泡沫法制備莫來(lái)石輕質(zhì)隔熱材料及性能

彭瑋珂，鄧承繼，付慧琴，祝洪喜，黃永亮，員文杰

(武漢科技大學(xué)省部共建耐火材料與冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430081)

泡沫法制備莫來(lái)石輕質(zhì)隔熱材料及性能

彭瑋珂，鄧承繼，付慧琴，祝洪喜，黃永亮，員文杰

(武漢科技大學(xué)省部共建耐火材料與冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430081)

采用紅柱石、剛玉、水泥、粘土、硅微粉為原料，加入減水劑、硅溶膠、泡沫及水，通過(guò)改變泡沫的加入量在五種不同溫度下燒成制備莫來(lái)石質(zhì)輕質(zhì)隔熱材料，測(cè)試試樣的容重、氣孔率、氣孔種類(lèi)和孔徑、常溫耐壓強(qiáng)度、物相組成和顯微結(jié)構(gòu)。采用泡沫法制備的輕質(zhì)隔熱材料試樣外觀(guān)致密，內(nèi)部氣孔分布均勻。試樣的主晶相為莫來(lái)石相，1400℃燒成試樣的燒后線(xiàn)變化和常溫耐壓強(qiáng)度隨容重的增加成線(xiàn)性增加；顯氣孔率逐漸減小，閉口氣孔率基本無(wú)變化，大概為3%。

泡沫法；莫來(lái)石；輕質(zhì)隔熱材料

0　引　言

能源日益成為制約社會(huì)發(fā)展和人類(lèi)進(jìn)步的世界性問(wèn)題，節(jié)約能源對(duì)于人類(lèi)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展有十分重大的意義[1]。冶金、陶瓷、建材、機(jī)械、化工等高能耗產(chǎn)業(yè)能源消耗大部分來(lái)自于工業(yè)窯爐。工業(yè)窯爐中使用熱容量小、熱導(dǎo)率低的隔熱耐火材料作為爐襯，能夠減少窯爐的散熱損失，提高熱能使用率。因而輕質(zhì)隔熱材料在節(jié)約能源的過(guò)程中起到了十分重要的作用。

輕質(zhì)隔熱材料制備方法有燃盡物加入法、發(fā)泡法[2]、溶膠-凝膠法[3]、有機(jī)泡沫浸漬法[4]、自蔓延高溫合成法[5]、凝膠注模法[6]、多孔材料法、顆粒堆積法和原位氣體分解法等。這些制備輕質(zhì)隔熱材料的方法，大多數(shù)生成的是開(kāi)口氣孔。提高輕質(zhì)隔熱材料的強(qiáng)度、降低材料的導(dǎo)熱性能是現(xiàn)在制備輕質(zhì)隔熱材料的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。泡沫法制備的輕質(zhì)隔熱材料可以獲得閉氣孔，孔結(jié)構(gòu)通過(guò)控制泡沫的性能來(lái)控制，而且生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單。

莫來(lái)石質(zhì)隔熱磚具有強(qiáng)度高、耐高溫、導(dǎo)熱系數(shù)小、節(jié)能效果顯著等特點(diǎn)得以廣泛的應(yīng)用。目前其生產(chǎn)主要是通過(guò)加入聚合物微球作造孔劑，采用擠泥工藝生產(chǎn)。這種制備工藝一方面由于聚合物微球的分解造成環(huán)境的污染；另一方面由于聚合物造孔劑的分解所產(chǎn)生的氣體逸出造成材料中的微孔多為開(kāi)口氣孔，直接影響了材料的強(qiáng)度和隔熱性能。為此，利用紅柱石莫來(lái)石化過(guò)程中逐漸轉(zhuǎn)化及膨脹的特點(diǎn)[7-8]，結(jié)合我們的研究工作[9]，本文研究采用泡沫法、以紅柱石為主要原料來(lái)制備莫來(lái)石質(zhì)輕質(zhì)隔熱材料，對(duì)其制備工藝、泡沫加入量、材料的微觀(guān)結(jié)構(gòu)及其性能進(jìn)行研究，以期得到泡沫法制備莫來(lái)石輕質(zhì)隔熱材料的工藝參數(shù)，優(yōu)化其綜合性能。

