一種自固化改性蒸壓制取高強α-半水石膏的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及建筑材料領(lǐng)域，尤其涉及一種自固化改性蒸壓制取高強α -半水石膏的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，石膏(硫酸鈣)存在的狀態(tài)有二水石膏、半水石膏、III型無水石膏、II型無水石膏、I型無水石膏(又稱之為α型無水石膏)，其中的二水石膏和半水石膏均呈亞穩(wěn)定狀態(tài)，在一定的條件下可互相轉(zhuǎn)化，二水石膏的兩個離子層之間的水分子受熱逸出3/4即1.5個水分子后，Ca2+與S0 42彼此錯開即形成半水石膏。二水石膏在不同的受熱脫水條件下形成的半水石膏，其微觀原子排序上無本質(zhì)上的差異；但其微觀結(jié)構(gòu)上，原子排序結(jié)晶的疏松或致密使其在宏觀性能上表現(xiàn)出巨大的差異，因而有α型、β型兩個不同脫水條件下的極端相晶型。當二水石膏在加壓水蒸汽條件下或在酸和鹽的水溶液中加熱時，即在液相中或在蒸壓下脫水則可以形成α-半水石膏。當二水石膏在干燥的環(huán)境中進行加熱脫水時則可以形成半水石膏。
[0003]以β -半水石膏礦物為主的建筑石膏粉具有需水量大，凝結(jié)硬化快(一般需要加入緩凝劑)，體積微膨脹，孔隙率大，耐水性差，抗凍性差，強度低，不耐磨的特點，僅可作為室內(nèi)粉刷裝飾制品、多孔石膏制品和石膏板等。
[0004]以α-半水石膏為主的石膏稱之為高強石膏，是將二水石膏在110?170°C的溫度飽和蒸汽壓或高濃度鹽溶液(鹽濃度通常大于石膏質(zhì)量的10%)中沸煮脫水形成α-半水石膏，常用的煅燒生產(chǎn)設(shè)備為臥式或立式蒸壓釜(一般需要清洗、干燥設(shè)備)。以α-半水石膏礦物為主的高強石膏具有需水量小，凝結(jié)硬化較慢，體積穩(wěn)定，孔隙率較小和輕質(zhì)，強度好，耐磨等許多優(yōu)異的性能特點，除可應(yīng)用于粉刷、石膏制品的高檔材料外，還可應(yīng)用于很多行業(yè)，如用作陶瓷模具、精密制造、工藝美術(shù)品、齒科超硬石膏、工程塑料與橡膠制品及石膏基自流平材料等。
[0005]顯然，以二水石膏制造α -半水石膏礦物為主的高強石膏具有廣泛的應(yīng)用前景，是當前石膏材料研究的主要方向，國內(nèi)外制備α -半水石膏(高強石膏)研究和應(yīng)用的主要方法有:
1)飽和蒸汽加壓法:簡稱“蒸壓法”，是將一定粒徑的塊粒狀的二水石膏置于蒸壓釜內(nèi)，通入飽和水蒸汽，于110?170°C溫度壓蒸一定時間，使二水石膏緩慢脫水轉(zhuǎn)變?yōu)棣?-半水石膏，再經(jīng)干燥和粉磨，即得α型高強石膏。其主要缺點:一方面是蒸壓釜的有效容積利用率低，能耗高，生產(chǎn)效率低，另一方面，晶體的生長沿C軸發(fā)展，形成的α -半水石膏是棒狀至針狀晶體，強度偏低，優(yōu)質(zhì)石膏生產(chǎn)出的高強石膏強度等級低，尤其是不能生產(chǎn)出晶形為短柱狀的超高強石膏。
[0006]2)常壓鹽溶液法:實質(zhì)上是利用硫酸鹽之間或硫酸鹽與氯鹽之間的共結(jié)晶特性，即是在常壓條件下，將磨細的二水石膏粉置于鹽類溶液(共結(jié)晶所用鹽的質(zhì)量為二水石膏質(zhì)量的15%以上)中煮沸一定時間后，再進行過濾，洗滌(除去共結(jié)晶的鹽份)，干燥，粉磨制成高強石膏粉。常壓鹽溶液法需要壓力容器，各工序設(shè)備亦較復雜，且制備的α-半水石膏結(jié)晶度較差，脫鹽及干燥難度大。
[0007]3)水熱法:包括靜態(tài)水熱法和動態(tài)水熱法，是將粉狀二水石膏與加有轉(zhuǎn)晶劑的水溶液混合漿料(含水率50?80%)置于反應(yīng)釜中，經(jīng)一定時間的壓力蒸煮轉(zhuǎn)化為α -半水石膏，再經(jīng)壓濾或離心脫水，干燥，粉磨制得高強石膏粉。該方法可生產(chǎn)高強(干壓強度25?50MPa)和超高強(干壓強度50MPa以上)等級石膏粉，但對石膏品位要求高，且工藝復雜，生產(chǎn)效率低，產(chǎn)能較小，能耗高，成本高。
