代嬌榮 李葉晨
(國家知識產權局專利局專利審查協作天津中心,天津 300304)
隨著我國城鎮(zhèn)化建設的不斷推進,大多數建筑面臨高耗能、保溫隔熱性差的問題。發(fā)泡建材獨特的特性賦予其優(yōu)異的物理力學性能和使用功能,是一種集節(jié)能、保溫隔熱、阻燃等性能的多功能材料。工程中主要通過發(fā)泡攪拌裝置在混凝土或水泥內部形成多孔結構,但該裝置也存在占地面積大,生產的氣泡不均勻,易發(fā)生破裂等技術問題。因此,為提高產品質量和使用技術水平,對建筑材料發(fā)泡裝置進行技術改進勢在必行。
發(fā)泡混凝土或發(fā)泡水泥的主要有化學發(fā)泡和物理發(fā)泡兩種[1]?;瘜W發(fā)泡泡沫混凝土是將水泥及其摻和料,必要時加入集料、外加劑等,加入水制成漿狀拌和物,再加入發(fā)泡劑攪拌均勻。物理發(fā)泡過程也可成為制泡,其是通過機械手段將表面活性劑或表面活性物質的水溶液制備出泡沫形成的。
化學發(fā)泡和物理發(fā)泡特點有以下區(qū)別。
①原理不同。化學發(fā)泡通過化學反應生成氣體而使混凝土攪拌物內部形成氣泡,而物理發(fā)泡工藝則是利用表面活性劑降低水的表面張力,使水膜在制泡機的作用下,包覆空氣而形成氣泡,再利用攪拌裝置將氣泡引入混凝土拌和物內[2]。
②工藝不同?;瘜W發(fā)泡混合到混凝土拌和物內的是化學發(fā)泡劑,是先混合后發(fā)泡;而物理發(fā)泡工藝混合到混凝土拌和物內的則是泡沫,是先制泡后混泡[3]。
③漿料變化不同。用于化學發(fā)泡的混凝土拌和物,在加入發(fā)泡劑后,隨著發(fā)泡的開始,其體積逐漸膨脹增大;而物理制泡工藝在泡沫混合到混凝土拌和物內后,體積就達到最大,不再發(fā)生膨脹,有時還會縮小。
④孔形不同。物理發(fā)泡形成的氣孔孔徑較小,而化學發(fā)泡則既可形成細孔,也可形成直徑達到3~10 mm的大孔。
物理發(fā)泡與化學發(fā)泡有其各自的優(yōu)缺點,如何選擇還應根據具體工藝需要確定。目前,在泡沫混凝土領域,業(yè)內普遍認為物理發(fā)泡不如化學發(fā)泡,在保溫制品方面基本上很少使用物理發(fā)泡,這是前幾年我國泡沫混凝土保溫板普遍使用化學發(fā)泡的主要原因。這恰與國外發(fā)達國家相反,國外發(fā)達國家生產保溫制品大多采用的是物理發(fā)泡,極少使用雙氧水化學發(fā)泡生產保溫制品。
造成這一區(qū)別的主要原因如下。一是泡沫混凝土保溫板的生產最早始于四川,四川當時采用的是雙氧水化學發(fā)泡,這一工藝隨后傳播到浙江、江蘇,最后傳播至全國,成為當時的主導工藝。二是市場誤導,許多保溫產品的需求方,在缺乏專業(yè)知識和正確指導的情況下,僅憑感覺來評判產品的優(yōu)劣。化學發(fā)泡保溫板由于孔大而圓,且手感硬度好,就認為化學發(fā)泡保溫板好。而物理發(fā)泡保溫板則由于孔細,甚至看不清孔,且手感硬度不如化學發(fā)泡,外觀不及化學發(fā)泡好看,就不被看好,受到了冷遇和排斥,市場效應較差。而市場這種“以貌取物”的錯誤認識,使物理發(fā)泡自2010 年以來備受輕視,尤其在保溫產品領域。事實上,物理發(fā)泡在許多方面都優(yōu)于化學發(fā)泡,其產品的綜合性能是優(yōu)于化學發(fā)泡的,尤其是保溫產品。另外,在抗凍性、防水性、力學性能等方面,物理發(fā)泡均有優(yōu)勢。因此,在生產保溫制品方面,應優(yōu)選物理發(fā)泡工藝。
發(fā)泡混凝土的性能表現與制備工藝具有十分密切的聯系[4],而無論是化學發(fā)泡還是物理發(fā)泡工藝,其主要是通過發(fā)泡混凝土的生產設備實現的,發(fā)泡混凝土的生產設備是影響泡沫混凝土形成的重要因素。其中,水泥發(fā)泡機從理論上講應為泡沫混凝土發(fā)泡制漿,是專門用來制備泡沫混凝土漿料的專用設備,主要指泡沫混凝土現澆工程所用的成套施工設備[5]。其核心技術主要在于泡沫制備和混泡技術。發(fā)泡劑水溶液和空氣是泡沫形成的兩個主要因素,兩者缺一不可。發(fā)泡劑本身是不能自動成為泡沫的,它必須通過發(fā)泡機的機械作用才能成為泡沫。發(fā)泡機實際上可作為引氣機,它的本質是將空氣引入發(fā)泡劑水溶液中均勻分散,實現液氣盡可能大的接觸界面,以使發(fā)泡劑中的表面活性物質在液膜表面形成雙電子層并包圍空氣,形成一個個氣泡。
