花崗巖廢料基閉孔發泡陶瓷的正交試驗研究

2020-09-12 04:28:00詹學武邢益強吳曉鵬崔杏輝潘孟博杜浩然戚文豪馬成良

硅酸鹽通報 2020年8期

詹學武，邢益強，吳曉鵬，崔杏輝，潘孟博，杜浩然，戚文豪，趙飛，馬成良

(鄭州大學材料科學與工程學院，河南省高溫功能材料重點實驗室，鄭州 450052)

0 引言

作為多孔材料，發泡陶瓷具有連續三維空間網架結構的多孔結構，被稱為“被鋼化了的泡沫塑料”或“被瓷化了的海綿體”[1]。發泡陶瓷在建筑、工業耐火保溫等領域具有廣闊應用前景。根據氣孔是否具有固體壁面，發泡陶瓷可分為開孔發泡陶瓷和閉孔發泡陶瓷[2-3]。在建筑領域，閉口微孔發泡陶瓷具有輕質、高強、防火、隔熱等功能，可以作為一種新型的無機類建筑隔墻材料，在裝配式建筑領域具有廣闊應用前景[4]。2014年住建部發布的《建筑產業現代化發展綱要》指出，到2025年裝配式建筑占新建建筑的比例將達到50%以上[5]。市場預測在未來5年左右時間內，發泡陶瓷隔墻板的市場需求量將達到25億平方米[6]。

花崗巖廢料是石材加工企業排放的主要固體廢棄物之一?；◢弾r石料在加工后大約一半成為了花崗巖廢料[7]，其中約20%～30%的廢料為石粉和切削廢料[8]。露天堆積或填埋花崗巖廢料會對附近的空氣、土壤、水源等造成嚴重污染。近年來，隨著人們保護環境和節約資源的意識增強，資源化利用花崗巖廢料受到廣泛的關注。Vijayalakshmi等[9]發現以花崗巖石粉替代混凝土中15%的天然砂有利于混凝土強度和耐久性的提升。Jiang等[10]以花崗巖廢料為主要原料，添加1wt%的SiC為發泡劑，高溫制備出體積密度為237.4 kg/m3的泡沫陶瓷，并有望用于建筑外墻保溫材料。鄒傳明等[11]以花崗巖廢料為原料，通過粉體表面改性和添加燒結助劑的方式提高粉體燒結活性，制備出了最大抗彎強度為143 MPa，斷裂韌性為2.1 MPa·m1/2的致密高強微晶玻璃。Jorge等[12]研究了在1 300 ℃下煅燒含有花崗巖污泥的混合物以制備無機顏料，并將得到的粉末添加到不同的陶瓷基材中,評估了它們的著色強度和熱穩定性，結果表明該無機顏料熱穩定性良好，可以為陶瓷釉料和漿料著色，在陶瓷和陶器釉料中有廣闊應用前景。目前已有基于花崗巖廢料制備發泡陶瓷的文獻報道，但該類發泡陶瓷以開口氣孔居多，抗壓強度較低，只能作為建筑保溫材料使用，無法直接作為裝配式建筑的隔墻材料。本文以花崗巖廢料為主要原料，采用高溫發泡的原理制備閉孔發泡陶瓷，通過正交試驗的方法優化出基礎制備方案，為裝配式建筑發泡陶瓷隔墻板的發展助力。

1 實驗

1.1 實驗原料

實驗主要原料是花崗巖廢料，為河南南陽某石材加工企業加工花崗巖板材產生的花崗巖的邊角廢料。花崗巖廢料經過破碎、球磨后得到D(50)為30.3 μm的花崗巖細粉。高溫發泡劑碳化硅(SiC)微粉的D(50)為6.5 μm，純度為98.5%。實驗用到的黏土和糊精分別取自鄭州耐火材料企業。

表1為花崗巖廢料和黏土的化學分析結果。由表可知，花崗巖廢料化學成分主要是SiO2和Al2O3，其次還含有Fe、K、Na等元素。花崗巖廢料中燒失揮發性成分較少。圖1為花崗巖廢料物相分析結果。由圖可知，花崗巖廢料中石英的特征峰明顯，化學分析結果中Si元素主要以石英的形式存在?；◢弾r廢料中還含有部分的鈉長石和微斜長石，二者的存在有助于降低花崗巖廢料的熔點。

表1 主要原料的主要化學成分Table 1 Main chemical composition of the main raw materials /wt%

圖1 花崗巖廢料XRD譜Fig.1 XRD pattern of granite scraps

1.2 試驗設計

實驗采用正交試驗[13]方法研究花崗巖廢料發泡陶瓷的優化方案。表2為正交試驗的因素水平。正交試驗的考察因素為燒成溫度(A)、保溫時間(B)、SiC用量(C)和花崗巖廢料用量(D)，各因素有三個水平，且不考慮各因素之間的交互作用。