[0008]4)干悶法:即是將二水石膏置于密封的帶隔套的蒸壓釜內(nèi)加熱，以部分二水石膏脫下的結(jié)晶水形成高溫水蒸汽對剩余二水石膏進行壓蒸脫水。干悶法生產(chǎn)能耗相對于蒸壓法、水熱法、鹽溶液共結(jié)晶法及折中法而言最低，但是，一則需采用帶夾套的蒸壓釜設(shè)備，效率偏低，設(shè)備投資偏高，生產(chǎn)成本偏高，二則其產(chǎn)品礦物為半水石膏和α-半水石膏的混合物，且成份波動大，強度偏低(一般在10?20MPa)。
[0009]5)折中法:介于蒸壓法和水熱法之間的折中法或聯(lián)合法，其方法之一即是在磨細的粉狀石膏中加入含羧基(C00-)的低分子量的羧酸鹽水溶液如馬來酸、檸檬酸鈉等轉(zhuǎn)晶劑，在密閉容器中加壓(0.2?0.5Mpa)、水熱攪拌蒸煮1?3h，再在100?160°C溫度下常壓干燥1?2h后，磨細制成高強石膏粉，但該方法仍然是能耗偏高、成本高；其方法之二是將破碎的粒徑在20?80mm的塊粒狀二水石膏預先用含轉(zhuǎn)晶劑的水溶液浸泡，然后瀝干蒸壓，客觀上效果很不理想，質(zhì)量亦不穩(wěn)定。
[0010]綜上所述，為降低高強石膏的生產(chǎn)能耗，提高生產(chǎn)效率，降低設(shè)備投資及生產(chǎn)成本，且獲得質(zhì)量相對穩(wěn)定的高強石膏，需要一種制取α -半水石膏的全新的工藝方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可利用或改造利用已成熟應(yīng)用的立式或臥式蒸壓釜，并可以有效降低生產(chǎn)能耗的自固化改性蒸壓制取高強α -半水石膏的方法，生產(chǎn)質(zhì)量易于穩(wěn)定的高強或超高強石膏。
[0012]本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是，一種自固化改性蒸壓制取高強α -半水石膏的方法，將細粒狀或粉狀二水石膏和改性固化劑、調(diào)整劑混合成型，自固化為改性塊狀石膏，送入蒸壓釜內(nèi)于108°C?170°C溫度下蒸壓1?5h，然后卸壓至大氣壓，向釜內(nèi)通入干熱氣體于100?200°C干燥，經(jīng)粉磨制成高強石膏粉，主要包括以下步驟:
(1)備料:將二水石膏破碎至粒徑2mm以下，或粉磨為80微米篩余〈50%的粉料；將改性固化劑和調(diào)整劑一起溶于水中制成水溶液，所述水溶液中的用水量為原料二水石膏質(zhì)量的5?35% (優(yōu)選8 — 20%，更優(yōu)選10?18% );
(2)混合、成型與固化:將經(jīng)步驟(1)處理的二水石膏與水溶液混合均勻，經(jīng)澆注或擠壓成型，自然養(yǎng)護固化，制成改性塊狀石膏；
(3)蒸壓制取α-半水石膏:將步驟(2)所得的改性塊狀石膏置于蒸壓釜內(nèi)，通入蒸汽于108°C?170°C蒸壓1?5h，制成α -半水石膏；
(4)干燥:將步驟(3)中裝有α-半水石膏的蒸壓釜的卸壓閥打開，并使釜內(nèi)與外界大氣相通，蒸壓爸內(nèi)的氣壓降至大氣壓，向爸內(nèi)通入100?200°C干熱氣體干燥20?60分鐘，得干燥塊狀α-半水石膏； (5)制成:將步驟(4)所得的干燥塊狀α -半水石膏經(jīng)破碎、粉磨為80微米篩余〈12%的粉料，即得高強石膏粉。
[0013]進一步，步驟(1)中，所述二水石膏為天然二水石膏和/或工業(yè)副產(chǎn)品二水石膏，如磷石膏、脫硫石膏。如果選用磷石膏，則可加入相當于磷石膏質(zhì)量1.5 — 2.5%的石灰，混合陳化2 - 5天(中和其中的可溶性磷酸鹽和氟磷酸鹽)后，再進行破碎或粉磨處理。
[0014]進一步，步驟(1)中，所述改性固化劑為聚合硅溶膠和/或偏鋁酸鈉，用量為原料二水石膏質(zhì)量的1.2?5% (優(yōu)選2?4.5% )。
