中鋁質(zhì)閉孔泡沫陶瓷磚的制備和性能研究

張小鋒 劉維良 佘小曼

（景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，景德鎮(zhèn)：333001）

1 引言

自20世紀(jì)70年代美國(guó)首先研制出泡沫陶瓷以來，泡沫陶瓷得到了人們極大的關(guān)注。泡沫陶瓷分為開孔和閉孔。開孔泡沫陶瓷主要應(yīng)用于高溫熔融合金過濾。閉孔泡沫陶瓷主要應(yīng)用于隔熱保溫耐火材料和墻體保溫材料[1-2]。

制備閉孔泡沫陶瓷的方法主要有兩種：一是添加造孔劑，二是添加發(fā)泡劑。其中發(fā)泡法可以制備出形狀復(fù)雜的泡沫陶瓷，以滿足一些特殊場(chǎng)合的應(yīng)用需要，主要原理是在陶瓷原料中加入適當(dāng)?shù)陌l(fā)泡劑，通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣體不逸出從而產(chǎn)生閉孔泡沫[4]。目前常用發(fā)泡劑有碳化鈣、硫酸鈣、石膏等。發(fā)泡劑法制備的閉孔泡沫陶瓷氣孔率較高，可制備出各種孔徑大小和形狀的泡沫陶瓷。但是在制備過程中各個(gè)工藝參數(shù)難以控制，產(chǎn)品一致性較差。

中鋁質(zhì)是指樣品中氧化鋁含量在75～85％之間。本實(shí)驗(yàn)所用的主原料為常用礦物原料或工業(yè)純化工原料，發(fā)泡劑為陶瓷工廠用過的廢石膏。本實(shí)驗(yàn)主要探討了助燒熔劑和燒成制度等因素對(duì)閉孔泡沫陶瓷性能的影響，制備出低成本、高性能的中鋁質(zhì)閉孔泡沫陶瓷磚。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)原料與測(cè)試儀器

實(shí)驗(yàn)用主原料為高嶺土、工業(yè)氧化鋁、膨潤(rùn)土、石英、鉀長(zhǎng)石；發(fā)泡劑為陶瓷工廠用過的廢石膏，粘結(jié)劑PVA（分子量1600）溶液由實(shí)驗(yàn)室配制。根據(jù)前期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定了閉孔泡沫陶瓷的基體配方如表1所示。

表1 泡沫陶瓷主原料配比Tab.1 Proportion of raw material

采用德國(guó)Netzsch公司的STA449C型綜合熱分析對(duì)泡沫陶瓷基體配料進(jìn)行熱分析；采用美國(guó)麥克公司的Accu-Pyc1330型全自動(dòng)真密度儀測(cè)量泡沫陶瓷樣品的真密度；采用阿基米德排水法測(cè)量泡沫陶瓷樣品的體積密度、氣孔率；采用力創(chuàng)公司的微電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試泡沫陶瓷樣品的抗壓強(qiáng)度；采用日本KYOTO公司的QTM-500型熱導(dǎo)率分析儀測(cè)量泡沫陶瓷樣品的熱導(dǎo)率；采用日本電子公司的JSM-6700F型掃描電子顯微鏡對(duì)泡沫陶瓷樣品形貌進(jìn)行觀察分析。

2.2 實(shí)驗(yàn)過程

本實(shí)驗(yàn)發(fā)泡劑為陶瓷工廠廢棄石膏，外加量為8w t％，因此在實(shí)驗(yàn)前首先對(duì)廢石膏模進(jìn)行表面清洗、破碎、球磨、烘干、碾磨過80目篩備用。在實(shí)驗(yàn)過程中，先按配方配料、球磨、烘干，加入10w t％的PVA溶液（溶度為5％）進(jìn)行造粒，得到的造粒粉料陳腐2天后進(jìn)行壓樣（壓力為10～20MPa）和燒成（燒成溫度為1300～1400℃，保溫時(shí)間為60m in）。

3 結(jié)果與討論

3.1 TG/DTA分析

采用TG/DTA研究了泡沫陶瓷材料在升溫過程中的變化，如圖1所示。在141.3℃時(shí)，石膏粉（CaSO4·1/2H2O）吸熱失去半個(gè)結(jié)晶水，出現(xiàn)第一個(gè)吸熱峰，此過程失重6.42％；在304.2℃時(shí)，原料中的吸附水蒸發(fā)吸熱出現(xiàn)第二個(gè)吸熱峰，此過程失重12.80％；在511.3℃時(shí)，原料中的PVA吸熱分解產(chǎn)生另一個(gè)吸熱峰；在1302.0℃時(shí)，硫酸鈣吸熱分解為氧化鈣和三氧化硫，在分解過程中有三氧化硫的部分逸出，此過程失重7.84％。

