硅藻土制備無機裝飾板材的研究進展

童軍 韋華 劉蕊蕊 冀志江 王靜

（1湖北格林森綠色環保材料股份有限公司，湖北 武漢 430200；2中國建筑材料科學研究總院 綠色建筑材料國家重點實驗室，北京 100024）

0 前言

在人們日益增長對美好生活的需求的今天，社會和消費者對于居住環境已經不滿足于片瓦遮頭的原始概念，而是提出了更高的標準，人性化、適應性、藝術感以及健康、綠色、環保如今成為消費者考量的指標。現有的室內墻面裝飾裝修大部分采用乳膠漆、壁紙墻布等，然而存在不具環保性、易釋放有害氣體的問題。目前具有環保型、功能性和藝術性的內墻裝飾板成為關注的亮點，以硅藻土為主要原料開發的礦物生態板材以其具有輕質、保溫、調濕、吸附有害氣體、抗菌等多功能性被人們認可與關注，解決了現有板材環保安全使用的問題，還增加了功能性和立體裝飾效果。

硅藻土是一種生物成因的硅質沉積巖，其主要成分為非晶質的二氧化硅，并伴有少量的金屬氧化物、鹽類和有機質等[1]。硅藻土質地輕軟、耐酸耐堿，具有獨特的多孔結構，孔隙率達90%以上，比表面積達65m2/g，展現較強的吸附性能，可作為硅質材料生產硅酸鹽制品。將硅藻土制成硅藻土基板材，是充分利用硅藻土的多孔結構特性制備多功能的環保型建筑材料。

目前硅藻土制備的無機裝飾板材種類較多，包括硅藻保溫板、硅藻土消音板、硅藻石膏板、硅藻生態板、硅藻裝飾板、藻鈣板等[2-3]，但這些板材的形成機理絕大多數和硅酸鈣板的形成機理相似，因此本文重點介紹硅藻土制備的硅酸鈣板的形成機理以及生產制備工藝，闡述硅藻土制備無機裝飾板材的研究現狀，探討無機裝飾板材物理化學性能的影響因素，并對其應用及存在的問題進行展望。

1 硅酸鈣板的形成機理與生產制備工藝

以硅質（硅藻土）、鈣質材料為主要膠結材料，無機礦物纖維或纖維素纖維等纖維為增強材料，經成型、加壓（或非加壓）、蒸壓養護制成的板材稱硅酸鈣板。與傳統的建筑板材相比，硅酸鈣板具有的優越性能主要是由于托貝莫來石的產生，其屬于CaO-SiO2-H2O系統中合成的一種結晶性的硅酸鈣水化物。目前，實際生產中常用水泥或石膏代替熟石灰，作為膠凝材料促進板材的成型，因此可能形成CaOSiO2-Al2O3-H2O四元反應系統或CaO-SiO2-Al2O3-CaSO4-H2O五元反應系統，最終形成托貝莫來石、硅酸鈣水合物CSH以及鋁的硅酸鈣水合物等成分，從而保證了硅酸鈣板良好的物理和力學性能。

據文獻調研，托貝莫來石型硅酸鈣板的生產工藝主要有兩種[4]，國內一般采用的是靜態壓制法，日本主要采用的是三菱化合成法，相應的生產工藝流程圖見圖1所示。

硅酸鈣板在進蒸壓釜之前先要進行預養護階段，緊接著將板材放入蒸壓釜中，此時硅酸鈣板中含有30%的水分，這些水分在氫氧化鈣和二氧化硅顆粒表面形成一層水薄膜，該薄膜主要是由氫氧化鈣和二氧化硅的飽和溶液組成。因此氫氧化鈣和二氧化硅的反應主要是在該水相中進行的，其反應的特點是在固定的液相中進行。在蒸壓養護的初期，氫氧化鈣和二氧化硅反應生成高堿度的水化硅酸鈣C2SH，隨著反應的進行，生成了大量的C2SH凝膠，因此氫氧化鈣和二氧化硅不斷地溶解，最終氫氧化鈣被二氧化硅全部反應，由于高堿度的水化硅酸鈣不穩定，會繼續與二氧化硅反應生成低堿度的硅酸鈣水合物CSH，因此只要有氫氧化鈣存在，C2SH凝膠就會不斷析出，從而不斷轉變成低堿度CSH凝膠，最終生成托貝莫來石型硅酸鈣水合物。隨著反應的進一步進行，硅酸鈣水合物凝膠之間出現接觸點，使不同地方的晶粒連接成一個骨架，填充于基料間，由此形成了具有一定強度的硅酸鈣板。

