以銨鹽類為發(fā)泡劑制備多孔陶粒試驗

解小娟 羅桂發(fā) 楊博兆 杜曉陽 熊輝 萬賀 左海平 朱恩

摘要：多孔材料的成孔率與其成孔方式、成孔機制密小可分。為研究碳酸氫銨、乙酸銨兩種外加劑對多孔陶粒熱分解機制和成孔形態(tài)的影響，通過對該兩類外加劑陶粒的顯孔率、孔結(jié)構(gòu)微觀形貌分析、吸聲性能、筒壓強度等性能指標(biāo)研究，得到兩種發(fā)泡劑對多孔陶粒成孔的影響規(guī)律。試驗結(jié)果表明：碳酸氫銨和乙酸銨兩種銨鹽類發(fā)泡劑均可用于制備多孔陶粒，制得的多孔陶粒吸聲性能、低頻段吸聲性能均有所提高，且筒壓強度滿足要求，但碳酸氫銨明顯優(yōu)于乙酸銨。要獲得均勻、密集的多孔陶粒，可選質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%的碳酸氫銨為發(fā)泡劑。

關(guān)鍵詞：發(fā)泡劑;多孔吸聲陶粒：孔結(jié)構(gòu);SEM分析

中圖分類號：TB383DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2020.01.010

0引言

多孔材料因其內(nèi)部有大量互相貫通、向外敞開的微孔而具有良好的吸聲性能。常用于形成材料孔隙的方法有：有機泡沫浸漬法、造孔劑法和發(fā)泡法等。張騰等試驗前期對比3種成孔方式，表明前兩種方式成孔過程中的孔隙率、孔徑、孔的開口方向難以控制，不利于研究。己有的研究多是研究發(fā)泡劑摻合量對成孔效果的影響，而對比兩種不同發(fā)泡劑對制備多孔陶粒影響的論文很少，因此，本文選擇兩種外加劑：碳酸氫銨、乙酸銨作為發(fā)泡劑，分別探究其對多孔陶粒成孔機制和孔形態(tài)的影響，并探究其對多孔陶粒的顯孔率、孔結(jié)構(gòu)微觀形貌分析、吸聲性能、筒壓強度等性能指標(biāo)的影響。研究成果為制備吸聲性能優(yōu)良、筒壓強度滿足要求的多孔陶粒提供可靠的理論依據(jù)。

1材料與試驗

1.1原材料

原材料為自主研發(fā)的混合料，配合比見表1，其中粉煤灰為II級，來自柳州電廠;水泥為廣西魚峰水泥股份有限公司生產(chǎn)的標(biāo)號42.5普通硅酸鹽水泥，主要技術(shù)指標(biāo)見表2;選用生石灰、熟石膏作為激發(fā)粉煤灰潛在活性的材料;兩種發(fā)泡劑碳酸氫銨、乙酸氨分析純均由廣東西隴化工股份有限公司生產(chǎn)。

1.2試驗方法

1.2.1材料的制備

按表1配合比得到原材料，控制水料比為0.2，兩種發(fā)泡劑均設(shè)5個質(zhì)量分?jǐn)?shù)：0.0%、0.5%、0.7%、1.0%、2.0%，將原料倒入圓盤造粒機（山東淄博隆星環(huán)保設(shè)備有限公司，WKY500），以一定傾斜角度和轉(zhuǎn)速造粒。成球后放入真空氣氛爐（洛陽力宇窯爐有限公司，JNL-17ZK），以升溫速率為20℃/min、升溫范圍為30～300℃進行熱處理，自然養(yǎng)護28d后，得到陶粒樣品。具體流程圖如圖l所示。

1.2.2材料的表征

1）顯孔率：是指試驗樣品與開口孔的體積占樣品總體積比值的百分?jǐn)?shù)，它是反映多孔材料吸音性能的重要參數(shù)。其中開口孔的體積可以利用阿基米德原理，通過煮沸法測得。

2）微觀形貌

采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡（Sigma 04-55，Zeiss）觀測不同條件下多孔陶粒的孔結(jié)構(gòu)及分布狀況。試驗嚴(yán)格按照掃描電鏡（SEM）分析要求制樣，同時考慮到陶粒不導(dǎo)電，觀測前給樣品噴金兩次共30s。

3）吸聲系數(shù)

采用駐波管法測定吸聲系數(shù)。按照固定配合比，根據(jù)國標(biāo)《駐波管法吸聲系數(shù)與聲阻抗率測量規(guī)范》（GBJ88-85）制作標(biāo)準(zhǔn)試件，采用杭州愛華儀器有限公司的AWA6128駐波管進行試驗。

4）筒壓強度

筒壓強度是衡量陶粒使用性能的一項必要考核指標(biāo)。本試驗嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)《輕集料及其試驗方法》（GB17431.2-2010）制作標(biāo)準(zhǔn)試樣，測其筒壓強度，并取3次試驗值的算術(shù)平均值作為筒壓強度的代表值。

2結(jié)果與分析

2.1顯孔率

表3列出了兩種發(fā)泡劑不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下制備的陶粒試樣的顯孔率值（每組顯孔率值均采用3份樣品測試數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值代表）。由表3可知：

1）隨著兩種發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，顯孔率均呈上升趨勢，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%時顯孔率最高。

2）任何一種質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，發(fā)泡劑NH₄HCO₃的顯孔率均高于CH₃COONH₄。