1　實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)使用的原料有：紅柱石(d50=49μm)、剛玉(d50=13μm)、鋁酸鈣水泥、廣西白泥(d50=2μm)、硅微粉(SiO2≥93%)、減水劑FS60、硅溶膠、泡沫劑和水，原料的化學(xué)組成如表1所示。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：(1)泡沫的制備：稱(chēng)取一定量發(fā)泡沫劑，按照1∶30比例加水，高速攪拌制得泡沫。(2)泡沫泥漿的制備：按表2中的配方稱(chēng)取1kg原料，混合均勻后加水、硅溶膠和減水劑，混合10分鐘，調(diào)制成料漿，然后取一定量(1)中所制備的泡沫加入料漿中，并通過(guò)改變泡沫加入量來(lái)控制所制備樣品的容重，混合3～5分鐘，攪拌均勻，形成具有自流特性的泡沫泥漿。通過(guò)改變不同的泡沫加入量，制得不同容重的泡沫泥漿。(3)莫來(lái)石輕質(zhì)磚的制備：將(2)中制備的泡沫泥漿澆注成型，在室溫下養(yǎng)護(hù)24小時(shí)后，在110℃下干燥24小時(shí)后脫模，并在1200 ℃、1250 ℃、1300 ℃、1350 ℃和1400 ℃五個(gè)溫度點(diǎn)保溫3小時(shí)燒成，得到不同容重的莫來(lái)石輕質(zhì)磚試樣。

制得的試樣采用液壓式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)量試樣常溫耐壓強(qiáng)度，用全自動(dòng)真密度分析儀(ACCUPYC1330)測(cè)試試樣的真密度，采用掃描電子顯微鏡(PHILIPS XL30 TMP)觀(guān)察試樣的顯微結(jié)構(gòu)，采用X’ Pert Pro型X射線(xiàn)衍射儀測(cè)定試樣的物相組成。

2　結(jié)果與討論

2.1試樣的物相組成

圖1為試樣在不同溫度下燒成XRD圖譜。由圖可知，1200 ℃時(shí)試樣中物相組成和原料中一致，1250 ℃開(kāi)始，試樣中物相組成發(fā)生變化，紅柱石減少，莫來(lái)石出現(xiàn)；隨著燒成溫度升高，紅柱石逐漸減少，莫來(lái)石逐漸增加，反應(yīng)到1400 ℃基本完成。這表明材料在1250 ℃紅柱石開(kāi)始莫來(lái)石化，此時(shí)有少量的莫來(lái)石生成；繼續(xù)提高溫度，到1350℃時(shí)紅柱石莫來(lái)石化劇烈開(kāi)始有大量莫來(lái)石生成。到1400 ℃時(shí)紅柱石已完全分解，生成莫來(lái)石。因此，為了材料中莫來(lái)石化反應(yīng)進(jìn)行完全，1400 ℃為比較合適的燒成溫度，在下面試驗(yàn)中均采用此燒成溫度。

表1　實(shí)驗(yàn)原料的主要化學(xué)組成(wt.%)Tab.1　Chemical composition of raw materials (wt.%)

表2　實(shí)驗(yàn)配方(wt.%)Tab.2　Experimental formula (wt.%)

2.2泡沫加入量與試樣容重間的關(guān)系

以泡沫法制備輕質(zhì)隔熱材料，其成孔機(jī)理即是泡沫保留原位產(chǎn)生的氣孔，輕質(zhì)隔熱材料的容重和泡沫的加入量直接相關(guān)。在制備泡沫泥漿過(guò)程中，在一定量的粉料基礎(chǔ)上，改變泡沫的加入量，可以得到不同容重的試樣。泡沫會(huì)隨著攪拌時(shí)間的延長(zhǎng)而破裂，故攪拌時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，本實(shí)驗(yàn)對(duì)泡沫泥漿進(jìn)行10分鐘的攪拌，攪拌機(jī)的轉(zhuǎn)速為800 r/min。表3為試樣的容重與泡沫加入量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

為了進(jìn)一步探究試樣容重與泡沫加入量之間的關(guān)系，對(duì)兩者進(jìn)行了線(xiàn)性擬合。由圖2可知，兩者的線(xiàn)性相關(guān)度達(dá)到了99．60%。因此，可以得出結(jié)論：試樣的容重與泡沫加入量成線(xiàn)性相關(guān)，隨著泡沫加入量的增加，試樣的容重呈線(xiàn)性遞減。

2.3 泡沫法制備的莫來(lái)石輕質(zhì)磚的力學(xué)性能

輕質(zhì)隔熱材料用于容重較小，從而導(dǎo)致了它的物理性能不能和重質(zhì)材料相媲美。但是在使用過(guò)程必須保證其有一定的強(qiáng)度用以滿(mǎn)足施工使用，而且輕質(zhì)材料由于具有較高的氣孔率，在燒成過(guò)程有很大的收縮變形，作為定型制品，它的尺寸就不容易控制。在使用過(guò)程中，在高溫下容易產(chǎn)生收縮變形，從而影響窯爐的整體使用性能。實(shí)驗(yàn)制備的不同容重輕質(zhì)隔熱材料的物理性能(線(xiàn)變化率和耐壓強(qiáng)度)如表4所示。

