發(fā)泡凝膠法制備粉煤灰保溫材料及其性能研究

趙小剛，劉亞東，宋金鵬，張海棠

(1.河北工業(yè)大學(xué)，天津 300401；2. 中北大學(xué)，山西 太原 030051)

我國粉煤灰年產(chǎn)量已達(dá)到7 億t 以上，如果不將這些固體廢棄物進(jìn)行循環(huán)利用，將會占用大量的土地資源并產(chǎn)生嚴(yán)重污染[1]。在節(jié)能環(huán)保的政策背景下，粉煤灰的綜合利用技術(shù)迎來了巨大發(fā)展機遇，近年來的綜合利用經(jīng)歷了以儲為主→儲用結(jié)合→以用為主3 個發(fā)展階段[2]，用于生產(chǎn)建筑材料已成為最具應(yīng)用前景的發(fā)展方向[3]。結(jié)合城市化改造和城鎮(zhèn)化建設(shè)的推廣，將粉煤灰應(yīng)用于生產(chǎn)建筑保溫材料，不僅可以實現(xiàn)固體廢棄物的再利用，還可以克服建筑保溫材料易燃等問題[4]。本研究采用發(fā)泡凝膠法制備了多孔粉煤灰保溫材料，研究了固相含量、助劑摻量和燒結(jié)溫度等對保溫材料熱學(xué)和力學(xué)性能的影響，優(yōu)化了成分配比和燒結(jié)溫度，結(jié)果將有助于節(jié)能環(huán)保、保溫性能良好的粉煤灰保溫材料的制備及工業(yè)化應(yīng)用。

1 試 驗

1.1 試驗原料

粉煤灰：大唐國際陡河發(fā)電廠；硅藻土：石家莊馬躍建材有限公司，主要化學(xué)組成見表1；羧甲基纖維素鈉：山東森美生物科技有限公司；十二烷基硫酸鈉：河南銘之鑫化工產(chǎn)品有限公司；高嶺土：恒達(dá)礦產(chǎn)有限公司；明膠：天津祥盛有限公司；燒結(jié)助劑：水玻璃，密度1.45 g/cm3，濟南德旺化工有限公司。

表1 粉煤灰和硅藻土的主要化學(xué)組成 %

1.2 試驗儀器與設(shè)備

MS204TS 型電子天平，梅特勒托利多公司；R30A 型電動攪拌器，南京庚辰科學(xué)儀器有限公司；SNR-430H 型電熱鼓風(fēng)干燥箱，吳江威信電熱設(shè)備有限公司；TW-RG736 型導(dǎo)熱系數(shù)測定儀，格致科技有限公司；MTS-810 萬能材料試驗機，MTS 公司。

1.3 試樣制備

固定m(粉煤灰)∶m(硅藻土)∶m(高嶺土)=5∶1∶0.5 不變(混合粉磨至400 目)，通過改變固相含量、明膠摻量、燒結(jié)溫度和助劑摻量制備粉煤灰保溫材料[5]。制備過程中將粉磨后的粉煤灰、硅藻土、高嶺土與明膠以及羧甲基纖維素鈉混合后加40 ℃溫水進(jìn)行攪拌，得到不同固相含量的粉煤灰漿料；再加入十二烷基硫酸鈉，并快速攪拌進(jìn)行發(fā)泡處理，將泡沫漿料轉(zhuǎn)入表面涂抹有甘油的模具中；室溫干燥15 h 后轉(zhuǎn)入干燥箱中，進(jìn)行58 ℃/2 h+78 ℃/2 h+108 ℃/2 h 的梯度干燥處理，得到粉煤灰保溫材料生坯；生坯轉(zhuǎn)入馬弗爐中進(jìn)行不同燒結(jié)溫度保溫2 h 的空氣氣氛燒結(jié)，隨爐冷卻至室溫后得到粉煤灰保溫材料。

