發(fā)泡法制備莫來石隔熱澆注料工藝的研究

魏 瀚，王俊濤，趙洪亮，袁 林，王杰曾，陳松林，閆 昕，徐如林

(1. 瑞泰科技股份有限公司，北京 100024 ；2. 鄭州大學(xué)，河南 鄭州 450001)

0 引 言

窯爐保溫可以有效降低窯爐內(nèi)部的熱量散失，節(jié)省燃料的消耗[1-3]。物理發(fā)泡法制備的隔熱保溫材料由于體積密度低、耐火溫度高、保溫效果顯著等優(yōu)勢有希望逐步替代目前的硅酸鈣板使用在高溫窯爐上，尤其可以使用這種方式制備隔熱保溫澆注料，以填補高溫窯爐特異部位區(qū)域的保溫[4]。這種方法制備的發(fā)泡隔熱材料可以應(yīng)用在發(fā)泡混凝土的領(lǐng)域，圖 1所示為物理發(fā)泡制備的傳統(tǒng)工藝路線（工藝一）。

圖1 工藝一Fig.1 Process 1

稱取一定量的發(fā)泡劑原液與水進行一定比例的稀釋并進行快速攪拌制泡,穩(wěn)泡后將泡沫與漿體攪拌混合成泡沫漿體澆注成型，并經(jīng)過養(yǎng)護、脫模、坯體干燥后制得發(fā)泡混凝土試樣[5]。當(dāng)采用這種工序應(yīng)用于制備隔熱耐火澆注料時不能確定加入預(yù)制泡沫的水量，可能會導(dǎo)致制品加水量過大，從而試樣在高溫環(huán)境下產(chǎn)生較大的收縮甚至開裂。為了解決加水量不確定的問題，我們改變了原有的工藝路線，設(shè)計了新的工藝路線(工藝二)如圖2所示。

圖2 工藝二Fig.2 Process 2

本文在只改變發(fā)泡劑加入量的條件下，分別采用工藝一、工藝二制備莫來石隔熱澆注料試樣。研究不同工藝下，試樣體積密度、1100℃重?zé)€變化、干燥坯體及燒后制品的耐壓強度的變化趨勢及孔結(jié)構(gòu)。為制備莫來石隔熱澆注料選擇合理的工藝手段。

1 實 驗

如表 1所示為實驗配方，采用莫來石微粉作為原料，鋁酸鹽水泥作為結(jié)合劑，各組試樣的外加劑與水的加入量一致，發(fā)泡劑的加入量有由1.25%逐漸增加至 5%。將每組配方分別按照工藝一、工藝二制備試樣，并將干燥后的坯體在1300℃的溫度下保溫 3小時后制得燒后試樣。為了保證制備泡沫漿體具有相同的制備時間，在完成快速攪拌后所用的時間均為15分鐘，其中工藝一中制泡步驟與制漿步驟同時進行，用時10分鐘，泡漿混合的階段用時 5分鐘，制備泡沫漿體。在工藝二中，我們在制備漿體后直接加入發(fā)泡劑原液后將泡沫與漿體攪拌15分鐘制備泡沫漿體。

表1 實驗配方Tab.1 Experimental formula

對上述燒后試樣采用GP-120R體積密度儀測試了試樣的體積密度，采用 BTH-4Y永久線變化測試儀測試試樣的 1100℃燒后線變化，采用DRL-III導(dǎo)熱系數(shù)儀測定了試樣的導(dǎo)熱系數(shù)，采用WDW-300H萬能試驗機測定了實驗的耐壓強度，采用ZOOM-850三目立體顯微鏡觀察了體積密度在0.62 g/cm3試樣的顯微照片。

2 制備工藝對試樣體積密度的影響

2.1 制備工藝對試樣體積密度的影響

對各組試樣做了體積密度的檢測，如圖 3所示，采用工藝一（G1）制備的每組試樣體積密度低于工藝二（G2）制備的試樣。

圖3 工藝方式及發(fā)泡劑量對試樣體積密度的影響Fig 3 Effect of process mode and foaming dose on volume density of sample

