發泡陶瓷多孔保溫材料的制備及性能影響研究

潘 紅 王 瑾 高子棟 陳瑞稼 張曉雅

（1 山東省產品質量檢驗研究院）

（2 濟南中威檢測技術有限公司)

（3 廣東省建筑材料研究院有限公司）

0 引言

鋸泥是石材切割加工過程中產生的尾料，隨著裝飾石材行業的發展，我國鋸泥儲存量與日俱增，據統計，目前僅山東省日照市五蓮縣鋸泥的產量約為300 萬噸/年[1]。鋸泥成分復雜、且雜質多，目前多以堆放處置為主，既占用了土地資源，又污染了大氣環境和水資源，現有加工人造花崗巖石材、制備建筑用磚和砌塊等資源化利用方式還沒有形成規模，難以消耗鋸泥目前的巨大儲量[2]。

利用花崗巖鋸泥制備建筑外墻保溫用發泡陶瓷多孔保溫材料，既順應國家環保及固體廢棄物資源化利用需求，也符合我國建筑節能與防火設計的要求，有望成為一種有效的鋸泥減量化、資源化利用方式。為此，在前期實驗基礎上，本實驗繼續研究了赤泥以及硝酸鉀、氧化鈣及磷酸氫二鈉等外加劑對發泡陶瓷多孔保溫材料平均孔徑、氣孔率、表觀密度、抗壓強度等性能指標的影響，以探尋有效的發泡陶瓷多孔保溫材料性能優化方式。

1 實驗原料及方案

1.1 實驗原料

⑴花崗巖鋸泥：購自山東日照某石材加工廠，其化學成分見表1。

表1 花崗巖鋸泥的化學成分 （%）

⑵赤泥：購自山東淄博某煉鋁廠，化學成分見表2。

表2 赤泥的化學成分 （%）

⑶發泡劑：碳化硅（SiC），灰綠色，細度0.5～0.7 μm，純度99%，市售。

⑷工業酒精：C2H5OH，無色透明液體，純度95%，市售。

⑸硝酸鉀：KNO3，無色透明斜方晶體，純度99%，市售。

⑹氧化鈣：CaO，白色顆粒狀粉末，純度98%，市售。

⑺磷酸氫二鈉：Na2HPO4，白色結晶性粉末，純度99%，市售。

1.2 試驗方案

以花崗巖鋸泥為主要原料，外摻SiC 發泡劑，采用粉末燒結工藝方法，通過粉磨預處理、攪拌混合、壓片成型、高溫燒結等工序制備一種發泡陶瓷多孔保溫材料。由前期實驗可確定，以花崗巖鋸泥為主要原料的發泡陶瓷多孔保溫材料的最佳燒成溫度為1170℃，最佳保溫時間為30min，SiC 發泡劑的最優外摻量為1%，此條件下試樣的性能最優，其氣孔率為55%，平均孔徑為2.5mm，密度為473㎏/m3，抗壓強度為1.65MPa。為此，本實驗繼續在前期實驗確定的工藝參數及發泡劑摻量下研究赤泥、硝酸鉀、氧化鈣及磷酸氫二鈉對發泡陶瓷多孔保溫材料的影響。

⑴粉磨預處理

采用行星式球磨機對花崗巖鋸泥進行30min 粉磨預處理，原料粉磨干燥后利用震擊式標準振篩機過200目篩以備用。

⑵攪拌混合

按照相應實驗方案中的配比，稱取預處理后的花崗巖鋸泥、SiC 發泡劑、赤泥、硝酸鉀、氧化鈣及磷酸氫二鈉，另加入2 倍原料質量的工業酒精，采用恒速攪拌機混合攪拌15min。

⑶壓片成型

將混合后的原料利用電動粉末壓片機壓片成型，壓力設定為10MPa，成型后的坯體約為直徑3㎝，高度1㎝的圓柱體。

⑷高溫燒結

將壓片成型后的坯體利用高溫爐燒結，燒成溫度為1170℃，保溫時間為30min。

按照表3 方案，設置A、B、C、D 四組試驗，分別考察赤泥、硝酸鉀、氧化鈣及磷酸氫二鈉對發泡陶瓷多孔保溫材料平均孔徑、氣孔率、表觀密度、抗壓強度等性能指標的影響，并分析其影響機理。試驗A1～A4 中，赤泥摻量分別為5%、10%、15%、20%；試驗B1～B4 中，硝酸鉀摻量分別為1%、2%、3%、4%；試驗C1～C3 中，氧化鈣摻量分別為1%、3%、5%；試驗D1～D4 中，磷酸氫二鈉摻量分別為1%、2%、3%、4%。

表3 實驗方案

1.3 測試方法

將燒成后的試樣后處理切割打磨成長、寬為2.0～3.5cm，高為1～2.7cm 的規則長方體，以進行其平均孔徑、氣孔率、表觀密度、抗壓強度性能測試。為使測量結果具有代表性，應取三次測量結果平均值作為各項指標結果值。