從表4看出，隨著容重的增加，試樣的線(xiàn)變化不是很大，小于2%。但對(duì)于容重增大到一定程度時(shí)，當(dāng)容重超過(guò)0．9 g/cm3時(shí)，隨著材料容重的增加，線(xiàn)變化越來(lái)越大；當(dāng)容重到1．0 g/cm3時(shí)，試樣的線(xiàn)變化率達(dá)到了-3．0%。由于在燒成過(guò)程中原料的收縮造成，而容重較大的試樣氣孔率較小，燒成收縮較大；容重較小時(shí)，由于有較大的氣孔率，所以收縮變化不大。隨著容重的增加，試樣的常溫耐壓強(qiáng)度逐漸增大。其原因是隨著容重的增大，材料的致密性增加，氣孔率降低，其力學(xué)性能也就隨之提高。

為了進(jìn)一步顯示試樣容重與常溫耐壓強(qiáng)度之間的關(guān)系，對(duì)兩者進(jìn)行了線(xiàn)性擬合，如圖3。試樣的容重與耐壓強(qiáng)度線(xiàn)性相關(guān)度為98．53%，因此可以說(shuō)明兩者之間呈線(xiàn)性關(guān)系。

表3　試樣容重與泡沫加入量Tab.3　Unit weight and foam addition

圖2　試樣容重與泡沫加入量之間的關(guān)系Fig.2　Relation of the unit weight and foam addition

圖3　試樣容重與耐壓強(qiáng)度之間的關(guān)系Fig. 3 Relation of the unit weight and compressive strength

表4　不同容重試樣的線(xiàn)變化和常溫耐壓強(qiáng)度Tab.4　Linear change and cold compressive strength of samples

2.4泡沫法制備的莫來(lái)石輕質(zhì)磚的孔結(jié)構(gòu)及其與性能的關(guān)系

不同容重下制品的氣孔率分布情況如表5所示，其中真氣孔率是采用測(cè)量制品真密度和容重計(jì)算得到的。顯氣孔率是采用阿基米德原理測(cè)量計(jì)算得來(lái)。閉氣孔率=真氣孔率-顯氣孔率。由表5知道，泡沫法制備莫來(lái)石輕質(zhì)隔熱材料，隨著容重的增大，其真氣孔率降低，顯氣孔率也隨著容重的增大而呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。這主要是由于容重較低的制品在料漿中泡沫的加入量較大，在泡沫泥漿澆注和干燥過(guò)程中，消泡現(xiàn)象較明顯，得到的且孔壁較薄，容易產(chǎn)生破損，最終形成貫穿氣孔。隨著容重增大，消泡現(xiàn)象降低，形成的貫穿氣孔也減少。制品的顯氣孔率比預(yù)計(jì)偏大，在澆注干燥過(guò)程中，由于水分的排出破壞了泡沫的結(jié)構(gòu)，制品的養(yǎng)護(hù)和干燥工藝還需優(yōu)化。還有可能是試樣有較大的氣孔率，孔壁較薄，在測(cè)試過(guò)程中，孔壁破損，導(dǎo)致顯氣孔率上升。試樣的閉氣孔率基本不變，大概為3%。

綜合上面的分析，試樣的力學(xué)性能不僅僅和試樣的氣孔率相關(guān)，還和試樣的氣孔尺寸以及分布相關(guān)。當(dāng)試樣具有較高的氣孔率，氣孔尺寸越小越均勻，而且閉氣孔較多時(shí)，試樣的力學(xué)性能越優(yōu)異，泡沫法制備輕質(zhì)隔熱材料可以達(dá)到這一要求。

2.5泡沫法制備莫來(lái)石輕質(zhì)材料的微觀(guān)結(jié)構(gòu)

圖4為所制備莫來(lái)石輕質(zhì)隔熱材料不同容重試樣的SEM照片。從中可以看出，以泡沫法制備輕質(zhì)隔熱材料，制品的氣孔無(wú)規(guī)則形狀，分布比較均勻。制品容重較小時(shí)，孔徑較大，當(dāng)容重為0．6 g/cm3時(shí)，最大孔徑在0．2 mm左右，平均孔徑約為0．15 mm，分布比較均勻。當(dāng)容重達(dá)到0．7-0．9 g/cm3，制品的孔徑已經(jīng)減小到0．1mm左右，分布比較均勻。容重繼續(xù)增大時(shí)，制品的孔徑已經(jīng)在0．1mm以下，分布比較均勻。通過(guò)以上觀(guān)察可知試樣主要以小氣孔為主，這不僅有利于試樣強(qiáng)度的提高，同時(shí)也有利于試樣保溫效果的提升。但是所有制品的氣孔大都以貫通氣孔為主，與閉氣孔率測(cè)試結(jié)果相符合。