圖1 硅酸鈣板生產工藝流程圖

2 硅藻土制備無機裝飾板的研究現狀

水熱合成方法是硅藻土制備硅酸鈣板常用的制備方法。Hirotaka Maeda等人[5]以硅藻土、熟石灰和磷酸三鈣（比例為50：40：10）為原料，在壓制壓力為5MPa、水熱溫度180oC、水熱時間10h條件下制備了硅酸鈣板，XRD檢測結果證明了托貝莫來石峰的存在，SEM結果表明產品呈現斷面形貌，不僅有片狀，還有柱狀，進一步證明了托貝莫來石型硅酸鈣水合物的形成，獲得的板材強度可達到9MPa，且比表面積較大。

白濤等人[6]以硅藻土、消石灰和水為主要原料，通過模壓成型與水熱固化等工藝結合，制備了一種以硅藻土為功能組分的輕質建筑板材，在表觀密度為0.85g/cm3時，硅藻土基多功能板材的抗折強度可達1.62MPa，即使在0.50g/cm3左右密度下的力學強度也可與石膏天花板相當，相應的導熱系數可低至0.0671W/（m·K）；進一步分析測試表明，該板材由于硅藻土的多孔結構，同時具備顯著的吸/放濕容量及甲醛吸附能力。說明以硅藻土為功能組分，采用適當生產工藝可以得到輕質、高強、保溫、調濕、吸附甲醛等功能一體化的新型建筑板材，滿足建筑室內裝飾裝修需要。

李清海等人[7]在水熱合成條件下研究了不同硅質材料（主要是石英砂和硅藻土）對硅酸鈣板性能的影響及其產生微觀結構的差異，對制成的無增強材料的硅酸鈣板的組成、性能以及微觀結構等方面進行了系統研究，得出結論如下：1）以硅藻土為硅質材料制得的硅酸鈣板材的抗折強度優于以石英砂為硅質材料制得的板材，然而前者熱收縮性能比后者差；2）不同硅質材料所含SiO2活性不同，硅藻土最佳鈣硅比為0.6-0.7，而石英砂最佳鈣硅比為0.65-0.8；3）以石英砂為硅質材料水熱反應有托貝莫來石形成，而以硅藻土為硅質材料水熱反應后沒有形成托貝莫來石。

韋華等人[8]以硅藻粉（硅藻土、TiO2、無機礦物）、石膏類鈣質材料為原料在液態介質（由無機內摻型硅醇鉀、檸檬酸鈉、硫酸鋁鉀、水復配而成）下，加入玻璃纖維增強劑，采用澆注成型的方法制備了一種能凈化空氣的藻鈣生態板，通過設計正交試驗確定藻鈣復合材料優化方案及表面處理工藝，獲得最佳板材的斷裂荷載大于300N，甲醛凈化率達95%，藻鈣生態板的高強度歸因于玻璃纖維的添加。

梁興榮等人[9]以硅藻土為原料制備硅酸鈣板，并對其進行性能的研究，發現可以通過硅藻土加入量的不同制備出容重小于0.95g/cm3、導熱系數小于0.16W/（m·K）的板材產品，并證明了木纖維摻量的增加能夠明顯降低導熱系數，但是硅酸鈣板抗折強度明顯降低，影響力學性能。

夏惠鳳等人[10]將硅藻土作為主要硅質材料用于纖維增強硅酸鈣板的生產，并且分別以砂和硅藻土作為主要硅質材料生產纖維增強硅酸鈣板，分析對比了產品性能的差異，研究表明硅藻土和砂制板工藝沒有明顯差異，但是硅藻土在制板成型時真空脫水參數應有所提高；硅藻土的加入會降低板材的強度，板材的含水率、吸水率和孔隙率都會增加。該研究中產品的最佳硅藻土摻入量為50%。