1.4 測試與表征

將燒結(jié)成型的保溫材料加工成半徑r、厚度h 的圓柱體試樣，按照式(1)計算表觀密度ρm和孔隙率ε[6]：

式中：m——保溫材料的質(zhì)量，g；

ρt——真密度，g/cm3。

采用TW-RG736 型導(dǎo)熱系數(shù)測定儀測試保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)，結(jié)果取3 組試樣平均值；根據(jù)GB/T 1964—1996《多孔陶瓷壓縮強度試驗方法》，在MTS-810 型萬能材料試驗機上測試抗壓強度，壓縮速率為3 mm/min，結(jié)果取3 組試樣的平均值。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 固相含量對保溫材料性能的影響

明膠摻量(按占粉煤灰漿料質(zhì)量計)為5%、燒結(jié)溫度950℃、十二烷基硫酸鈉摻量(按占粉煤灰漿料質(zhì)量計)為0.5%，漿料中固相含量為35%～55%時對保溫材料表觀密度和抗壓強度的影響見圖1，對保溫材料孔隙率和導(dǎo)熱系數(shù)的影響見圖2。

圖1 固相含量對保溫材料表觀密度和抗壓強度的影響

由圖1 可見，當(dāng)固相含量從35%增加至55%時，保溫材料的表觀密度先減小后增大，在固相含量為45%時表觀密度最小，這主要是因為在較低的固相含量時，保溫材料漿料黏度低，在機械攪拌過程中，漿料中的發(fā)泡劑雖然會產(chǎn)生大量泡沫，但是穩(wěn)泡性較差[7]，保溫材料固化過程中坯體不易成型，最終造成成型坯體會產(chǎn)生較大的體積收縮甚至局部坍塌；而固相含量較高時，保溫材料漿料黏度高，機械攪拌過程中漿料發(fā)泡效果差，成型坯體體積收縮小而具有較大的表觀密度。當(dāng)固相含量從35%增加至55%時，保溫材料的抗壓強度逐漸提高，在固相含量為55%時抗壓強度最高(1.3 MPa)。這主要是因為在較低的固相含量下，漿料發(fā)泡效果好，成型坯體中會由于體積收縮而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞[8]，抗壓強度較低；而在較高的固相含量下，漿料發(fā)泡效果較差，成型坯體體積收縮小、表觀密度大，相應(yīng)的抗壓強度較高。

圖2 固相含量對保溫材料孔隙率和導(dǎo)熱系數(shù)的影響

由圖2 可見，當(dāng)固相含量為35%時，保溫材料的孔隙率為83.3%，導(dǎo)熱系數(shù)為0.077 W/(m·K)；當(dāng)固相含量從35%增加至55%時，保溫材料的孔隙率先增大后減小，而導(dǎo)熱系數(shù)則先減小后增大，在固相含量為45%時孔隙率最大、導(dǎo)熱系數(shù)最小。這主要是因為固相含量較低時，漿料發(fā)泡效果好而穩(wěn)定性差，使得成型坯體發(fā)生較大體積收縮甚至局部坍塌，保溫材料的多孔結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，孔隙率較低而導(dǎo)熱系數(shù)較大[9]；在固相含量較高時，漿料發(fā)泡效果差，成型坯體體積收縮小，孔隙率較低、導(dǎo)熱系數(shù)較大。過高或者過低的固相含量都不利于形成抗壓強度較高且保溫性能良好的保溫材料，本試驗中適宜的固相含量為45%。

2.2 明膠摻量對保溫材料性能的影響

固相含量為45%、燒結(jié)溫度為950 ℃、十二烷基硫酸鈉摻量為0.5%，明膠摻量為1%～7%時對保溫材料表觀密度和抗壓強度的影響見圖3，對保溫材料孔隙率和導(dǎo)熱系數(shù)的影響見圖4。

