申請(qǐng)日期2005年4月18日優(yōu)先權(quán)日2004年6月15日發(fā)明者A·S·沃格,J·W·小保羅申請(qǐng)人:芝加哥大學(xué)阿爾貢有限責(zé)任公司