3）不添加任何發(fā)泡劑，直接對陶粒進行熱處理，雖然比普通陶粒顯孔率略高，但是效果不明顯。

分析上述試驗現(xiàn)象，普通陶粒僅加熱顯孔率約為22%，這是制作過程材料堆積產(chǎn)生的隨機孔隙和養(yǎng)護過程陶粒表面水分散失而至。添加發(fā)泡劑后，發(fā)泡劑在較低的溫度下分解，產(chǎn)生了CO₂、NH₃等氣體，并包裹在顆粒內(nèi)部，在足夠大的氣壓作用下，這些氣體會從顆粒中逸出，變成開口對外的孔隙。由發(fā)泡劑的熱分解機理可知，發(fā)泡劑含量越多，產(chǎn)生的氣體越多，氣體的壓力也越大，因而發(fā)泡劑用量越多，顯孔率越大。

由兩種發(fā)泡劑的化學(xué)反應(yīng)式（1）、式（2）可知，碳酸氫銨在加熱過程中產(chǎn)生H₂O、CO₂、NH₃，3種物質(zhì)均可形成孔隙，而乙酸銨在此過程中只產(chǎn)生一種可形成孔隙的物質(zhì)NH₃，因此發(fā)泡劑NH₄HCO₃的顯孔率均高于CH₃COONH₄。

2.2SEM分析

圖2展出了兩種發(fā)泡劑不同添加量下對應(yīng)的多孔陶粒的外部形貌掃描電子顯微鏡照片（SEM圖像），左邊發(fā)泡劑為碳酸氫銨，右邊發(fā)泡劑為乙酸銨。發(fā)泡劑添加量從0.0%增大至2.0%時（即圖2的縱列圖比較），開口孔的數(shù)量明顯增多，顯孔率明顯增大，這與顯孔率試驗結(jié)果表3展現(xiàn)的試驗數(shù)據(jù)相一致;同時發(fā)泡刺添加量增多，陶粒的外表形貌變得平滑，開口孔分布均勻。在同一發(fā)泡劑用量水平上（即圖2的橫向圖比較）以碳酸氫銨為發(fā)泡劑的陶粒圖2（a）、（c）、（e）、（g）、（i）的開口孔數(shù)量明顯多于后者的陶粒圖2（b）、（d）、（f）、（h）、（i），且孔也越來越均勻、密集。同時可以觀察到以乙酸銨為發(fā)泡劑，質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2.0%時圖片有大量的花菜狀晶體存在，這可能是氫氧化鈣的晶體，這些晶體錯綜復(fù)雜的交織在一起，在晶體的縫隙中，形成大小不一的孔隙。要獲得均勻、密集的多孔陶粒時，可選質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%的碳酸氫銨為發(fā)泡劑，同時控制發(fā)泡劑的添加量可以控制多孔陶粒中孔隙數(shù)量和孔的分布狀況。

2.3吸聲系數(shù)

圖3、圖4為兩種發(fā)泡刺不同添加量下對應(yīng)的多孔陶粒試塊在不同的中心頻率下的吸聲系數(shù)圖。

分析圖3、圖4、表4可知：

1）隨著兩種發(fā)泡劑用量的增加，降噪系數(shù)均呈現(xiàn)增大趨勢且碳酸氫銨發(fā)泡劑組的降噪系數(shù)普遍高于乙酸銨組，碳酸氫銨組的降噪系數(shù)分別為0.39、0.46、0.49、0.50、0.52;乙酸銨組的降噪系數(shù)為0.39、0.42、0.46、0.48、0.49.

2）每種發(fā)泡劑不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下陶粒試塊的吸聲系數(shù)在聲音的低頻區(qū)和高頻區(qū)都有峰值，其中二者的低頻區(qū)峰值點都在500Hz附近，大部分高頻區(qū)的峰值點在1250Hz附近。

3）隨著二者發(fā)泡劑用量的增加，低頻段的吸聲系數(shù)普遍提高。且各質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的兩種發(fā)泡劑在低頻段的吸聲系數(shù)不相上下，因此兩種發(fā)泡劑均可用來改善陶粒試塊低頻段的吸聲性能，質(zhì)量分?jǐn)?shù)均在2.0%時效果最佳。

2.4簡壓強度

兩種發(fā)泡劑不同添加量下對應(yīng)的多孔陶粒筒壓強度見表5.

從表5可知：

1）兩種發(fā)泡劑的添加量都會對陶粒簡壓強度產(chǎn)生影響，并且與顯孔率變化規(guī)律基本成反比關(guān)系。即添加發(fā)泡劑越多，顯孔率越大，筒壓強度越低，且碳酸氫銨組的強度較乙酸銨組低。

2）兩種發(fā)泡劑任意質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的多孔陶粒的簡壓強度都大于2.0MPa，滿足陶粒實際使用要求。

3結(jié)論

1）碳酸氫銨和乙酸銨兩種銨鹽類發(fā)泡劑均可用于制備多孔陶粒，但添加碳酸氫銨的顯孔率略高于乙酸銨。

2）要獲得均勻、密集的多孔陶粒時，可選質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%的碳酸氫銨為發(fā)泡劑。

3）制得的多孔陶粒試塊吸聲性能均有提高，且碳酸氫銨發(fā)泡劑優(yōu)于乙酸銨。兩類添加劑對低頻段的吸聲性能均有很好的改善。

4）兩種銨鹽類發(fā)泡劑任意質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的多孔陶粒的筒壓強度都大于2.0MPa，滿足陶粒實際使用要求。