隨著發(fā)泡劑加入量的增加，每組試樣體積密度趨于下降的趨勢。當(dāng)發(fā)泡劑加入量1.25%時，采用工藝一的 4#試樣體積密度已經(jīng)達到了 0.62 g/cm3，相比之下，工藝二4#試樣體積密度只達到了0.86 g/cm3。采用工藝一時，可以在發(fā)泡劑量較低的情況下制備出體積密度較小的發(fā)泡試樣。發(fā)泡劑加入量相同時，發(fā)泡劑水溶液要比漿體的粘度小，工藝一能夠大量的從空氣中引入氣體從而能夠制備出大量稠密的泡沫，從而導(dǎo)致工藝一的試樣體積密度要小于工藝二的試樣。

2.2 制備工藝對試樣重?zé)€變化的影響

對采用各組試驗做了 1100℃重?zé)€變化的檢測，如圖4所示：采用工藝一制備的每組試樣重?zé)€變化均高于工藝二試樣；隨著發(fā)泡劑加入量的增加，試樣的重?zé)€變化增大。

圖4 工藝方式及發(fā)泡劑量對試樣1100℃重?zé)€變化的影響Fig.4 Effect of Process and Foaming Dose on the Change of Reburning Line at 1100℃

這是由于隨著發(fā)泡劑加入量的增加，體積密度變小，試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為疏松，導(dǎo)致了試樣在1100℃時的體積收縮增大。

2.3 制備工藝對試樣耐壓強度的影響

對采用各組試驗做耐壓強度的檢測，如圖 5所示，發(fā)現(xiàn)采用工藝二制備的試樣其耐壓強度均高于工藝一的試樣，并且發(fā)泡劑加入量的增加，試樣的耐壓強度有減小的趨勢。

圖5 工藝方式及發(fā)泡劑量對試樣耐壓強度的影響Fig.5 Effect of process and foaming dose on the pressure resistant performance of specimen

隨著發(fā)泡劑加入量的增加，每組試樣燒后的耐壓強度趨于下降的趨勢。

對工藝一、工藝二的試樣的體積密度為 0.62 g/cm3的試樣顯微結(jié)構(gòu)見圖6a、b。圖6a所示的工藝一試樣中，大于100 μm的氣孔相互緊鄰相連，這導(dǎo)致了坯體中形成了眾多的大孔洞；氣泡之間只有薄壁連接工藝二試樣也存在直徑較大的孔洞。如圖6b 所示，該孔洞直徑達到了729 μm，但該孔洞被一系列直徑在100μm以下的微孔所包圍，這種結(jié)構(gòu)在工藝二試樣中大量存在。

如圖 6c、d所示，大氣孔之間存在著直徑為10–20 μm細小氣孔組成的區(qū)域，這一區(qū)域可視為大氣孔之間相對密實區(qū)域。通過觀察多次，發(fā)現(xiàn)工藝一試樣密實區(qū)域厚度為128 μm，而工藝二試樣密實區(qū)域厚度為213 μm。

圖6 工藝一、工藝二試樣顯微圖片F(xiàn)ig.6 Microscopic pictures of process 1 and process 2 samples. a) The process of 1 pore morphology,b) The process of 2 pore morphology, c).Process 1 Pore Distance,d)Process 2Pore Distance.