[0015]進一步，步驟(1)中，所述調(diào)整劑為兼顧調(diào)整二水石膏和/或半水石膏顆粒表面水吸附特性及調(diào)整半水石膏溶解結(jié)晶習性的調(diào)整劑，優(yōu)選為聚合甘油、聚乙二醇醚、聚羧酸鹽系減水劑、蜜胺系減水劑、萘磺酸鹽系減水劑、氨基磺酸鹽減水劑、二元及多元有機酸及其鹽等中的至少一種，調(diào)整劑用量為原料二水石膏質(zhì)量的0.015?1.5% (優(yōu)選0.2?1%，更優(yōu)選0.5?0.8%)ο
[0016]進一步，步驟(3)中，所述蒸壓釜為通用的立式蒸壓釜或臥式蒸壓釜。
[0017]本發(fā)明的技術(shù)原理:
1)針對二水石膏及半水石膏這種以Ca2+、[S0J2為結(jié)合物的顆粒表面吸附特點，選用可以作為微晶顆粒表面改性劑的聚合硅溶膠和/或偏鋁酸鈉作為二水石膏的改性固化劑，在混合料中的初始液相狀態(tài)時強化二水石膏對高分子量調(diào)整劑的有效吸附，隨著硅溶膠和/或偏鋁酸鈉的聚合與物理化學反應(yīng)，有效粘結(jié)固化散粒狀或粉狀的二水石膏，使之自固化為塊狀物料，進入蒸壓脫水過程中時，因其吸附表面改性協(xié)同作用，有效調(diào)整半水石膏的晶型生長，同時，以硅和/或鋁改善石膏晶粒表面特性從而改善石膏晶粒的抗水性，協(xié)同促進二水石膏脫水溶解結(jié)晶為結(jié)構(gòu)致密結(jié)晶程度好的短柱狀的α-半水石膏。
[0018]2)根據(jù)結(jié)晶動力學原理，以有表面吸附改性功能的粘結(jié)固化劑和兼顧調(diào)整顆粒表面水吸附性及半水石膏結(jié)晶習性的調(diào)整劑改變半水石膏晶體生長過程中C軸方向的生長速度，使二水石膏脫水溶解結(jié)晶為短柱狀α-半水石膏粗壯晶體。
[0019]3)以復配的高分子改性劑既調(diào)整溶解結(jié)晶過程，又可改善α-半水石膏(高強石膏)粉的施工使用性能和材料特性。
[0020]本發(fā)明的有益效果:
1)自固化改性蒸壓制取高強α-半水石膏的方法開辟了一種生產(chǎn)α-半水石膏的全新的工藝方法，工藝簡單，可利用現(xiàn)有的成熟應(yīng)用的蒸壓釜，工藝參數(shù)控制簡單，可利用各種類石膏原料包括工業(yè)廢石膏生產(chǎn)高強或超高強石膏，產(chǎn)品質(zhì)量較穩(wěn)定，且可有效降低高強石膏的生產(chǎn)能耗，有效降低生產(chǎn)成本。
[0021]2)利于因情適宜的利用天然石膏及工業(yè)副石膏(廢石膏)生產(chǎn)高強高品質(zhì)石膏制品，利于減輕環(huán)境污染，利于環(huán)境保護。
[0022]3)可促進石膏工業(yè)的研究和發(fā)展，促進石膏材料的改性和應(yīng)用。
【具體實施方式】
[0023]以下結(jié)合具體實施例對本發(fā)明做進一步的陳述。
[0024]下述試驗在實驗室條件下進行，試驗采用容積5L的立式反應(yīng)釜。試驗檢測按照《建筑石膏一般試驗條件》(GB/T17669.1-1999)規(guī)定方法進行。二水石膏選用天然二水石膏、磷石膏或脫硫石膏；改性固化劑選用市售的聚合硅溶膠和/或偏鋁酸鈉；兼顧調(diào)整顆粒表面水吸附特性及半水石膏溶解結(jié)晶習性的調(diào)整劑選用市售的聚合甘油、聚乙二醇醚、羧酸鹽系減水劑、蜜胺系減水劑、萘磺酸鹽系減水劑、氨基磺酸鹽減水劑或二元及多元有機酸及其鹽。
[0025]實施例1
石膏原料選用天然二水石膏，改性固化劑選用偏鋁酸鈉，調(diào)整劑選用市售的粉狀的蜜胺減水劑、聚合甘油和戊二酸鈉。按如下步驟以自固化改性蒸壓法制取高強α-半水石膏:
(1)備料:取2000g二水石膏破碎至粒徑1_以下；取改性固化劑偏招酸鈉60g (為二水石膏質(zhì)量的3%);取調(diào)整劑蜜胺減水劑8g、聚合甘油lg和戊二酸鈉lg (合計為二水石膏質(zhì)量的0.5%);取水300g (為二水石膏質(zhì)量的15%);將固化改性劑、調(diào)整劑加入300g水中制成水溶液；
(2)混合、成型與固化:將經(jīng)步驟(1)處理的二水石膏粒狀料