硅藻土制備無機(jī)裝飾板材的研究進(jìn)展

童軍 韋華 劉蕊蕊 冀志江 王靜

（1湖北格林森綠色環(huán)保材料股份有限公司，湖北 武漢 430200；2中國建筑材料科學(xué)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?nèi)找嬖鲩L對美好生活的需求的今天，社會和消費者對于居住環(huán)境已經(jīng)不滿足于片瓦遮頭的原始概念，而是提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)，人性化、適應(yīng)性、藝術(shù)感以及健康、綠色、環(huán)保如今成為消費者考量的指標(biāo)。現(xiàn)有的室內(nèi)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(huán)保性、易釋放有害氣體的問題。目前具有環(huán)保型、功能性和藝術(shù)性的內(nèi)墻裝飾板成為關(guān)注的亮點，以硅藻土為主要原料開發(fā)的礦物生態(tài)板材以其具有輕質(zhì)、保溫、調(diào)濕、吸附有害氣體、抗菌等多功能性被人們認(rèn)可與關(guān)注，解決了現(xiàn)有板材環(huán)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(zhì)沉積巖，其主要成分為非晶質(zhì)的二氧化硅，并伴有少量的金屬氧化物、鹽類和有機(jī)質(zhì)等[1]。硅藻土質(zhì)地輕軟、耐酸耐堿，具有獨特的多孔結(jié)構(gòu)，孔隙率達(dá)90%以上，比表面積達(dá)65m2/g，展現(xiàn)較強(qiáng)的吸附性能，可作為硅質(zhì)材料生產(chǎn)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(jié)構(gòu)特性制備多功能的環(huán)保型建筑材料。

目前硅藻土制備的無機(jī)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(tài)板、硅藻裝飾板、藻鈣板等[2-3]，但這些板材的形成機(jī)理絕大多數(shù)和硅酸鈣板的形成機(jī)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(jī)理以及生產(chǎn)制備工藝，闡述硅藻土制備無機(jī)裝飾板材的研究現(xiàn)狀，探討無機(jī)裝飾板材物理化學(xué)性能的影響因素，并對其應(yīng)用及存在的問題進(jìn)行展望。

1 硅酸鈣板的形成機(jī)理與生產(chǎn)制備工藝

以硅質(zhì)（硅藻土）、鈣質(zhì)材料為主要膠結(jié)材料，無機(jī)礦物纖維或纖維素纖維等纖維為增強(qiáng)材料，經(jīng)成型、加壓（或非加壓）、蒸壓養(yǎng)護(hù)制成的板材稱硅酸鈣板。與傳統(tǒng)的建筑板材相比，硅酸鈣板具有的優(yōu)越性能主要是由于托貝莫來石的產(chǎn)生，其屬于CaO-SiO2-H2O系統(tǒng)中合成的一種結(jié)晶性的硅酸鈣水化物。目前，實際生產(chǎn)中常用水泥或石膏代替熟石灰，作為膠凝材料促進(jìn)板材的成型，因此可能形成CaOSiO2-Al2O3-H2O四元反應(yīng)系統(tǒng)或CaO-SiO2-Al2O3-CaSO4-H2O五元反應(yīng)系統(tǒng)，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(xué)性能。

據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研，托貝莫來石型硅酸鈣板的生產(chǎn)工藝主要有兩種[4]，國內(nèi)一般采用的是靜態(tài)壓制法，日本主要采用的是三菱化合成法，相應(yīng)的生產(chǎn)工藝流程圖見圖1所示。

硅酸鈣板在進(jìn)蒸壓釜之前先要進(jìn)行預(yù)養(yǎng)護(hù)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(yīng)主要是在該水相中進(jìn)行的，其反應(yīng)的特點是在固定的液相中進(jìn)行。在蒸壓養(yǎng)護(hù)的初期，氫氧化鈣和二氧化硅反應(yīng)生成高堿度的水化硅酸鈣C2SH，隨著反應(yīng)的進(jìn)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(yīng)，由于高堿度的水化硅酸鈣不穩(wěn)定，會繼續(xù)與二氧化硅反應(yīng)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(zhuǎn)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(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行，硅酸鈣水合物凝膠之間出現(xiàn)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(qiáng)度的硅酸鈣板。