基于以上討論可知，硅藻土含量、增強纖維、Ca/Si比、反應工藝條件、表面處理等參數都影響著無機裝飾板材的結構以及物理化學性能，尤其是硅藻土含量不僅影響力學性能（抗折強度），硅藻土的加入還會影響產品的吸水性、含水性、凈化性等性能；還有不同成型壓力、蒸氧時間和蒸氧壓力也影響硅酸鈣板的力學性能。因此，合理設計工藝路徑對于無機裝飾板材性能的提升具有重要的意義。

3 硅藻土制備的無機裝飾板的應用及展望

3.1 公共建筑空間集成系統

公共建筑空間集成系統應用主要包括吊頂、墻面、墻頂集成、隔斷、玄關、背景墻，廣泛應用于大型辦公、醫院、酒店、商場、學校、文物保護所、大劇院、專業廠房等場所。硅藻土制備的無機裝飾板的肌理紋設計、豐富的工藝塑造以及鏤花（鏤空）造型、配套龍骨與集成照明、暖通、安防等集成組件為公共建筑空間開創集成新時代，其特有的功能性詮釋了人、空間、生活的健康主題。

1）公共辦公場所：創造一個舒適、清潔、安全、高效的工作環境，硅藻土制備的無機裝飾板材將從溫濕度調節、有害氣體捕捉及持續凈化、負離子釋放等方面改善和提高室內空氣質量，顯著沉降空間內微小粉塵并起到抗菌抑菌作用。

2）酒店與商場：從古老的元素符號、鏤空花雕裝飾、現代簡約組合吸音，結合色彩、燈光、采暖等集成技術，無限表達特定的文化內涵，實現設計的隱喻性、暗示性和敘述性，以飽滿、對稱、平衡、安詳的特色，以凝重而流暢，精致而典雅風格，實現以空間為載體帶給感官視覺沖擊效果，營造顧客置身其中的氛圍體驗。

3）對于教室、多媒體廳、圖書館、試驗室等學校室內空間，內在的呼吸性、捕捉性、空氣凈化性、負離子仿生性、吸音降噪性改善室內空間的空氣質量。

4）在博物館、歷史資料館、紀念館、寺廟、圖書館、美術館以及書庫等建筑中，藻鈣材料呼吸功能帶來的自調濕性對古物、古建筑、古書籍的保護起到積極的貢獻。

5）在音樂廳、影劇院、演播廳、會議室、報告廳、體育館、KTV包房等聲學場所和噪聲超標準的廠房，硅藻吸音天花板與硅藻吸音墻板具有吸音降噪的作用。

圖2 格林森墻板

3.2 家裝集成系統

1）入門玄關以呼應為主的第一道風景線過渡到以主題視區的沙發背景墻、電視背景墻、客廳集成疊級吊頂。

2）廚衛集成吊頂：其具備的防潮透氣、消除甲醛、釋放負氧離子、去除異味等特點，給家庭創造一個良好生活環境起到重要作用。

3）應用于起居的臥室背景墻、婚房背景墻、兒童背景墻、老人背景墻等。

3.3 展望及存在的問題

墻體材料覆蓋面廣，生產使用量僅次于混凝土。隨著國家墻材革新與建筑節能政策力度的加大、公眾環保意識的增強，耗費資源、自重大、保溫隔音差的傳統墻材已日漸淡出市場。硅藻土制備的無機裝飾板材具有質輕高強、保溫調濕、隔音美觀、可裝配化施工、機械加工性能好等特點，是室內墻體材料發展的重要方向，在今后的應用中必然占有一席之地。

在實際應用過程中，硅藻土制備的無機裝飾板材仍存在以下問題：1）應用性能有待進一步提升，例如經常出現表面平整度差、裂縫、起皮，吸水率過高，吸水后板材的強度急劇降低，導熱系數急劇升高等缺點，使得板材的耐久性下降；2）多功能性不能集中，協同增強效果不能實現最大化，工藝設計以及材料功能性賦予仍需深入研究；3）硅藻土基板材的相關標準還沒有建立。以上說明硅藻土板材從工藝設計、功能性開發到性能測試與評價等內容還需要系統研究。