1.3 實驗過程

表面清潔后的花崗巖廢料經過破碎、球磨、均化后得到花崗巖廢料細粉?；◢弾r廢料細粉、黏土和SiC按照一定的比例配料后加入60%的水，濕混2 h得到混合后的料漿。料漿經干燥、壓碎后，加入3wt%糊精混合均勻得到混合料?；旌狭现屑尤?5%的水，手工造粒得到粒度在70目到20目的顆粒。顆粒干燥后，稱取120 g自由堆積在100 mm×100 mm×40 mm的氧化鋁坩堝中，震實并刮平表面，連同坩堝轉移至高溫爐內，以5 ℃/min的升溫速率達到實驗設定燒成溫度，并在空氣氣氛下完成燒成，隨爐冷卻至室溫，得到發泡陶瓷試樣。試樣脫模后，利用鉆樣機鉆取直徑為50 mm的圓柱樣，并將其兩端磨平，得到檢測樣品，用于后續性能檢測。工藝流程如圖2所示。

表2 正交試驗因素水平Table 2 Factors and levels of the orthogonal experiment

圖2 工藝流程圖Fig.2 Process flow chart

1.4 性能表征

采用荷蘭PHILIPS公司的Philips X’pert Pro型X射線衍射分析儀(XRD)對實驗原料和樣品進行物相分析，掃描范圍2θ=10°～80°；采用德國蔡司公司ZEISS EVO HD15型掃描電子顯微鏡(SEM)對樣品進行顯微結構分析；采用Hotdisk TPS 2500S型熱常數分析儀對樣品進行常溫導熱系數測定，探測深度為10 mm。樣品的表觀密度、吸水率和抗壓強度，根據GB/T 5486—2008《無機硬質絕熱制品實驗方法》測定。試樣閉口氣孔率計算方法按照公式(1)進行：

Pc=(Pt-Po)×100%

(1)

式中：Pc為試樣的閉口氣孔率，%；Pt為試樣的真氣孔率，%；Po為試樣的開口氣孔率，%。

2 結果與討論

2.1 正交試驗方案與結果

正交試驗分別以表觀密度、吸水率、抗壓強度為評價指標。表3為正交試驗方案與試驗結果。圖3為各組正交試驗樣品。

表3 正交試驗方案與結果Table 3 Arrangement and results of the orthogonal experiment

圖3 正交試驗樣品Fig.3 Samples of orthogonal experiment

(1)表觀密度

四個因素對表觀密度的影響力從大到小依次是燒成溫度(A)、花崗巖廢料用量(D)、保溫時間(B)、SiC用量(C)。燒成溫度對發泡陶瓷的表觀密度影響最大，隨著燒成溫度的提高，高溫液相粘度降低，坯體更易發生膨脹，導致表觀密度明顯降低。發泡陶瓷為輕質材料，在一定抗壓強度范圍內表觀密度越低越好。針對表觀密度指標分析得出的優化方案是：燒成溫度為1 220 ℃，保溫時間為70 min，SiC用量為1.0wt%，花崗巖廢料用量為95wt%。

(2)吸水率

四個因素對吸水率的影響力從大到小依次是保溫時間(B)、花崗巖廢料用量(D)、SiC用量(C)、燒成溫度(A)。保溫時間對發泡陶瓷吸水率影響最大，隨著保溫時間的延長，高溫液相包裹氣體形成的氣泡有足夠的時間發生合并，導致氣孔增大，開口氣孔數量增加。開口氣孔的形成導致發泡陶瓷吸水率增加。作為建筑材料，發泡陶瓷的吸水率越低越好。針對吸水率指標分析得到的優化方案是：燒成溫度為1 160 ℃，保溫時間為50 min，SiC用量為1.0wt%，花崗巖廢料用量為90wt%。

(3)抗壓強度

四個因素對抗壓強度的影響力從大到小依次是燒成溫度(A)、保溫時間(B)、花崗巖廢料用量(D)、SiC用量(C)。隨著燒成溫度的提高，發泡陶瓷表觀密度降低，樣品受壓時有效受壓面積減少，導致抗壓強度明顯降低。發泡陶瓷抗壓強度在一定的表觀密度下越高越好，而合理的氣孔率和表觀密度有利于提高發泡陶瓷的抗壓強度。針對抗壓強度指標分析得到的優化方案是：燒成溫度為1 180 ℃，保溫時間為30 min，SiC用量為0.8wt%，花崗巖廢料用量為85wt%。

