發泡劑在發泡陶瓷保溫板中發泡原理的研究

鄧堅勇　胡麗芳　羅淑芬　林志江

摘 要：本文通過研究發泡陶瓷保溫板的TG-DSC曲線，分析SiC-MgCO3-Li2CO3系發泡劑在燒結過程中的發泡原理，得出發泡劑主要是在高溫時通過發生分解和氧化等化學反應放出大量氣體，此時坯體產生部分液相，在氣體的表面張力作用下形成均勻封閉的微細氣孔，最終形成了具有低導熱系數的發泡陶瓷保溫材料。

關鍵詞：SiC-MgCO3-Li2CO3系發泡劑；TG-DSC曲線；發泡原理；化學反應

1 引言

近年來，發生了多起與保溫材料有關的重大火災，備受各界人士的關注，起火的主要原因是所用保溫材料為有機材料，防火等級低。于是綠島科技研發出了A1級防火的發泡陶瓷保溫板，它特有的A1級防火，隔熱保溫，隔聲，防潮等性能，用于建筑屋面隔熱和外墻外保溫系統中，廣受好評，甚至被專家認為可以取代現有的有機保溫材料EPS，XPS等。發泡陶瓷保溫板是以陶土尾礦、陶瓷碎片、摻加料等作為主要原料，添加少量的礦化劑及發泡劑，采用先進的生產工藝和發泡成型技術，經1180～1200℃高溫焙燒而成的高氣孔率的閉孔陶瓷材料。產品之所以具有好的隔熱保溫性能，主要原因是發泡劑在燒制過程中產生大量氣體，留下了大量氣孔在產品中。本文通過研究發泡陶瓷保溫板的TG-DSC曲線，分析發泡陶瓷保溫板燒結過程中發泡劑的發泡原理。

2 試驗

2.1試驗原料及配比

陶土尾礦、陶瓷碎片、摻加料、礦化劑、組合發泡劑（SiC、MgCO3、Li2CO3）。具體配比見表1

2.2試驗方法

2.2.1熱重分析法

熱重分析法（TG）是在程序控制溫度下，測量物質的質量隨溫度變化的一種技術方法。由熱重分析儀記錄的質量變化對應溫度的曲線稱為熱重曲線（TG曲線）。TG曲線縱坐標為質量，橫坐標為溫度。通過分析TG曲線的變化，可以得出試樣發生物理化學反應的起始溫度、終止溫度、最終失去質量的多少等。用在無機材料中應用中，通過分析TG曲線，可以對陶瓷礦物原料進行定性和定量分析，吸水和脫水的測定，蒸發和升華速度的測量等。

2.2.2差示掃描量熱分析法

差示掃描量熱分析法（DSC）是在程序控制溫度下，測量待測試樣和參比物的能量差（功率差或者熱流差）隨溫度或者時間變化的一種技術方法。有差熱掃描量熱儀測量和記錄的反應熱量對應溫度的曲線稱為DSC曲線，縱坐標表示熱量差，橫坐標為溫度。在無機材料應用中，通過分析DSC曲線出峰溫度、峰谷的數目、形狀和大小，并結合試樣的來源及其他分析資料，可鑒定出原料或產品中的礦物、相變，進而找出吸熱或放熱效應的原因。

3 結果與分析

對發泡陶瓷保溫板的配方進行了TG-DSC試驗測試，測試結果曲線如圖1。

（1）發泡陶瓷保溫板的TG曲線分析

從圖1的TG曲線中可以看出，隨著溫度的升高，伴隨著質量的減少，主要發生在三個階段。第一階段發生在20～320℃之間，失重為0.51%，這是由于原料中的吸附水隨著溫度升高而脫水引起的失重；第二階段發生在320～800℃之間，失重為2.11%，此階段主要是原料雜質的燒蝕及低溫發泡劑MgCO3分解放出CO2而引起的失重；第三階段發生在800～1190℃之間，失重為0.55%，此階段主要是高溫發泡劑SiC的氧化及Li2CO3高溫分解放出CO2氣體而引起的失重過程。

從總的TG曲線中可以看出，整個燒結過程中，失重為3.17%，整個燒結過程，實際的失重要比按照理論計算的失重少，這主要是因為發泡陶瓷保溫板氣孔率高，而且多為閉口氣孔，在燒結過程中，發泡劑產生的氣體并沒有完全排出，大部分被包裹在這些閉口氣孔中。在礦化劑MgO及MgCO3分解出的MgO共同作用下，試樣的熔融程度增加，液相量增加，包裹的氣體量增多，而且此時液相量的粘度和表面張力較大，氣體不易跑出，被牢牢的包裹形成氣泡，最終形成密閉氣孔保留在發泡陶瓷保溫板。

（2）發泡陶瓷保溫板的DSC曲線分析

從圖1的DSC曲線中，隨著溫度的升高，整個燒結反應過程中主要有5個吸熱峰和一個放熱峰。第一個吸熱峰發生在20～320℃之間，吸熱峰溫度為77.5℃，主要原因是吸附水吸熱脫水的物理反應過程；第二個吸熱峰發生在320～550℃之間，吸熱峰溫度為491.1℃，這主要試樣夾帶雜質的一個燒蝕吸熱過程；第三個吸熱峰發生在550～800℃之間，吸熱峰溫度為575.7℃，在這個吸熱過程中，可能原因是發泡劑MgCO3的發生了分解反應：MgCO3→MgO+CO2↑，放出了氣體，從而在曲線中變現為吸熱的過程；第四個吸熱峰發生在800～950℃之間，吸熱峰溫度為911.5℃，根據查閱的相關資料，此吸熱過程可能是發泡劑Li2CO3一個熔化過程而引起的吸熱；第五個吸熱峰發生在1100～1190℃之間，吸熱峰溫度為1189.5℃，此階段峰值比較大，吸收的熱量較多，其一原因可能是Li2CO3（Li2CO3→Li2O+CO2↑）受熱分解放出CO2氣體的一個化學反應過程而引起的吸熱，其二原因是晶相轉變而引起的吸熱；而唯一的放熱峰發生在950～1100℃之間，放熱峰溫度為990℃，這可能是發泡劑SiC（SiC+2O2→SiO2+CO2↑）被氧化的一個化學反應過程而引起的放熱。

綜合TG-DSC曲線分析可以發現，發泡陶瓷保溫板的整個燒結過程中發泡劑的發泡原理是氧化反應或者分解反應而產生大量氣體，雖然反應有部分質量的損失，但是卻遠比理論計算的失重量要小，不難發現大部分氣體被包裹起來形成氣泡。

4 結論

（1）SiC-MgCO3-Li2CO3系發泡劑在發泡陶瓷保溫板的發泡原理是通過氧化和分解等化學反應來釋放大量氣體。

（2）整個燒結過程中失重小于理論計算失重，從而得出發泡劑發生化學反應放出的氣體大部分被包裹起來，最后形成密閉的氣孔保留在發泡陶瓷保溫板中。

（3）配方在燒成過程中1189℃有一個明顯峰值，因此在1180～1200℃進行20 min保溫，會大大提高產品的各種理化性能。

參考文獻

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