圖3 明膠摻量對保溫材料表觀密度和抗壓強度的影響

由圖3 可見，當(dāng)明膠摻量從1%增加至7%，保溫材料的表觀密度先減小后增大，在明膠摻量為3%時表觀密度最小(0.254 g/cm3)，這主要是因為當(dāng)明膠摻量較低時，保溫材料漿料在成型過程中會發(fā)生局部坍塌，成型坯體表觀密度較大，而當(dāng)明膠摻量增加至3%以上時，保溫材料漿料黏度升高，發(fā)泡效果較差，成型坯體收縮小，使得保溫材料具有較大的表觀密度。當(dāng)明膠摻量從1%增加至7%，保溫材料的抗壓強度逐漸提高，在明膠摻量為7%時抗壓強度達(dá)到最高(0.57 MPa)，這主要是因為較低的明膠摻量會使得成型坯體內(nèi)部出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞，此時抗壓強度較低，而隨著明膠摻量增加，成型坯體密實性提高，抗壓強度相應(yīng)得到提高。

圖4 明膠摻量對保溫材料孔隙率和導(dǎo)熱系數(shù)的影響

由圖4 可見，當(dāng)明膠摻量從1%增加至7%，保溫材料的孔隙率先增大后減小，導(dǎo)熱系數(shù)先減小后增大，在明膠摻量為3%時孔隙率最大、導(dǎo)熱系數(shù)最小，不同明膠摻量的保溫材料的孔隙率和導(dǎo)熱系數(shù)呈負(fù)相關(guān)性。這主要是因為在明膠摻量為1%時，保溫材料漿料黏度低，發(fā)泡效果好而穩(wěn)泡性差，成型坯體內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，孔隙率低而導(dǎo)熱系數(shù)高；當(dāng)明膠摻量增加至3%時，保溫材料漿料發(fā)泡效果好，且成型坯體多孔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，孔隙率高而導(dǎo)熱系數(shù)低；繼續(xù)增加明膠摻量，保溫材料漿料黏度增大，發(fā)泡效果差，成型坯體多孔結(jié)構(gòu)較少而孔隙率減小、導(dǎo)熱系數(shù)增大。在明膠摻量為5%時，保溫材料漿料發(fā)泡效果好且成型坯體多孔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，保溫材料抗壓強度較高，具有良好的保溫特性，為本試驗中適宜的明膠摻量。

2.3 燒結(jié)溫度對保溫材料性能的影響

固相含量為45%、明膠摻量為5%、十二烷基硫酸鈉摻量為0.5%、羧甲基纖維素鈉摻量為0.2%，燒結(jié)溫度為850～1050℃時對保溫材料表觀密度和抗壓強度的影響見圖5，對保溫材料孔隙率和導(dǎo)熱系數(shù)的影響見圖6。

圖5 燒結(jié)溫度對保溫材料表觀密度和抗壓強度的影響

由圖5 可見，當(dāng)燒結(jié)溫度為850 ℃時，保溫材料的表觀密度為0.261 g/cm3、抗壓強度為0.36 MPa；隨著燒結(jié)溫度從850℃升高至1050 ℃，保溫材料的表觀密度和抗壓強度逐漸提高，在燒結(jié)溫度為1050 ℃時，保溫材料的表觀密度為0.297 g/cm3、抗壓強度為0.92 MPa。這主要是因為隨著燒結(jié)溫度提高，保溫材料中骨料顆粒的表面能會不斷減小，更容易填充保溫材料中的孔洞等缺陷[10]，致密度提高的同時抗壓強度提高。

圖6 燒結(jié)溫度對保溫材料孔隙率和導(dǎo)熱系數(shù)的影響

由圖6 可見，當(dāng)燒結(jié)溫度為850 ℃時，保溫材料的孔隙率為87.4%、導(dǎo)熱系數(shù)為0.051 W/(m·K)；隨著燒結(jié)溫度從850℃提高到1050 ℃，保溫材料的孔隙率逐漸減小、導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增大，當(dāng)燒結(jié)溫度為1050 ℃時，保溫材料的孔隙率減小至85.6%、導(dǎo)熱系數(shù)增大到0.083 W/(m·K)。這主要是因為隨著燒結(jié)溫度的提高，保溫材料中的孔洞結(jié)構(gòu)會被骨料顆粒不斷填充，成型坯體會更加密實，內(nèi)部氣體傳熱效果減弱，導(dǎo)熱系數(shù)升高。這主要是因為燒結(jié)溫度的升高有助于成型坯體中孔洞結(jié)構(gòu)的填充并形成致密化結(jié)構(gòu)。要想獲得抗壓強度較高且保溫性較好的保溫材料，適宜的燒結(jié)溫度為950 ℃。

