充氣復合材料及其生產與使用方法
【專利說明】
[0001] 相關申請案的交叉引用
[0002] 本申請主張2013年3月13日提交的美國臨時申請第61/780,719號的優先權益，其 全部內容W全文引用的方式并入本文中。
技術領域
[0003] 本發明大體設及充氣復合材料及充氣混凝±。更具體地，本發明設及新穎的充氣 復合材料，W及其制造與使用的配方及方法。該充氣復合材料適于建筑、耐火及防火、景觀 及基礎結構等多種應用。
【背景技術】
[0004] 熱壓充氣混凝±為一類輕質預鑄混凝±，該預鑄混凝±通過使用諸如水泥的原材 料、諸如砂或其他填充材料的細集料、石灰、水及充氣劑在高溫及高壓下形成。充氣劑使基 質中形成氣隙并且提高材料的孔率，同時使材料體積增加并且使密度降低。
[000引充氣混凝±產物呈現許多優于傳統混凝±的優勢，包括強度良好、重量輕、耐火、 耐腐蝕、耐白蟻及耐霉菌，W及良好的隔熱及消音特性。充氣混凝±因其重量輕及尺寸精確 而能夠在廢料最少的情況下裝配，從而在建筑及裝配時減少對其他設備的需要。所述充氣 混凝±呈現高耐久性并且需要的維護最少。充氣混凝±的重量輕還有助于降低貨運成本。
[0006] 雖然與混凝±相比時有利，但大部分傳統充氣混凝±是通過具有許多缺陷的方法 制備的。傳統充氣混凝±的制造方法設及特殊設備、大量能量消耗及過度的二氧化碳排放， 留下不利的碳足跡。舉例而言，充氣混凝±典型地在高壓蓋中、在150°c至190°C的溫度范圍 內及在0.8M化至1.2M化的壓力范圍內固化而產生穩定形式的雪娃巧石。雪娃巧石為充氣混 凝±中的主要接合單元。另外，充氣混凝±因精加工成本高、回收困難等原因而相對較昂 貴。
[0007] 對于滿足或超過充氣混凝±的物理及性能特性的新穎充氣復合材料存在持續性 的需要，所述充氣混凝±能夠W較低的成本、改善的能量消耗及更合乎需要的碳足跡大量 生產。
【發明內容】
[0008] 本發明部分地基于出乎意外地發現新穎的充氣復合材料，所述充氣復合材料具有 充氣混凝±的優良物理及性能特性。該復合材料容易由可廣泛獲得的低成本原材料、利用 適于大規模生產的方法生產，具有減少的設備需要、改進的能量消耗W及更合乎需要的碳 足跡。
[0009] 本發明的充氣復合材料配方需要最容易獲得且低成本的材料，其具有最小化的環 境影響。原材料包括變成接合單元的前體材料，諸如微粒娃酸巧(例如研磨娃灰石）；及微粒 填充材料(例如含氧化巧材料，諸如石灰或硬娃巧石;輕質集料，諸如珍珠巖或賠石;或者甚 至工業廢料，諸如飛灰）。為了獲得高孔率材料，使用充氣劑(例如侶粉）。還提供流體組分作 為反應介質，所述流體組分包含液態水和/或水蒸汽及試劑二氧化碳(0)2)，所述二氧化碳 在生產中作為反應性物種而消耗并且最后固存于最終產物中。取決于最終使用者需求，還 能夠添加各種其他添加劑，諸如流變改性滲混劑及著色顏料，W改進混合物稠度及流動性。
[0010] 為了對所得復合材料的物理外觀及機械特性進行微調，能夠使用各種添加劑，諸 如流變改性滲混劑及顏料。添加劑材料可W包括天然或回收材料，W及富含碳酸巧材料及 富含碳酸儀材料，W及流體組分添加劑，諸如水溶性分散劑。
[0011] 另外，能夠使用高效的氣體輔助式熱液液相燒結化LPS)方法、W低成本、較少的設 備需求W及大為改善的能量消耗及碳足跡生產本發明的充氣復合材料。
[0012] 在一個方面中，本發明大體上設及一種充氣復合材料。充氣復合材料包括:多個接 合單元、多個孔隙W及多個具有約0.1WI1至約1mm大小的填料顆粒。各個接合單元包含:主要 包含娃酸巧的核屯、，富含二氧化娃的第一層或內層，W及富含碳酸巧的第二層或外層。多個 接合單元與多個填料顆粒一起形成一個W上接合基質，并且接合單元與填料顆粒大致均勻 地分散于其中并且接合在一起。多個孔隙為鼓泡狀和/或互連通道，在充氣復合材料中占約 50vol. %至約80vol. %。充氣復合材料展現約300kg/m3至1500kg/m3的密度、約2.0M化至約 8.5MPa的壓縮強度，W及約0.4MPa至約1.7MPa的曉曲強度。