坯體中存在大量的大氣孔時，大氣孔之間密實區(qū)域厚度較薄，使得坯體的力學(xué)強度下降。相比之下，工藝二試樣中大氣孔之間密實區(qū)域厚度較厚，且直徑較大的氣孔之間距離較大，獨立存在于試樣坯體中，使得坯體的力學(xué)強度優(yōu)于工藝一試樣。

2.4 制備工藝對試樣導(dǎo)熱系數(shù)的影響

在 1100℃的溫度下采用平板導(dǎo)熱法對各組試驗樣做了導(dǎo)熱系數(shù)的測試，測試結(jié)果如圖7所示。隨著發(fā)泡劑加入量的增加，兩種工藝試樣的導(dǎo)熱系數(shù)都趨于減小的趨勢。但發(fā)泡劑加入量大于1.25%時，工藝一試樣導(dǎo)熱系數(shù)下降趨勢，逐漸小于工藝二試樣。

圖7 工藝方式及發(fā)泡劑量對試樣導(dǎo)熱系數(shù)的影響Fig.7 Effect of process and foaming dosage on thermal conductivity of samples

試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)也影響試樣導(dǎo)熱系數(shù)的大小，對采用工藝一與工藝二的 3#試樣進行表面結(jié)構(gòu)的觀察，如圖 8所示。通過分析，我們發(fā)現(xiàn)工藝一試樣結(jié)構(gòu)較為疏松，100 μm的孔洞只占試樣觀測面積的 21.4%；相比之下，工藝二試樣≤100 μm的孔洞占試樣觀測面積的46.2%。

工藝一試樣中存在較多的大氣孔，縮短了熱傳遞路徑，導(dǎo)致了工藝一試樣的導(dǎo)熱系數(shù)高于工藝二試樣的原因。氣孔越大，單位體積內(nèi)氣孔數(shù)量就越少，氣孔壁形成的傳熱通道就越短。假設(shè)材料厚度為3 cm時，若0.3 mm的大氣孔從一側(cè)排列到另一側(cè)為10—20個，熱量傳遞只需要繞過10—20個彎道。但當(dāng)材料采用0.01 mm的細微小孔從一側(cè)排到另一側(cè)就需要300—500個，當(dāng)熱量傳遞時，就需要繞過 300–500個彎道。細小的氣孔增大熱傳遞阻力的作用是明顯的。大氣孔不利于降低熱傳遞能力[6]。

綜上所述，當(dāng)采用工藝一時，發(fā)泡劑在水中可以充分釋放發(fā)泡能力，氣泡數(shù)量多且稠密。與料漿充分攪拌的過程中，在外力的作用下，大量薄壁氣泡被打破。小氣泡在外力的作用下難以獨立存在，聚集成為較大的氣泡存在料漿中。大氣泡之間存在由細小氣泡組成的密實區(qū)域較薄，從而導(dǎo)致試樣的力學(xué)強度下降。雖然試樣的體積密度較小，但坯體內(nèi)部存在較多大直徑氣泡，熱量在坯體內(nèi)部傳遞的路徑變短，影響了試樣的保溫能力；相比之下，采用工藝二時，在攪拌的過程中由于料漿的粘度大，多數(shù)以小氣泡的形式存在料漿中。發(fā)泡劑細小的孔洞大量分布在坯體內(nèi)部，直徑較大的氣泡在坯體中分布較少，卻獨立存在于坯體中，從而增強了試樣的力學(xué)強度。同時由于坯體中存在著微小的氣孔，使熱量在坯體內(nèi)部傳遞的路徑變長，試樣具有較小的導(dǎo)熱系數(shù)。

3 結(jié) 論

（1）通過調(diào)整發(fā)泡劑的加入量，控制適宜的攪拌時間和速度，采用泥漿直接起泡方式，可以制備出性能優(yōu)良的超輕質(zhì)微孔莫來石發(fā)泡隔熱材料。

（2）不同的起泡制備方法，影響莫來石發(fā)泡隔熱材料的體積密度、重?zé)€變化、強度以及導(dǎo)熱系數(shù)等性能。針對不同性能要求，可采用不同的制作方式，以滿足實際使用的需要。

（3）通過顯微結(jié)構(gòu)觀察，采用泥漿直接起泡制備方法，可以制備出高強微孔發(fā)泡隔熱材料。