中鋁質(zhì)閉孔泡沫陶瓷磚的制備和性能研究

1、中國陶瓷工業(yè)年月第卷第期，文章編號：1006-2874（2010）05-0018-04中鋁質(zhì)閉孔泡沫陶瓷磚的制備和性能研究張小鋒摘劉維良佘小曼（景德鎮(zhèn)陶瓷學院材料科學與工程學院，景德鎮(zhèn)：）要采用發(fā)泡法，以廢石膏為發(fā)泡劑，通過干壓成型工藝制備出了中鋁質(zhì)閉孔泡沫陶瓷磚。主要探討了助燒熔劑和燒成制度等因素對閉孔泡沫陶瓷磚性能的影響。采用真空密度儀、萬能測試機、導熱儀分別測試了樣品的真密度、抗壓強度、導熱系數(shù)，采用排水法測量了樣品的體積密度、閉孔氣孔率，通過分析了樣品的閉孔分布。實驗結(jié)果表明：樣品的真密度為，體積密度為，抗壓強度為，熱導率為（），閉孔氣孔率為，樣品內(nèi)閉孔分布均勻。關(guān)鍵詞泡沫陶瓷磚，中鋁

2、瓷，閉孔中圖分類號：文獻標識碼：表泡沫陶瓷主原料配比引言原料Tab.1Proportionofrawmaterial含量(wt%)70.717192.8原料高嶺土膨潤土石英含量t(wt%)522.5自20世紀70年代美國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雜的泡沫陶瓷，以滿足一些特殊場合的應(yīng)用需要，主要原理是在陶瓷原料中加入適當?shù)陌l(fā)泡劑，通過化學反應(yīng)產(chǎn)生氣體不逸出

3、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7585%之間。本實驗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。本實驗主要探討了助燒熔劑和燒成制度等因素對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。氧化鋁鉀長石滑石采用德國Netzsch公司的STA449C型綜合熱分析對泡沫陶瓷基體配料進行熱分析；采用美國麥克公司的Accu-Pyc1330型全自動真密度儀測量泡沫陶瓷樣品的

4、真密度；采用阿基米德排水法測量泡沫陶瓷樣品的體積密度、氣孔率；采用力創(chuàng)公司的微電子萬能試驗機測試泡沫陶瓷樣品的抗壓強度；采用日本KYOTO公司的QTM-500型熱導率分析儀測量泡沫陶瓷樣品的熱導率；采用日本電子公司的JSM-6700F型掃描電子顯微鏡對泡沫陶瓷樣品形貌進行觀察分析。實驗過程本實驗發(fā)泡劑為陶瓷工廠廢棄石膏，外加量為8wt%，因此在實驗前首先對廢石膏模進行表面清洗、破碎、球磨、烘干、碾磨過80目篩備用。在實驗過程中，先按配方配料、球磨、烘干，加入10wt%的PVA溶液（溶度為5%）進行造粒，得到的造粒粉料陳腐2天后進行壓樣（壓力為1020MPa）和燒成（燒成溫度為13001400，

5、保溫時間為60min）。實驗實驗原料與測試儀器實驗用主原料為高嶺土、工業(yè)氧化鋁、膨潤土、石英、鉀長石；發(fā)泡劑為陶瓷工廠用過的廢石膏，粘結(jié)劑PVA（分子量1600）溶液由實驗室配制。根據(jù)前期的實驗結(jié)果確定了閉孔泡沫陶瓷的基體配方如表1所示。收稿日期：2010-05-15通訊聯(lián)系人：劉維良，E-mail:jdzweiliang結(jié)果與討論分析采用TG/DTA研究了泡沫陶瓷材料在升溫過程中的變化，年第期中國陶瓷工業(yè)如圖1所示。在141.3時，石膏粉（CaSO41/2H2O）吸熱失去半個結(jié)晶水，出現(xiàn)第一個吸熱峰，此過程失重6.42%；在304.2時，原料中的吸附水蒸發(fā)吸熱出現(xiàn)第二個吸熱峰，此過程失重12

6、.80%；在511.3時，原料中的PVA吸熱分解產(chǎn)生另一個吸熱峰；在1302.0時，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13001400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，因為在高溫下，原料中的玻璃質(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)生的三氧化硫會使玻璃相物質(zhì)膨脹，當冷卻后就會形成閉孔結(jié)構(gòu)5。本實驗根據(jù)熱分析結(jié)果擬確定燒成溫度為1300以上，因為在制備閉孔泡沫陶瓷時，發(fā)泡劑的分解溫度要高于玻

7、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沿著晶粒間隙逸出，不會出現(xiàn)閉孔泡沫結(jié)構(gòu)。鉀長石對泡沫陶瓷性能的影響3.2.1鉀長石含量對泡沫陶瓷氣孔率的影響以鉀長石為助燒熔劑，鉀長石的含量在1719wt%之間。鉀長石的含量不同，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。隨著鉀長石含量的增加，閉孔鉀長石含量的增氣孔率依次增加，而開孔氣孔率卻依次降低。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，泡沫陶瓷樣品中顆粒之間潤濕性較好，樣品表面的流動性較好