1.3.1 表觀密度測試

準確測量后處理切割后的長方體的長l、寬b、高h，計算出其體積V，利用電子天平準確稱量其質量m，則試樣的表觀密度ρ 即可通過公式⑴計算得出。

1.3.2 抗壓強度測試

準確測量后處理切割后的長方體的長l、寬b，然后將后處理切割后的長方體置于萬能材料實驗機上，以（10±1）mm/min 的加荷速度均勻加壓至試樣破壞，記錄最大破壞載荷P，則試樣的抗壓強度C 即可通過公式⑵計算得出。

1.3.3 平均孔徑測試

在后處理的切割規則的長方體試樣表面隨機劃一條直線，如圖1 所示，測量其長度L，然后觀察統計該直線穿過的泡孔數量N，則平均孔徑d 即可通過式⑶計算得出[3]。

圖1 平均孔徑測量示意圖

1.3.4 氣孔率的測量

取一小塊試樣將其研磨成細粉狀，稱取m0（約50g）細粉狀試樣，使用李氏瓶測量其體積V0，按照公式⑷計算其體積密度ρ0；準確測量后處理切割后的長方體的長l、寬b、高h，計算出其體積V，稱量其密度m，按照公式⑸計算其固相體積V1；氣孔率P 即可通過公式⑹計算得出[3]。

2 結果與討論

2.1 赤泥摻量對發泡陶瓷多孔保溫材料性能的影響

不同赤泥摻量對發泡陶瓷多孔保溫材料試樣平均孔徑、氣孔率、表觀密度及抗壓強度的影響如圖2 所示。由圖2 可知，隨著赤泥摻量的增加，試樣的平均孔徑、氣孔率不斷增大，表觀密度、抗壓強度呈現先減小后增大的趨勢。觀察不同赤泥摻量的試樣可知，當赤泥摻量在0～10%之間時，試樣的膨脹程度不斷增大，泡孔孔壁不斷變薄；當赤泥摻量超過10%后，試樣整體開始坍縮，表面出現開孔及凹陷，內部出現連通孔，內部孔結構變得不均勻，孔壁厚薄不一。因此，在確定工藝參數條件下，SiC 摻量為1%時，發泡陶瓷多孔保溫材料中赤泥的最佳摻量為10%。

圖2 赤泥摻量對發泡陶瓷多孔保溫材料性能的影響

赤泥的礦物組成復雜、活性低[4]，由表2 化學成分組成可知，其主要組成成分為Fe2O3、Al2O3，同時還含量較多的Na2O、CaO。赤泥中的這些堿金屬氧化物及堿土金屬氧化物在發泡陶瓷多孔保溫材料的燒結過程中可起到助熔的效果，降低體系的黏度以及表面張力[5]，以利于SiC 更好地發揮發泡效果，使得試樣的膨脹程度不斷提升，平均孔徑和氣孔率不斷增大，與此同時試樣的表觀密度和抗壓強度不斷減小。但是當赤泥的摻量過多時，體系的黏度和表面張力降低的太多，氣泡容易沖破液相黏度的束縛而形成連通孔，同時由于體系的表面張力較低，邊緣的氣泡會沖破表面張力的約束而形成開孔，使得試樣表面出現凹陷，試樣整體出現坍縮，宏觀上表現為試樣密度的增大、抗壓強度的升高。

2.2 硝酸鉀（KNO3）摻量對發泡陶瓷多孔保溫材料性能的影響

不同KNO3摻量對發泡陶瓷多孔保溫材料試樣平均孔徑、氣孔率、表觀密度及抗壓強度的影響如圖3 所示。由圖3 可知，隨著KNO3摻量的增加，試樣的平均孔徑不斷減小，氣孔率先升高后降低，表觀密度和抗壓強度先減小后增大。觀察不同KNO3摻量的試樣橫截面可知，摻加KNO3試樣的內部泡孔孔徑明顯減小，且KNO3摻量越多，泡孔孔徑越小，當KNO3摻量在0～2%時，試樣膨脹程度不斷增強；摻量超過2%后，試樣的膨脹程度不增反降，內部可見泡孔數量大幅度減少。故在最優工藝參數參數條件下，SiC 摻量為1%時，發泡陶瓷多孔保溫材料中KNO3的最佳摻量為2%。

圖3 KNO3 摻量對發泡陶瓷多孔保溫材料性能的影響

在發泡陶瓷多孔保溫材料的流動黏性液相燒結過程中，發泡劑SiC 與空氣或熔體中的活性氧原子反應不夠徹底，而KNO3在高溫條件會發生分解反應產生氧氣，為SiC 氧化還原反應提供額外的氧源，提高SiC 的發泡性能，增強試樣的膨脹程度及氣孔率，使試樣的密度和抗壓強度降低[6]。與此同時，KNO3分解反應會產生K2O，增大熔融液相的黏度，使得熔體中氣泡合并長大的阻力增大，導致試樣平均孔徑的減小。當KNO3熱分解產生的K2O 過多時，熔體的黏度過大，阻礙了熔體中氣泡的成長，抑制了SiC 的發泡效果，降低了試樣的膨脹程度、氣孔率，使得試樣的表觀密度、抗壓強度增大。