從圖1的熱分析變化曲線可以看出：溫度在1300～1400℃之間是發(fā)泡劑分解的溫度段也是玻璃相大量產(chǎn)生的溫度段。在升溫過程中硫酸鈣分解的三氧化硫氣體是產(chǎn)生中鋁質(zhì)閉孔泡沫陶瓷的重要組成，因?yàn)樵诟邷叵拢现械牟Ａз|(zhì)原料軟化熔融產(chǎn)生玻璃相，玻璃相物質(zhì)具有一定的黏度，在此階段產(chǎn)生的三氧化硫會(huì)使玻璃相物質(zhì)膨脹，當(dāng)冷卻后就會(huì)形成閉孔結(jié)構(gòu)[5]。本實(shí)驗(yàn)根據(jù)熱分析結(jié)果擬確定燒成溫度為1300℃以上，因?yàn)樵谥苽溟]孔泡沫陶瓷時(shí)，發(fā)泡劑的分解溫度要高于玻璃相產(chǎn)生的溫度，如果發(fā)泡劑的分解溫度低于玻璃相的產(chǎn)生溫度，則發(fā)泡劑分解的氣體就會(huì)沿著晶粒間隙逸出，不會(huì)出現(xiàn)閉孔泡沫結(jié)構(gòu)。

3.2 鉀長(zhǎng)石對(duì)泡沫陶瓷性能的影響

3.2.1 鉀長(zhǎng)石含量對(duì)泡沫陶瓷氣孔率的影響

以鉀長(zhǎng)石為助燒熔劑，鉀長(zhǎng)石的含量在17～19w t％之間。鉀長(zhǎng)石的含量不同，泡沫陶瓷的氣孔率（開孔氣孔率和閉孔氣孔率）也不同，結(jié)果如圖2所示。隨著鉀長(zhǎng)石含量的增加，閉孔氣孔率依次增加，而開孔氣孔率卻依次降低。鉀長(zhǎng)石含量的增多，泡沫陶瓷樣品的熔融溫度降低，生成的玻璃相增加，更多的玻璃相能把更多的三氧化硫氣體包裹，使得泡沫陶瓷的閉孔氣孔率增加。在玻璃相增多的同時(shí)，泡沫陶瓷樣品中顆粒之間潤(rùn)濕性較好，樣品表面的流動(dòng)性較好，故樣品的開口氣孔率降低[5]。本實(shí)驗(yàn)為了進(jìn)一步驗(yàn)證以上結(jié)論，對(duì)不同鉀長(zhǎng)石加入量的泡沫陶瓷樣品進(jìn)行體積密度和真密度的測(cè)試，如圖3所示。隨著鉀長(zhǎng)石含量的增加，真密度和體積密度都降低，這正是由于閉孔氣孔率增加，開孔氣孔率降低的緣故。

3.2.2 鉀長(zhǎng)石含量對(duì)泡沫陶瓷抗壓強(qiáng)度、熱導(dǎo)率的影響

隨著鉀長(zhǎng)石含量的增加，泡沫陶瓷的抗壓強(qiáng)度依次降低，如圖5所示。當(dāng)鉀長(zhǎng)石含量增加時(shí)，試樣在高溫時(shí)熔融程度增加，封閉的三氧化硫氣體增加，導(dǎo)致閉孔減薄，如圖4所示。圖4（a）是鉀長(zhǎng)石含量為17w t％時(shí)的孔壁SEM照片，此時(shí)孔壁較厚，泡沫陶瓷樣品抗壓強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果較大；圖4（b）是鉀長(zhǎng)石含量為19w t％時(shí)的孔壁SEM照片，此時(shí)的孔壁較薄，樣品抗壓強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果較小。

鉀長(zhǎng)石含量的增加，會(huì)引起泡沫陶瓷熱導(dǎo)率降低，如圖5所示。那是因?yàn)殁涢L(zhǎng)石含量增加會(huì)導(dǎo)致氣孔率增加，最終孔壁總表面積增加，而孔壁對(duì)熱傳導(dǎo)有反射作用，樣品內(nèi)更多的孔壁能更有效的阻礙泡沫陶瓷樣品的熱傳導(dǎo)，因此熱導(dǎo)率降低[6]。

3.3 燒結(jié)溫度對(duì)泡沫陶瓷性能的影響

3.3.1 燒結(jié)溫度對(duì)泡沫陶瓷氣孔率的影響

泡沫陶瓷的燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間同時(shí)影響泡沫陶瓷的氣孔率。當(dāng)保溫時(shí)間一定時(shí)，隨著燒成溫度的提高，泡沫陶瓷的閉孔氣孔率和開孔氣孔率都增加。當(dāng)燒成溫度一定時(shí)，隨著保溫時(shí)間的增加，閉孔氣孔率和開孔氣孔率也增加[7-8]。