表5　不同容重下制品的氣孔率Tab.5　Apparent porosity of samples with different unite weight

圖4　試樣的SEM孔結(jié)構(gòu)圖Fig.4　SEM images of samples

3　結(jié)　論

(1)試樣的容重在0．6-1．0 g/cm3之間，其容重與泡沫加入量成線(xiàn)性反比關(guān)系；隨著其容重的增大，試樣的耐壓強(qiáng)度和燒后線(xiàn)變化均成線(xiàn)性增大，閉氣孔率基本不變，顯氣孔率成線(xiàn)性減小。

(2)隨著容重的增大，試樣的孔徑成減小趨勢(shì)。當(dāng)容重為0．6 g/cm3時(shí)，最大孔徑在0．2 mm左右，平均孔徑約為0．15mm。當(dāng)容重在0．7-0．9g/cm3，其孔徑減小到0．1mm左右。容重繼續(xù)增大，制品的孔徑在0．1mm以下。氣孔以貫通小氣孔為主，且氣孔分布比較均勻，閉口氣孔率較低，僅為3%左右。

[1] 李紅霞． 耐火材料手冊(cè)[M]． 北京：冶金工業(yè)出版社, 2007．

[2] 靳洪允． 泡沫陶瓷材料的研究進(jìn)展[J]． 佛山陶瓷, 2005(8): 29-32．

[3] 馬文, 沈衛(wèi)平, 董紅英． 多空陶瓷的制造工藝及進(jìn)展[J]． 粉末冶金技術(shù), 2002, 20(6 ): 365-368．

[4 趙金龍． 幾種自蔓延高溫合成新技術(shù)及其應(yīng)用基礎(chǔ)研究[D]．大連理工大學(xué), 2001．

[5] 張字民． 多孔陶瓷材料制備工藝進(jìn)展[J]． 兵器材料科學(xué)與工程, 2002, 25(2): 62-67．

[6] Sepu1veda P, Qrtega F S, Innocentini M D M ,et a1． Properties of High1y Porous Hydroxy -apatite Obtained by the Ge1-casting of foams[J]． J Am Ceram Soc．, 2000, 83( 12): 3021-3024．

[7] 文洪杰, 苗圃, 李文超． 紅柱石的莫來(lái)石化動(dòng)力學(xué)[J]．耐火材料, 1995, 29(3): 140-141, 148．

[8] 李博文, 翁潤(rùn)生, 李嘉． 用紅柱石制備莫來(lái)石纖維增強(qiáng)材料的實(shí)驗(yàn)研究[J]． 耐火材料, 1996, 30(6): 305-307, 313．

[9] 付慧琴． 泡沫法制備鋁硅系保溫材料的基礎(chǔ)研究[D]． 武漢科技大學(xué), 2014．

Preparation and Properties of Mullite Lightweight Insulation Materials by Foaming

PENG Weike, DENG Chengji, FU Huiqin, ZHU Hongxi, HUANG Yongliang, YUAN Wenjie
(The State Key Laboratory of Refractories and Metallurgy, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, Hubei, China)

Mullite lightweight insulation materials were prepared from andalusite, corundum, cement, clay and silica fume with water reducer, colloidal silica and water additions by different foam amounts and sintered at the different temperatures. The unit weight, porosity, pore’s type and size and cold compressive strength of materials were measured. The phase composition and microstructure of the prepared samples were characterized. The results showed that the mullite lightweight insulation materials fabricated by foaming presented uniform and dense surface and the distribution of pores was even. The major phase was mullite in all samples. The linear change and cold compressive strength increased linearly with the unit weight. Apparent porosity of samples decreased gradually, and closed porosity kept unchanged at about 3%.

foaming; mullite; lightweight insulation materials

date:2014-11-10 .Revised date: 2014-11-12.

TQ175.7

A

1006-2874(2015)02-0006-05

10.13958/j.cnki.ztcg.2015.02.002

2014-11-10。

2014-11-12。

湖北省自然科學(xué)基金資助(編號(hào)：2012FFB04902；2012FFA103)。

通信聯(lián)系人：鄧承繼，男，博士，教授。

Correspondent author:DENG Chengji, male, Ph. D., Professor.

E-mail:cjdeng@wust.edu.cn