8、，故樣品的開口氣孔率降低5。本實驗為了進一步驗證以上結(jié)論，對不同鉀長石加入量的泡沫陶瓷樣品進行體積密度和真密度的測試，如圖3所示。隨著鉀長石含量的增加，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鉀長石含量對泡沫陶瓷抗壓強度、熱導率的影響隨著鉀長石含量的增加，泡沫陶瓷的抗壓強度依次降低,如圖5所示。當鉀長石含量增加時，試樣在高溫時熔融程度增加，封閉的三氧化硫氣體增加，導致閉孔減薄，如圖4所示。圖4（a）是鉀長石含量為17wt%時的孔壁SEM照片，此時孔壁較厚，泡沫陶瓷樣品抗壓強度的測試結(jié)果較大；圖4（b）是鉀長石含量為19wt%時的孔壁SEM照片，此時的孔

9、壁較薄，樣品抗壓強度的測試結(jié)果較小。鉀長石含量的增加，會引起泡沫陶瓷熱導率降低，如圖5中國陶瓷工業(yè)年第期所示。那是因為鉀長石含量增加會導致氣孔率增加，最終孔壁總表面積增加，而孔壁對熱傳導有反射作用，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，因此熱導率降低6。燒結(jié)溫度對泡沫陶瓷性能的影響3.3.1燒結(jié)溫度對泡沫陶瓷氣孔率的影響泡沫陶瓷的燒結(jié)溫度和保溫時間同時影響泡沫陶瓷的氣孔率。當保溫時間一定時，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。當燒成溫度一定時，隨著保溫時間的增加，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間為60min，

10、在本實驗中僅考慮燒成溫度對氣孔率的影響。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。當燒成溫度在13001360時，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樣品內(nèi)玻璃相增多，包裹的三氧化硫氣體增多導致閉孔氣孔率增加的緣故；但當燒結(jié)溫度大于1360時，閉孔氣孔率卻減少，那是因為溫度繼續(xù)升高時，閉孔內(nèi)氣體明顯膨脹，部分氣體沖破孔壁連成通孔。對于開孔氣孔率而言，在燒結(jié)溫度的提高過程中開孔氣孔率一直在增加，當燒成溫度超過1360時，開口氣孔率增加速率更大，那是因為泡沫陶瓷樣品閉孔內(nèi)氣體膨脹逸出的原因。3.3.2燒結(jié)溫度對泡沫陶瓷抗壓強度、熱導率的影響燒結(jié)溫度在13001400時，

11、隨著燒成溫度的提高，泡沫陶瓷磚的抗壓強度降低，如圖8所示。這是由于當溫度升高時，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，最終導致抗壓強度降低。圖7（a）中為燒成溫度為1360時的孔壁厚度，圖7（b）為燒成溫度1400時的孔壁厚度。從圖中可以看出，燒結(jié)溫度高時的孔壁比燒結(jié)溫度低時的孔壁薄，因此導致泡沫陶瓷抗壓強度在高溫燒結(jié)時比在低溫燒結(jié)時要小。隨著泡沫陶瓷燒結(jié)溫度的增加，泡沫陶瓷的熱導率降低，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，最終導致熱導率的降低9。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

12、發(fā)高性能的閉孔泡沫陶瓷磚。泡劑，能夠制備出成本低、年第期中國陶瓷工業(yè)（2）閉孔泡沫陶瓷磚的閉孔氣孔率隨著鉀長石含量的增加而增加，抗壓強度和熱導率降低。(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，抗壓強度和熱導率降低。參考文獻1羅民華.多孔陶瓷.北京:中國建材工業(yè)出版社,2006,62張小鋒，于國強等.氧化鋁的應(yīng)用.佛山陶瓷,2010,20（2）:38433TatsuhiroTakahashiandPaoloColombo.SiO2ceramicfoamsthroughmeltfoamingofamethylsiliconepreceramicpolymer.Journalo

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14、lJournalD,2009,54:1411489池躍章,余愛民等.發(fā)泡劑對利用廢渣和尾礦制備閉孔發(fā)泡陶瓷的影（7）:8082響.新型建筑材料,2008,STUDYONPREPARATIONANDPROPERTIESOFTHEMIDDLE-ALUMINACLOSED-CELLFOAMCERAMICBRICKSZhangXiaofengLiuWeiliangSheXiaoman(SchoolofMaterialsScienceandEngineering,JingdezhenCeramicInstitute,Jingdezhen333001)ABSTRACTThemiddle-aluminacl

15、osed-cellfoamceramicbrickswerepreparedbyfoamingandpressingprocess.Thewastedgypsumwasusedasfoamingmaterialsinthisprocess.Theeffectsoffluxandsinteringsystemonpropertiesofclosed-cellfoamceramicbrickswerestudied.Thefoamceramicvacuumdensity,bulkdensity,porosity,compressionstrengthandthermalconductivityweretestedbyvacuumdensitometer,thedrainagemethod,universaltestingmachineandthermalanalysisinstrumentrespectively.Moreover,thefoamceramicclosed-celldistributionwasanalyzedbySEM.Theexperimentalresultsindicatethatthetruedensityofthesamplesis2.691g/c