當前,我國泡沫混凝土技術整體上與國外還存在較大的差距,特別是在裝備技術及特殊應用領域。國內發(fā)泡機主要存在人工計量生產效率低,計量不夠精確,產出的泡沫混凝土質量和級別均難以控制。且現有發(fā)泡機的發(fā)泡、攪拌等工藝結構分離,使發(fā)泡機整體結構煩瑣,操作麻煩,體積龐大,搬運和使用都非常不便。另外,隨著國家對環(huán)境保護的日益重視,如何在發(fā)泡過程中減少建筑垃圾,降低發(fā)泡劑的使用量和能耗成為越來越迫切需要解決的技術問題[6]。
在此形式下,已經有一些企業(yè)或研究單位在裝備改進方面做出了努力。我國企業(yè)或科研機構雖然在創(chuàng)新方面不斷努力,但專利產出質量不高,專利布局意識不強[7],急需掌握科學的專利信息分析方法,以提高其“借力現有技術,尋找研發(fā)突破口和保護知識產權”的能力。
為研究混凝土發(fā)泡機相關專利技術的發(fā)展情況,筆者通過比較準確的關鍵詞,在國家知識產權局數據庫中進行檢索和統(tǒng)計。檢索后將明顯噪聲進行清理,采用不同的檢索方式及各種算符命令確保檢索的全面性及準確性,并利用系統(tǒng)的統(tǒng)計命令和Excel對該領域的中國專利申請數據和全球專利申請數據進行統(tǒng)計分析。
混凝土發(fā)泡機主要申請人如圖1 所示,可以看出河南華泰建材開發(fā)有限公司是發(fā)泡混凝土機申請量最大的申請人,其次為美國的標準混凝土材料公司(STANDARD CONCRETE MATERIALS IN),然后是中國的夏勇濤,美國的標準混凝土產品股份有限公司(STANDARD CONCRETE PRODUCTS INC)和(STEP-I)STEPHENS P J,其他主要申請人為牛寧民,益陽市龍騰節(jié)能保溫材料科技有限公司,馬鞍山十七冶工程科技有限責任公司和無錫樂華自動化科技有限公司,國內外排名前9 的申請人當中,企業(yè)申請為6個,個人申請為3個。說明在世界范圍內,企業(yè)保持了對該項技術的研究熱度和興趣,該項技術更注重實際生產應用,但是單個企業(yè)的相關申請量較少,與科研院所合作較少,沒有形成持續(xù)的技術改進鏈,這是目前全球范圍內制約該技術深入發(fā)展的重要因素之一,隨著國內外綠色建筑技術的不斷發(fā)展,混凝土發(fā)泡機相關專利研究的深入開發(fā)和運營具有巨大的挖掘潛力。
圖1 混凝土發(fā)泡機主要申請人
國內關于混凝土發(fā)泡機的專利申請最早出現于1988 年,是由新疆石油管理局鉆井工藝研究所申請的,該裝置主要通過氣液兩相流體從不同的入口處分別進入泡沫發(fā)生器,液體經過噴嘴形成噴流,在直徑可調的配氣盤處與氣體混合,然后,經芯體上的螺旋槽流向出口,在芯體的螺旋槽上纏繞有金屬片,用以進一步將其切割為更加細密的氣泡。該裝置具有結構簡單、體積小,生產的泡沫細密等優(yōu)點。在此之后,國內該研究出現了一段低潮,其間沒有任何科研院所、企業(yè)及個人在這方面有研究成果。這可能與大多數工程尚在使用傳統(tǒng)混凝土,而泡沫混凝土相較傳統(tǒng)混凝土具有工藝復雜,裝置復雜和生產成本高等缺點,并未得到廣泛推廣有關。國內申請人出于經濟方面的考慮,暫時放棄了對此項技術的研究。21世紀初期,國內主要申請人牛寧民開始申請混凝土發(fā)泡機的相關專利,先后在2004 年和2005 年申請了4 項有關混凝土發(fā)泡機的早期專利。