[0013] 在另一個方面中，本發明大體上設及一種生產充氣復合材料的方法。所述方法包 括：（a)形成濕混合物，其中濕混合物包含水、包含中值粒徑在約10皿至約1mm范圍內的氧化 巧或二氧化娃的微粒、中值粒徑在約Iwii至約100皿范圍內的研磨娃酸巧、W及充氣劑；（b) 在模具中誘鑄濕混合物；（C)允許充氣劑產生氣態產物，從而使得濕混合物體積膨脹；W及 (d)使膨脹的混合物在約20°C至約100°C范圍內的溫度下、在水及C〇2的氛圍下固化約6小時 至約60小時。
[0014] 在又一個方面中，本發明大體設及通過本文公開的方法制備的充氣復合材料。
[0015] 在又一個方面中，本發明大體設及由本文公開的充氣復合材料制成的制品。
【附圖說明】
[0016] 圖1(a)至圖1(c)為根據本發明的例示性實施例的接合單元的橫截面的示意性說 明，包括Ξ種例示性核屯、形態：（a)纖維狀，（b)楠圓形，W及(C)等軸晶狀。
[0017] 圖2(a)至圖2(f)為根據本發明的例示性實施例的復合材料的側視圖及橫截面視 圖的示意性說明，示出(a)處于稀接合基質中的1D取向纖維狀接合單元(接合單元未接觸）； (b)處于稀接合基質中的2D取向片狀接合單元(接合單元未接觸）；（c)處于稀接合基質中的 3D取向片狀接合單元(接合單元未接觸)及(d)處于稀接合基質中的隨機取向片狀接合單元 (接合單元未接觸），其中復合材料包括接合基質及填料組分，所述填料組分諸如聚合物、金 屬、無機顆粒、集料等；（e)接合單元的濃縮接合基質(具有足W建立滲濾網絡的體積分數）， 其中基質為3D取向；及(f)隨機取向接合單元的濃縮接合基質(具有足W建立滲濾網絡的體 積分數），其中可W包括填料組分，諸如聚合物、金屬、無機顆粒、集料等。
[0018] 圖3顯示根據本發明的實施例制備的充氣混凝±塊的例示性照片。
[0019] 圖4顯示根據本發明的實施例制備的充氣混凝±塊的例示性放大照片，所述照片 示出結構中的離散孔。
【具體實施方式】
[0020] 本發明提供新穎的充氣復合材料及由其制造的制品，所述充氣復合材料及制品不 僅具有充氣混凝±的優良物理及性能特性，而且容易由可廣泛獲得的低成本原材料經適于 大規模生產的方法生產，具有改善的能量消耗、減少的設備需要(例如，無需高壓蓋及更 合乎需要的碳足跡。
[0021] 本發明的充氣復合材料可W用于承重或非承重應用中。與傳統充氣混凝±相比， 本發明充氣復合材料的孔結構的均質性質還賦予優越的隔熱及隔音特性。另外，本發明的 充氣復合材料容易W較大尺寸制備，諸如大型墻壁、地板或天花板及景觀塊體。
[0022] 本發明的充氣復合材料展現優良的隔離質量(隔熱與隔音及耐火性。與傳統充 氣混凝±相比，本發明的充氣復合材料能夠W大為改善的能量效率及更合乎需要的碳足跡 大規模生產。充氣復合材料的生產消耗C〇2,從而獲得凈C〇2固定，由此使充氣復合材料的生 產為碳中性并且從經濟與環境保護觀點來看均異常高效。另外，該充氣復合材料的固體及 均質孔結構產生氣密的建筑物外殼，最小化不可控的氣體交換，同時有助于維持期望的室 內溫度，同時使HVAC設備效率最大化。本發明的獨特充氣復合材料所帶來的額外益處為材 料使用的減少、能夠使用回收產品及避免毒物排放。
[0023] 在一個方面中，本發明大體上設及一種充氣復合材料。該充氣復合材料包括:多個 接合單元、多個孔及多個具有約0.1皿至約1mm大小的填料顆粒。各接合單元包含:主要包含 娃酸巧的核屯、，富含二氧化娃的第一層或內層，W及富含碳酸巧的第二層或外層。多個接合 單元與多個填料顆粒一起形成一個W上接合基質，并且接合單元與填料顆粒大致均勻地分 散于其中并且接合在一起。多個孔為鼓泡狀和/或互連通道，在復合材料中占約50vol. %至 約80vol. %。復合材料展現約300kg/m3至1500kg/m3的密度、約2. OMPa至約8.5M化的壓縮強 度W及約0.4M化至約1.7M化的曉曲強度。