圖1 硅酸鈣板生產(chǎn)工藝流程圖

2 硅藻土制備無機(jī)裝飾板的研究現(xiàn)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(jié)果證明了托貝莫來石峰的存在，SEM結(jié)果表明產(chǎn)品呈現(xiàn)斷面形貌，不僅有片狀，還有柱狀，進(jìn)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(qiáng)度可達(dá)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(jié)合，制備了一種以硅藻土為功能組分的輕質(zhì)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(qiáng)度可達(dá)1.62MPa，即使在0.50g/cm3左右密度下的力學(xué)強(qiáng)度也可與石膏天花板相當(dāng)，相應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)可低至0.0671W/（m·K）；進(jìn)一步分析測試表明，該板材由于硅藻土的多孔結(jié)構(gòu)，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(dāng)生產(chǎn)工藝可以得到輕質(zhì)、高強(qiáng)、保溫、調(diào)濕、吸附甲醛等功能一體化的新型建筑板材，滿足建筑室內(nèi)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(zhì)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(chǎn)生微觀結(jié)構(gòu)的差異，對制成的無增強(qiáng)材料的硅酸鈣板的組成、性能以及微觀結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究，得出結(jié)論如下：1）以硅藻土為硅質(zhì)材料制得的硅酸鈣板材的抗折強(qiáng)度優(yōu)于以石英砂為硅質(zhì)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(zhì)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(zhì)材料水熱反應(yīng)有托貝莫來石形成，而以硅藻土為硅質(zhì)材料水熱反應(yīng)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(jī)礦物）、石膏類鈣質(zhì)材料為原料在液態(tài)介質(zhì)（由無機(jī)內(nèi)摻型硅醇鉀、檸檬酸鈉、硫酸鋁鉀、水復(fù)配而成）下，加入玻璃纖維增強(qiáng)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(tài)板，通過設(shè)計正交試驗確定藻鈣復(fù)合材料優(yōu)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(dá)95%，藻鈣生態(tài)板的高強(qiáng)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(jìn)行性能的研究，發(fā)現(xiàn)可以通過硅藻土加入量的不同制備出容重小于0.95g/cm3、導(dǎo)熱系數(shù)小于0.16W/（m·K）的板材產(chǎn)品，并證明了木纖維摻量的增加能夠明顯降低導(dǎo)熱系數(shù)，但是硅酸鈣板抗折強(qiáng)度明顯降低，影響力學(xué)性能。

夏惠鳳等人[10]將硅藻土作為主要硅質(zhì)材料用于纖維增強(qiáng)硅酸鈣板的生產(chǎn)，并且分別以砂和硅藻土作為主要硅質(zhì)材料生產(chǎn)纖維增強(qiáng)硅酸鈣板，分析對比了產(chǎn)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(shù)應(yīng)有所提高；硅藻土的加入會降低板材的強(qiáng)度，板材的含水率、吸水率和孔隙率都會增加。該研究中產(chǎn)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(qiáng)纖維、Ca/Si比、反應(yīng)工藝條件、表面處理等參數(shù)都影響著無機(jī)裝飾板材的結(jié)構(gòu)以及物理化學(xué)性能，尤其是硅藻土含量不僅影響力學(xué)性能（抗折強(qiáng)度），硅藻土的加入還會影響產(chǎn)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(xué)性能。因此，合理設(shè)計工藝路徑對于無機(jī)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(jī)裝飾板的應(yīng)用及展望

3.1 公共建筑空間集成系統(tǒng)

公共建筑空間集成系統(tǒng)應(yīng)用主要包括吊頂、墻面、墻頂集成、隔斷、玄關(guān)、背景墻，廣泛應(yīng)用于大型辦公、醫(yī)院、酒店、商場、學(xué)校、文物保護(hù)所、大劇院、專業(yè)廠房等場所。硅藻土制備的無機(jī)裝飾板的肌理紋設(shè)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(chuàng)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(chuàng)造一個舒適、清潔、安全、高效的工作環(huán)境，硅藻土制備的無機(jī)裝飾板材將從溫濕度調(diào)節(jié)、有害氣體捕捉及持續(xù)凈化、負(fù)離子釋放等方面改善和提高室內(nèi)空氣質(zhì)量，顯著沉降空間內(nèi)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(xiàn)代簡約組合吸音，結(jié)合色彩、燈光、采暖等集成技術(shù)，無限表達(dá)特定的文化內(nèi)涵，實現(xiàn)設(shè)計的隱喻性、暗示性和敘述性，以飽滿、對稱、平衡、安詳?shù)奶厣?，以凝重而流暢，精致而典雅風(fēng)格，實現(xiàn)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(xué)校室內(nèi)空間，內(nèi)在的呼吸性、捕捉性、空氣凈化性、負(fù)離子仿生性、吸音降噪性改善室內(nèi)空間的空氣質(zhì)量。

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

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(xué)場所和噪聲超標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)

1）入門玄關(guān)以呼應(yīng)為主的第一道風(fēng)景線過渡到以主題視區(qū)的沙發(fā)背景墻、電視背景墻、客廳集成疊級吊頂。

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

3）應(yīng)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(chǎn)使用量僅次于混凝土。隨著國家墻材革新與建筑節(jié)能政策力度的加大、公眾環(huán)保意識的增強(qiáng)，耗費資源、自重大、保溫隔音差的傳統(tǒng)墻材已日漸淡出市場。硅藻土制備的無機(jī)裝飾板材具有質(zhì)輕高強(qiáng)、保溫調(diào)濕、隔音美觀、可裝配化施工、機(jī)械加工性能好等特點，是室內(nèi)墻體材料發(fā)展的重要方向，在今后的應(yīng)用中必然占有一席之地。

在實際應(yīng)用過程中，硅藻土制備的無機(jī)裝飾板材仍存在以下問題：1）應(yīng)用性能有待進(jìn)一步提升，例如經(jīng)常出現(xiàn)表面平整度差、裂縫、起皮，吸水率過高，吸水后板材的強(qiáng)度急劇降低，導(dǎo)熱系數(shù)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(xié)同增強(qiáng)效果不能實現(xiàn)最大化，工藝設(shè)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(guān)標(biāo)準(zhǔn)還沒有建立。以上說明硅藻土板材從工藝設(shè)計、功能性開發(fā)到性能測試與評價等內(nèi)容還需要系統(tǒng)研究。