2.4 燒結(jié)助劑對保溫材料性能的影響

固相含量為45%、明膠摻量為5%、十二烷基硫酸鈉摻量為0.5%、羧甲基纖維素鈉摻量為0.2%、燒結(jié)溫度為950 ℃，燒結(jié)助劑水玻璃摻量(按占粉煤灰漿料質(zhì)量計)為0～8%時對保溫材料表觀密度和抗壓強度的影響見圖7，對保溫材料孔隙率和導(dǎo)熱系數(shù)的影響見圖8。

圖7 水玻璃摻量對保溫材料表觀密度和抗壓強度的影響

由圖7 可見，當(dāng)未摻水玻璃時，保溫材料的表觀密度為0.271 g/cm3、抗壓強度為0.52 MPa；當(dāng)水玻璃摻量從0 增加至8%時，保溫材料的表觀密度和抗壓強度逐漸提高，在水玻璃摻量為8%時，保溫材料的表觀密度為0.331 g/cm3、抗壓強度為0.87 MPa。這主要是由于增加水玻璃摻量會促進(jìn)水玻璃中Na+與硅氧四面體中的O 更多地結(jié)合，而使得燒結(jié)體中液相增多[11]，孔洞得到填充，表觀密度增大，同時抗壓強度提高。

圖8 水玻璃摻量對保溫材料孔隙率和導(dǎo)熱系數(shù)的影響

由圖8 可見，當(dāng)未摻水玻璃時，保溫材料的孔隙率為87.1%、導(dǎo)熱系數(shù)為0.052 W/(m·K)；隨著水玻璃摻量從0 增加至8%，保溫材料的孔隙率逐漸減小、導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增大，在水玻璃摻量為8%時，保溫材料的孔隙率減小至84.2%、導(dǎo)熱系數(shù)增大至0.071 W/(m·K)。這主要是因為水玻璃摻量的增加會使得成型坯體中孔洞被更多的液相所填充，多孔結(jié)構(gòu)減少，孔隙率減小的同時導(dǎo)熱系數(shù)增大。為了保證保溫材料具有良好的成型性能、較高抗壓強度的同時具有良好的保溫性能，建議水玻璃摻量為4%，此時保溫材料的表觀密度為0.301 g/cm3、抗壓強度為0.62 MPa、導(dǎo)熱系數(shù)為0.061 W/(m·K)。

綜合而言，當(dāng)固相含量為45%、明膠摻量為5%、燒結(jié)溫度為950 ℃、水玻璃摻量為4%時保溫材料具有良好的綜合性能，能夠滿足保溫材料表觀密度≤0.3 g/cm3、抗壓強度≥0.5 MPa、導(dǎo)熱系數(shù)≤0.1 W/(m·K)的要求[12]。

3 結(jié) 論

(1)當(dāng)固相含量從35%增加至55%或者明膠摻量從1%增加至7%時，保溫材料的表觀密度和導(dǎo)熱系數(shù)先減小后增大、孔隙率先增大后減小，抗壓強度逐漸提高。

(2)隨著燒結(jié)溫度從850 ℃上升至1050 ℃，保溫材料的表觀密度、抗壓強度和導(dǎo)熱系數(shù)逐漸升高，孔隙率逐漸減??；當(dāng)水玻璃摻量從0 增加至8%時，保溫材料的表觀密度、導(dǎo)熱系數(shù)和抗壓強度逐漸升高，孔隙率逐漸減小。

(3)當(dāng)固相含量為45%、明膠摻量為5%、燒結(jié)溫度為950℃、水玻璃摻量為4%時，保溫材料具有良好的綜合性能，能夠滿足保溫材料表觀密度≤0.3 g/cm3、抗壓強度≥0.5 MPa、導(dǎo)熱系數(shù)≤0.1 W/(m·K)的要求。