發泡陶瓷坯料化學組分的研究現狀

宋晚玉，王慧賢（通信作者），王今華，張 冰

（1華北水利水電大學 河南 鄭州 450045）

（2鄭州大學 河南 鄭州 450001）

0 引言

發泡陶瓷內部是由固相與互不連通的氣相所填充，其骨架呈現三維空間網狀結構，因此質輕高強、防火阻燃、保溫隔熱、安全環保。因其原料來源廣泛、價格低廉等優勢，深受生產和應用企業的廣泛青睞。發泡陶瓷這一概念在19世紀70年代由美國提出，最早用來過濾和提純材料。隨著發泡陶瓷的其他優勢不斷被科研人員發現，在隔熱、吸音、光電、防震、化工及環境生物等其他領域也有著廣泛的發展前景[1-2]，對于絕熱緣型發泡陶瓷，更是涉及了航空航天領域，其廣泛的應用掀起了全世界材料行業制備發泡陶瓷這股浪潮。

目前固體廢棄物是我國亟需解決的一大難題，在我國大力倡導“推動建筑節能減排，加快綠色建筑發展”的政策指引下，利用發泡陶瓷消納固體廢棄物也成了近年來的研究熱點。由于固體廢棄物種類繁雜，傳統的發泡陶瓷配方設計主要從原材料入手，通過多次試驗優化而來，這就會造成試驗周期長，造價成本過高，給發泡陶瓷配方設計帶來了一定的困難。本文通過發泡陶瓷國內外的研究現狀，基于坯料化學組分的設計觀點，提出了發泡陶瓷坯料化學組分與發泡陶瓷性能的關系，為今后發泡陶瓷配方設計提供一種新思路。

1 發泡陶瓷的研究現狀

為了發泡陶瓷綠色化、低成本制備，眾多研究人員發現可以利用不同固體廢棄物作為發泡陶瓷的主要原料來源，其中主要原料來源包括各種尾礦、煤矸石、粉煤灰、花崗巖廢料以及廢渣等[3]。

周明凱等[4]以粉煤灰作為主要原料，長石、碎玻璃充當助熔劑。利用鉻渣代替部分粉煤灰，碎玻璃替換部分長石，討論鉻渣與碎玻璃對發泡陶瓷性能的影響。研究結果表明：適當的鉻渣摻量有利于發泡陶瓷性能的提高，當鉻渣摻量為10%時，抗壓強度可以達到8.11 MPa，體積密度達到368.54 kg/m3；摻加碎玻璃對發泡陶瓷性能影響不明顯。

譚洪波等[5]使用黃姜廢渣為基料，利用麻城石粉去調節整個配方體系中硅含量占比，SiC為發泡劑，探討制備工藝、材料組成對發泡陶瓷性能的影響。經過多次試驗得到最優的升溫速率（5 ℃/min）、燒成溫度（1 130 ℃）、成型壓力（1 MPa）、發泡劑摻量（0.5%）、石粉摻量（40%），以此將會得到性能優良的發泡陶瓷。試驗發現石粉摻量與孔徑大小及均勻性有較密關系。

趙威等[6]利用鉬尾礦作為主要原料，鉀鈉石粉、粘土為輔助原料，制備了輕質保溫發泡陶瓷墻體材料，研究了原料不同摻量的配比、發泡劑的添加量以及燒成溫度等因素對發泡陶瓷性能的影響規律。研究表明：鉬尾礦的最佳摻量為40%，SiC最佳外摻量為0.4%；在燒成溫度為1 150 ℃，保溫30 min條件下，制得了抗壓強度為6.5 MPa，體積密度為0.67 g/cm3，吸水率為8.7%，導熱系數為0.13 W/(m K)的發泡陶瓷保溫墻體材料。

婁廣輝等[7]采用煤矸石、赤泥和廢玻璃為原料，MnO2為發泡劑，硼砂為助熔劑，Na3PO4為穩泡劑，得到的最佳配方為煤矸石占38.10%、赤泥占21.90%、廢玻璃占40%，再加上3%的MnO2，2%的Na3PO4、2%的硼砂，最佳燒成溫度為950 ℃，保溫30 min條件下，發泡陶瓷的吸水率為2.95%、表觀密度為0.589 g/cm3。

李嘉昊等[8]用紫色頁巖、含鈦高爐渣作為主要原料，硼砂為助熔性物質，碳化硅為發泡劑，討論原料配方、助熔劑摻量與發泡陶瓷氣孔率、閉孔率、孔徑分布、表觀密度、抗壓強度、導熱系數之間的影響規律。研究結果表明：當含鈦高爐渣占比增加時，將會導致平均氣孔孔徑增大，呈現氣孔不均勻性，這是由于含鈦高爐渣的增加使SO2含量下降，破壞了［SO4］骨架，以及MgO、TiO2含量的上升，破壞了整體的黏性。因此，含鈦高爐渣摻量為30%，硼砂添加量為4%，SiC為0.2%，將會得到2.59 MPa的抗壓之間的關系，并以此為基礎制備出了孔隙率為35%的發泡陶瓷磚。

Hasheminia等[9]利用廢玻璃為主要原料，SiC為發泡劑，探討不同摻量的PbO與陶瓷性能之間的關系，在基礎配方上，外摻2 wt%的SiC，15 wt%的PbO。試驗結果發現：PbO可以拓展液相產生溫度區間，并且提高SiC產生氣泡的能力，增強粘結性，制備出泡沫玻璃，樣品表觀密度為0.5 g/cm3。