2.3 氧化鈣（CaO）摻量對發泡陶瓷多孔保溫材料性能的影響

CaO 摻量對發泡陶瓷多孔保溫材料試樣平均孔徑、氣孔率、表觀密度及抗壓強度影響的實驗結果見圖4。分析圖4 可知，隨著CaO 摻量的增加，試樣的平均孔徑、氣孔率逐漸增大，密度、抗壓強度先降低后升高。觀察不同CaO 摻量的試樣橫截面可知，加入CaO 試樣的泡孔孔徑明顯變大，且隨著CaO 摻量的增多，試樣表面變得光滑、致密，表面開孔數量逐漸增多，內部孔結構逐漸變得不均勻。CaO 摻量在0～3%之間時，試樣膨脹程度不斷變大，CaO 摻量為5%時，試樣整體出現坍縮現象。兼顧考慮到發泡陶瓷保溫材料平均孔徑不宜超過3mm，在確定工藝參數條件下，SiC 摻量為1%時，鋸泥基發泡陶瓷多孔保溫材料中CaO 摻量不宜超過1%。

圖4 CaO 摻量對發泡陶瓷多孔保溫材料性能的影響

在發泡陶瓷多孔保溫材料燒成過程中，細小的SiC顆粒會在其表面形成玻璃態的SiO2膜，通常情況下，SiO2在800～1200℃時會發生晶型轉變而產生體積變化，導致玻璃態SiO2膜遭到破壞，空氣或熔體中的活性氧原子便能夠通過被破壞的SiO2膜同SiC 發生反應[7]。CaO 屬于堿金屬氧化物，熔體中摻入CaO 后，可將玻璃態的SiO2膜包裹起來，從而降低液相熔體的黏度，更有利于泡孔的成長，使得試樣的氣孔率、泡孔直徑增大，表觀密度、抗壓強度降低，同時也會導致試樣表面開孔的數量增多。與赤泥的作用原理一樣，當CaO 摻量過多時，液相熔體黏度降低得太多，導致試樣出現較多內部連通、表面開孔以及整體坍縮現象，最終使得試樣密度的增大、抗壓強度的升高。

2.4 磷酸氫二鈉（Na2HPO4）摻量對發泡陶瓷多孔保溫材料性能的影響

Na2HPO4摻量對發泡陶瓷多孔保溫材料試樣平均孔徑、氣孔率、表觀密度及抗壓強度影響的實驗結果見圖5。分析圖5 可知，隨著Na2HPO4摻量的增多，試樣的平均孔徑、氣孔率、表觀密度均變化不大，抗壓強度逐漸增大但增幅不大。觀察不同Na2HPO4摻量的試樣橫截面可知，摻加Na2HPO4對試樣的膨脹程度并未產生明顯影響，但對內部泡孔有著較為明顯的作用，泡孔形態變得規則，分布變得均勻。

圖5 Na2HPO4 摻量對發泡陶瓷多孔保溫材料性能的影響

Na2HPO4在350～400℃時受熱會分解成磷酸鈉，磷酸鈉的化學性質很穩定，即使加熱到熔點甚至沸點也不會分解，因而Na2HPO4的加入不會對試樣的平均孔徑、氣孔率、表觀密度產生太大影響[8]。在發泡陶瓷多孔保溫材料的燒成過程中，Na2HPO4可作為氣泡的表面活性劑，增加氣泡壁的黏度，防止氣泡過度膨脹而引起連通孔和開口孔，進而影響泡孔的形態和分布。試樣內部泡孔分布均勻使得試樣在受壓時能夠受力均勻，避免局部受力，宏觀上表現為試樣抗壓強度的增大。

3 結論

⑴赤泥中的堿金屬氧化物及堿土金屬氧化物在發泡陶瓷多孔保溫材料的燒結過程中可降低體系的黏度以及表面張力，起到助熔的效果。隨著赤泥摻量的增加，試樣的平均孔徑、氣孔率不斷增大，表觀密度、抗壓強度呈現先減小后增大的趨勢。

⑵KNO3在高溫條件下發生分解反應產生氧氣，為SiC 氧化還原反應提供額外的氧源，提高SiC 的發泡性能，但其分解反應產生的K2O 會增大熔融液相的黏度。隨著KNO3摻量的增加，試樣的平均孔徑不斷減小，氣孔率先升高后降低，表觀密度和抗壓強度先減小后增大。

⑶CaO 屬于堿金屬氧化物，熔體中摻入CaO 后，其可將玻璃態的SiO2膜包裹起來，從而降低液相熔體的黏度，有利于泡孔的成長。隨著CaO 摻量的增加，試樣的平均孔徑、氣孔率逐漸增大，密度、抗壓強度先降低后升高。

⑷在發泡陶瓷多孔保溫材料的燒成過程中，Na2HPO4可作為氣泡的表面活性劑，增加氣泡壁的黏度，防止氣泡過度膨脹而引起連通孔和開口孔，進而影響泡孔的形態和分布。隨著Na2HPO4 摻量的增多，試樣的平均孔徑、氣孔率、密度均變化不大，抗壓強度逐漸增大但增幅不大。