分別涉及一種水泥發(fā)泡機,其通過把泡沫輸送到發(fā)將機與水泥沙漿混合;一種水泥發(fā)泡機,在空壓機(低壓)的作用下進行發(fā)泡,然后跟填充物料(細砂、礦渣、粉煤灰等)、水泥等通過砂漿攪拌機進行攪拌;一種發(fā)泡水泥生產裝置,其通過電動網狀發(fā)泡機或空氣壓縮發(fā)泡器將氧化鎂水泥泡沫劑制備成泡沫,將氧化鎂水泥砂漿與鎂水泥泡沫劑泡沫混合;一種發(fā)泡硫酸鹽水泥制備裝置,其用機械預制硫鋁酸鹽水泥流態(tài)砂漿,將硫鋁酸鹽水泥發(fā)泡劑稀釋后用電動網狀機械發(fā)泡機或空氣壓縮發(fā)泡器制備成泡沫,用機械將硫鋁酸鹽水泥砂漿與硫鋁酸發(fā)泡劑泡沫低速混合水泥泡沫混凝土。由此可知,早期發(fā)明總體技術改進在于實現泡沫水泥的現代標準化、機械化生產、降低勞動強度,使墻體和建筑物總成本降低,加快施工進度。隨后,夏勇濤在2007—2008 年之間申請專利,其通過將發(fā)泡和攪拌設備一體化,使該設備具有體積小、重量輕、適合分散施工的特點。該設備機動靈活,既可用于大工地施工,也可用于零星工地,可對市場不同型號的發(fā)泡劑進行發(fā)泡,從而保證了不同保溫產品的要求,可直接使用未稀釋的發(fā)泡劑原液,并且供藥量可自動設定調整,減少了使用工序。河南華泰建材開發(fā)有限公司于2008—2019 年之間申請了多項有關混凝土發(fā)泡機的專利,其最初致力于生產性能穩(wěn)定,發(fā)泡效率高且方便移動可適應于不同生產場所的水泥發(fā)泡機,之后開始研發(fā)便攜式的泡沫混凝土發(fā)泡機,該設備既具有結構簡單,體積小的優(yōu)點,又可通過控制壓力表調節(jié)發(fā)泡率,提高發(fā)泡混凝土的質量。隨著國家經濟和科技的持續(xù)發(fā)展,為滿足建筑業(yè)對發(fā)泡混凝土質量和數量的需求,該公司開始致力于將基于PLC 技術的泡沫混凝土密度自動控制系統(tǒng)應用于混凝土發(fā)泡機,從而實現發(fā)泡混凝土質量和生產量的自動控制,該技術不僅提高了發(fā)泡混凝土的質量,而且降低人工成本,極大提高了生產效率。此外,益陽市龍騰節(jié)能保溫材料科技有限公司、馬鞍山十七冶工程科技有限責任公司、無錫樂華自動化科技有限公司分別就混凝土發(fā)泡機便攜性、發(fā)泡質量及生產的精細化控制申請了相關的專利。隨著近年來我國大力倡導環(huán)境保護,綠色施工的理念開始在建筑行業(yè)興起,國內申請人武漢理工大學通過改進混凝土發(fā)泡制備裝置將泡沫混凝土制備過程中的發(fā)泡和攪拌兩個步驟有機結合在一起以避免使用發(fā)泡劑,不僅可以產生微小、均勻、穩(wěn)定的氣泡,制備較高質量的泡沫混凝土,而且還降低了制備成本,提高了泡沫混凝土的環(huán)保性,推動了泡沫混凝土的大范圍推廣。
整體來看,國內申請人根據近年來國家的宏觀調控,響應節(jié)能減排的號召,不斷加大研究力度,不同研究單位針對施工裝置面臨的具體使用和生產質量的問題不斷研發(fā)技術方案,為發(fā)泡混凝土生產的自動化、規(guī)?;七M奠定了較為扎實的基礎。
通過對國內混凝土發(fā)泡機技術發(fā)展過程的分析可以看出,關于混凝土發(fā)泡機的專利技術主要致力于改進裝置使其取得結構簡單,體積小,提高泡沫混凝土生產率及生產質量等技術效果。關于發(fā)泡機結構的簡單化和小型化的改進技術已經非常成熟,關于提高混凝土生產質量和生產效率的性能改進也相對比較成熟,但是關于如何減少施工垃圾,保證綠色施工方面的研究還比較欠缺,這也是由于該技術對裝置攪拌器的要求較高,施工成本較大導致的,關于該效能方面的裝置改進還存在較大的發(fā)展空間。
隨著對混凝土發(fā)泡機裝置的持續(xù)深入研究,混凝土發(fā)泡機應向著綠色化、自動化、工業(yè)化方向發(fā)展。我國企業(yè)應更加注重與科研機構的合作,結合市場動態(tài)不斷調整技術,不斷推動裝置創(chuàng)新發(fā)展,依靠技術研發(fā)開發(fā)更加高效綠色環(huán)保的發(fā)泡裝置,滿足現代建筑發(fā)展需求。