2 發泡陶瓷坯料的化學組分研究現狀

發泡陶瓷坯料的化學組分影響高溫液相量、液相粘度、燒成溫度、表面張力等，從而影響發泡陶瓷的性能，各文獻中不同發泡陶瓷的配方體系化學組分含量如表1所示。

由上表1可知，可用于制備發泡陶瓷的主要氧化物組分大多數為SiO2、Al2O3，并含有少量的熔劑性堿金屬氧化物等，但不同文獻中涉及的化學組成含量卻大相徑庭。目前關于發泡陶瓷化學組分與性能關系的研究主要針對上述7種化學組分。

2.1 SiO2

SiO2含量約占到整個發泡陶瓷組分含量的一半，甚至會更多，并且晶相結構能夠作為整個玻璃相中的骨架結構。一般來說，含量占比約為40%～75%。李偉光等[10]研究發現隨著SiO2含量的遞增，將會整體提高產生液相的溫度和粘度，進而導致增強影響發泡的阻力，產生很多大小不一的氣孔，致使發泡陶瓷的表觀密度增加，抗壓強度降低。因此，SiO2的含量不宜過多。

2.2 Al2O3

在整個發泡陶瓷化學組分中Al2O3含量排在第二位，不少研究人員發現Al2O3會顯著提高燒成溫度，表面張力以及液相黏度。彭麗芬等[11]在考慮Al2O3摻量與孔結構的關系時，發現Al2O3可以減少燒成溫度對孔徑的影響，表明Al2O3具有穩定氣孔孔徑的作用，并且指出Al2O3對于發泡陶瓷的強度也有一定的增強作用。葛雪祥等[3]研究了Al2O3/SiO2比值與發泡陶瓷性能之間的關系，通過大量試驗發現隨著Al2O3/SiO2比值增大，對發泡溫度起到了提高的作用，并且擴大了發泡溫度的范圍，提高了發泡陶瓷的比強度，當Al2O3含量處于22～26 wt%時，有助于制備出高強微孔的發泡陶瓷。

2.3 堿金屬氧化物

Na2O、K2O在制備發泡陶瓷中充當助熔的角色，能夠有效地降低燒成溫度，增加液相量。馬子鈞等[12]發現Na2O有利于玻璃相的形成，若摻量過多將導致氣泡從液相中逸出，從而不同氣孔融合，導致氣孔孔徑相差過大，對發泡陶瓷強度造成減弱的影響，因此Na2O的摻量最好不超過10.97 wt%。Wang等[13]利用Na3PO4分解出來的Na2O，用來充當強助熔劑，研究表明Na2O可以降低液相出現的溫度，促進發泡劑SiC的分解。

葛雪祥等[3]經過試驗發現K2O含量在2～8 wt%變化時，K2O含量與氣孔孔徑成正比關系，與體積密度成反比關系，在低溫狀態下可以促進液相的產生；但當K2O含量為10 wt%時，形成了高熔點的白榴石晶相，在低溫下液相不易形成，因此氣孔的生長受到了阻礙。

2.4 堿土金屬氧化物

張勇林等[14]引入硅灰石與滑石，硅灰石是一種富含CaO的物質，理論含量為48.25%，滑石中MgO的理論含量達到31.88%；試驗發現隨著硅灰石和滑石摻量的遞增，燒結密度均出現了下降的趨勢。當兩者摻量均大于3%時，滑石組燒結密度再次降低，硅灰石卻出現稍微上升的趨勢，這是由于CaO降低熔體粘度的能力要強于MgO，CaO比MgO易保持氣孔的穩定，使氣孔生長速率均勻，不易造成氣孔結構的惡化。

2.5 Fe2O3

Fe2O3既是一種高溫助熔劑又是氧化劑，不僅可以降低液相產生溫度，而且可以促進發泡劑氧化反應。Abbasi等[15]研究發現Fe2O3可以減慢發泡劑分解氣體的速率，有效控制氣孔孔徑的均勻性，Fe2O3在其中起到氧化劑的作用。劉永峰等[16]發現當用SiC作為發泡劑時，Fe2O3對于氣孔孔徑具有一定的調節作用，氣孔的大小與Fe2O3含量呈反比關系。

綜上所述，發泡陶瓷性能與發泡陶瓷坯料化學組分之間存在著密不可分的關系，在現有的研究基礎之上，建立起發泡陶瓷性能與坯料化學組分的關系是今后發泡陶瓷配方設計的理論基礎。

3 坯料組分設計存在的問題

3.1 化學組分復雜

傳統的發泡陶瓷大多數以工業固體廢棄物作為主要原料來源，然而不同固體廢棄物化學組分相差過大，因此導致發泡陶瓷坯料化學組分復雜，給發泡陶瓷配方設計帶來了一定的難度。

3.2 實用性差

利用坯料化學組分指導發泡陶瓷的配方設計具有良好的工業價值，但在生產實踐中存在一定的局限性，這是由于不同原料中的化學組分含量對發泡陶瓷性能的影響存在差別。

3.3 存在安全隱患

目前文獻中涉及的能夠制備出發泡陶瓷的原材料偏向于一些重金屬物質，這些重金屬物質中含有一定的放射性，對環境安全與綠色環保等均存在一定的安全隱患。

4 結語

現如今，我國環境倡導綠色生態可持續發展理念，尋求固體廢棄物的最大化研究和利用來緩解資源能耗帶來的一系列問題，眾多國內外研究人員發現將固體廢棄物應用到發泡陶瓷中具有很大的發展前景。發泡陶瓷坯料組分設計研究一方面可以給配方設計提供一定的理論參考，另一方面也可以為發泡陶瓷原材料的選擇提供一定的理論與應用價值。