根據(jù)前期的研究結(jié)果，確定了泡沫陶瓷的保溫時(shí)間為60m in，在本實(shí)驗(yàn)中僅考慮燒成溫度對(duì)氣孔率的影響。燒結(jié)溫度與閉孔氣孔率、開孔氣孔率變化關(guān)系如圖6所示。當(dāng)燒成溫度在1300℃～1360℃時(shí)，閉孔氣孔率隨著燒成溫度的提高而增加，這是由于溫度升高時(shí)樣品內(nèi)玻璃相增多，包裹的三氧化硫氣體增多導(dǎo)致閉孔氣孔率增加的緣故；但當(dāng)燒結(jié)溫度大于1360℃時(shí)，閉孔氣孔率卻減少，那是因?yàn)闇囟壤^續(xù)升高時(shí)，閉孔內(nèi)氣體明顯膨脹，部分氣體沖破孔壁連成通孔。對(duì)于開孔氣孔率而言，在燒結(jié)溫度的提高過程中開孔氣孔率一直在增加，當(dāng)燒成溫度超過1360℃時(shí)，開口氣孔率增加速率更大，那是因?yàn)榕菽沾蓸悠烽]孔內(nèi)氣體膨脹逸出的原因。

3.3.2 燒結(jié)溫度對(duì)泡沫陶瓷抗壓強(qiáng)度、熱導(dǎo)率的影響

燒結(jié)溫度在1300～1400℃時(shí)，隨著燒成溫度的提高，泡沫陶瓷磚的抗壓強(qiáng)度降低，如圖8所示。

這是由于當(dāng)溫度升高時(shí)，樣品中的玻璃相增多，粘度降低，泡沫陶瓷內(nèi)的孔徑增大，孔壁減薄，最終導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低。圖7（a）中為燒成溫度為1360℃時(shí)的孔壁厚度，圖7（b）為燒成溫度1400℃時(shí)的孔壁厚度。從圖中可以看出，燒結(jié)溫度高時(shí)的孔壁比燒結(jié)溫度低時(shí)的孔壁薄，因此導(dǎo)致泡沫陶瓷抗壓強(qiáng)度在高溫?zé)Y(jié)時(shí)比在低溫?zé)Y(jié)時(shí)要小。

隨著泡沫陶瓷燒結(jié)溫度的增加，泡沫陶瓷的熱導(dǎo)率降低，如圖8所示。這是由于燒結(jié)溫度的增加，泡沫陶瓷閉孔氣孔率增加，樣品內(nèi)更多的閉孔能更有效的阻礙了樣品熱量的傳導(dǎo)，最終導(dǎo)致熱導(dǎo)率的降低[9]。

4 結(jié)論

（1）以陶瓷工廠廢石膏作為中鋁質(zhì)閉孔泡沫陶瓷磚的發(fā)泡劑，能夠制備出成本低、高性能的閉孔泡沫陶瓷磚。

（2）閉孔泡沫陶瓷磚的閉孔氣孔率隨著鉀長(zhǎng)石含量的增加而增加，抗壓強(qiáng)度和熱導(dǎo)率降低。

（3）閉孔泡沫陶瓷磚的閉孔氣孔率隨著燒結(jié)溫度的增加先增加后降低，抗壓強(qiáng)度和熱導(dǎo)率降低。

1羅民華.多孔陶瓷.北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社，2006，6

2張小鋒，于國(guó)強(qiáng)等.氧化鋁的應(yīng)用.佛山陶瓷，2010，20（2）：38～43

3 Tatsuhiro Takahashiand Paolo Colombo.SiO2ceram ic foams through melt foam ing of a methylsilicone preceram ic polymer.Journal of PorousMaterials，2003，10：113～121

4翟鋼軍，任鳳章等.高強(qiáng)度泡沫陶瓷制備工藝.中國(guó)陶瓷，2008，44（6）：48～51

5華偉剛，催學(xué)明.成型壓力和燒成溫度對(duì)利用廢渣和尾礦制備閉孔發(fā)泡陶瓷的影響.中國(guó)陶瓷，2009，45（10）：68～71

6田英良等.生產(chǎn)泡沫玻璃的關(guān)鍵工藝及質(zhì)量控制.新型建筑材料，2000，（10）：29～31

7孫國(guó)梁，石紀(jì)均等.石英質(zhì)高溫閉孔泡沫陶瓷的制備.稀有金屬材料與工程，2007，36（1）：570～574

8 K.Hensela.M icrodischarges in ceram ic foams and honeycombs.The European Physical JournalD，2009，54：141～148

9池躍章，余愛民等.發(fā)泡劑對(duì)利用廢渣和尾礦制備閉孔發(fā)泡陶瓷的影響.新型建筑材料，2008，（7）：80～82