[0024] 任何適合的娃酸巧可W用作接合單元的前體。如本文所用，術語"娃酸巧"是指包 含一組含巧娃化合物中的一種W上的天然存在的礦物質或合成材料，該含巧娃化合物包括 CaSi〇3(還稱為"娃灰石"及假娃灰石，并且有時化學式為化0 . Si化）Xa3Si2化(還稱為娃巧 石并且有時化學式為3Ca0 · 2Si化）Xa2Si〇4(還稱為"斜娃巧石"并且有時化學式為2Ca0 · Si化）、化3Si〇5(還稱為"娃酸Ξ巧石"并且有時化學式為3Ca0 · Si化），所述材料可W包括一 種W上其他金屬離子及氧化物(例如侶、儀、鐵或儘氧化物)或其滲混物，或者可W包括一定 量的呈天然存在的形式或合成形式的娃酸儀，其量的范圍為痕量（1重量％ )至約50重量％ 社。
[0025] 應了解，能夠采用本文中公開的組合物及方法來使用娃酸儀代替娃酸巧或除娃酸 巧之外還使用娃酸儀。如本文所用，術語"娃酸儀"是指包含一組含儀娃化合物中的一種W 上的天然存在的礦物質或合成材料，該含儀娃化合物包括例如Mg2Si化(還稱為"儀橄攬石"） 及Mg3Si4〇lG(OHM還稱為"滑礦），所述材料可W包括一種W上其他金屬離子及氧化物(例 如巧、侶、鐵或儘氧化物）或其滲混物，或者可W包括一定量的呈天然存在的形式或合成形 式的娃酸巧，所述量的范圍為痕量(1重量％ )至約50重量％ W上。
[0026] 取決于期望的復合材料，多個接合單元可W具有任何適合的中值粒徑及粒徑分 布。在某些實施例中，多個接合單元具有約扣m至約100μηι范圍內的中值粒徑(例如，約扣m至 約80μηι、約5μηι至約60μηι、約5μηι至約50皿、約5皿至約40μηι、約5μηι至約30μηι、約5μηι至約20μηι、 約5μηι至約10皿、約10皿至約80皿、約1 Ομηι至約70皿、約10皿至約60皿、約1 Ομηι至約50μηι、約 10皿至約40皿、約10皿至約30皿、約10皿至約20皿）。
[0027] 在某些優選實施例中，多個接合單元由研磨娃灰石化學轉化而成并且填料顆粒為 石灰顆粒。在某些優選實施例中，多個接合單元由前體娃酸巧化學轉化而成，所述前體娃酸 巧包含侶、儀及鐵中的一種W上。在某些優選實施例中，其中多個接合單元由除娃灰石之外 的前體娃酸巧化學轉化而成。
[0028] 在某些優選實施例中，多個接合單元由研磨娃灰石經化學轉化而制成，所述化學 轉化是經由可控的熱液液相燒結化LPS)方法使所述研磨娃灰石與C〇2發生反應。在某些優 選實施例中，多個接合單元由除娃灰石之外的前體娃酸巧經化學轉化而制成，所述化學轉 化是經由可控的HLI^方法使所述除娃灰石之外的前體娃酸巧與C〇2發生反應。
[0029] 關于化PS的各種方面的論述可見于美國專利號8,114,367、美國公開號US 2011/ 0104469(申請序列號 12/984,299)、美國公開號20090142578(申請序列號 12/271,513)、W0 2009/102360(PCT/US2008/083606)、W0 2011/053598(PCT/US2010/054146)、W0 2011/ 090967(PCT/US2011/021623)、2012年3月2 日提交的美國申請序列號 13/411，218(Riman 等）、2012年6月7日提交的美國申請序列號13/491，098(Riman等）W及2012年10月1日提交 的美國臨時申請號61/708,423(Riman等），各案W全文引用的方式用于所有目的特此并入 本文。
[0030] 多個孔隙用W降低充氣復合材料的整體密度，同時提供有利于復合材料均一并加 速固化的Ξ維多孔網絡。
[0031] 取決于期望的特性及要進行的應用，多個孔隙在充氣復合材料的總體積中可W占 任何適合的分數。舉