2.2 因素的水平變化對指標的影響

圖4為燒成溫度對發泡陶瓷三種性能的因素水平影響。在高溫發泡陶瓷的制備過程中，燒成溫度是至關重要的影響因素。在確定燒成溫度時既要考慮產品性能，也要減少能源消耗，確保經濟效益。由圖4可知,隨著燒成溫度的增加，發泡陶瓷的表觀密度和抗壓強度急劇下降，而吸水率逐漸增加。事實上，過高的燒成溫度獲得的低密度發泡陶瓷因為強度較低而不能作為隔墻板材料使用。綜合分析，將燒成溫度設定為1 200 ℃。

圖4 燒成溫度對性能的影響Fig.4 Effect of firing temperature on performances

圖5 保溫時間對性能的影響Fig.5 Effect of holding time on performances

圖5為保溫時間對發泡陶瓷三種性能的因素水平影響。由圖可知,隨著保溫時間的延長，發泡陶瓷的表觀密度和抗壓強度都降低，而吸水率降速較快，但是保溫時間超過50 min后，吸水率基本不變，約為4.31%。當保溫時間為30 min時，表觀密度為0.56 g/cm3，吸水率為7.39%，抗壓強度為8.4 MPa，基本符合性能要求。

圖6為SiC用量對發泡陶瓷三種性能的因素水平影響。由圖可知，隨著SiC用量由0.6wt%增加至1.0wt%，表觀密度和抗壓強度連續下降，而吸水率先下降后急劇增加。當SiC用量為0.8wt%時，發泡陶瓷樣品的吸水率達到最低值，為2.2%。SiC用量過多導致產生過量的氣體，致使樣品中出現開口氣孔，所以吸水率急劇增加。SiC是重要的工業原料，SiC用量過高使生產成本增加。綜合分析，SiC的適宜用量為0.8wt%。

圖7為花崗巖廢料用量對發泡陶瓷三種性能的因素水平影響。由圖可知,隨著花崗巖廢料用量的增加，發泡陶瓷的表觀密度和吸水率下降。而抗壓強度隨著花崗巖廢料用量的增加先稍有增加，隨后又下降。花崗巖廢料用量為90wt%時，抗壓強度出現最大值，為6.1 MPa?？箟簭姸入S著花崗巖廢料用量的變化而變化，可能與坯體化學成分的變化有關。花崗巖廢料是一種大宗廢料，因此在利用花崗巖廢料為原料制備發泡陶瓷時，應本著最大化利用花崗巖廢料的原則。綜合考慮花崗巖廢料的合適用量為90wt%。

圖6 SiC用量對性能的影響Fig.6 Effect of SiC content on performances

圖7 花崗巖廢料用量對性能的影響Fig.7 Effect of granite scraps content on performances

2.3 優化方案實驗

發泡陶瓷的制備和生產過程受諸多因素影響，綜合考慮后將花崗巖廢料發泡陶瓷的優化方案設定為：燒成溫度為1 200 ℃，保溫時間為30 min，SiC用量為0.8wt%，花崗巖廢料用量為90wt%。

由于上述優化方案不在正交試驗序列中，按照優化方案燒成樣品的內部圖像如圖8所示。優化后樣品性能檢測結果如表4所示。該樣品表觀密度為0.48 g/cm3，閉口氣孔率為73.27%，吸水率為1.74%，抗壓強度為7.2 MPa，導熱系數為0.12 W/(m·K)。對比發現，優化方案發泡陶瓷的主要性能完全符合企業技術指標[14]。圖9為優化后燒成樣品的物相分析結果。由圖可知，樣品結晶情況良好，物相特征峰明顯，主要物相是石英，次要物相為赤鐵礦和鈉長石。

圖8 優化后燒成樣品Fig.8 Fired sample after optimization

圖9 優化后燒成樣品XRD譜Fig.9 XRD pattern of fired sample after optimization

表4 優化后燒成樣品性能Table 4 Performances of fired sample after optimization

圖10為優化后樣品SEM照片。發泡陶瓷內部氣孔主要由大氣孔(孔徑約0.58～1.30 mm)和小氣孔(孔徑約0.02～0.16 mm)組成。如圖10(a)所示，大氣孔之間相互獨立，孔壁表面光滑、完整，存在極少數的小孔。如圖10(b)所示，孔壁內部封閉了大量的微小氣孔，這些微小氣孔孔徑分布不均勻，但都孤立存在?？妆趦任⑿饪椎拇嬖谶M一步提高發泡陶瓷的閉口氣孔率。