利用吸濕材料制備建筑多孔調(diào)濕陶瓷的研究

周雅琴+劉俊榮+張緹+梁耀龍

摘 要：現(xiàn)代建筑中的干濕問題對(duì)人居環(huán)境的影響越來越明顯，因此，具有調(diào)濕功能的建筑材料已成為國(guó)內(nèi)外生態(tài)建材發(fā)展的重點(diǎn)之—。本文利用拋光廢渣、陶瓷用普通原料，以及吸濕材料硅藻土、海泡石等制備多孔吸濕陶瓷材料，并研究了吸濕材料的外加量對(duì)吸濕性能的影響。同時(shí)，探討了最佳制備工藝及燒成制度。本文利用基礎(chǔ)料與吸濕材料的不同顆粒級(jí)配均勻混合，可制備出吸濕性較好的多孔調(diào)濕陶瓷，其吸濕率平均在175 g/㎡。

關(guān)鍵詞：吸濕陶瓷；硅藻土；海泡石；顆粒級(jí)配

1 引言

隨著人們?cè)絹碓疥P(guān)注現(xiàn)代建筑中存在的一系列干濕問題，采用具有調(diào)濕功能的建筑材料已成為國(guó)內(nèi)外生態(tài)建材發(fā)展的重點(diǎn)之—[1-4]。近些年，我國(guó)已開始進(jìn)行了一部分與調(diào)濕材料相關(guān)的研究，大多集中在硅膠、高分子聚合物、無機(jī)礦物質(zhì)以及復(fù)合材料上。但由于調(diào)濕機(jī)理的復(fù)雜性，以及某些調(diào)濕產(chǎn)品存在制造工藝復(fù)雜、生產(chǎn)成本高、濕容量過小、調(diào)濕速度慢等缺點(diǎn)[5-10]，因此，目前在這方面的研究進(jìn)展的比較緩慢。所以，制備出工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本低廉且調(diào)濕性能優(yōu)良的調(diào)濕材料，將成為目前調(diào)濕材料研發(fā)的主要方向。

本試驗(yàn)選用來源廣泛的拋光磚廢渣取代常用的陶瓷發(fā)泡劑，通過添加其他吸濕類材料，如：硅藻土、海泡石等，來調(diào)節(jié)吸濕功能。其主要原理為：在中低溫時(shí)，拋光廢渣起到微發(fā)泡作用，在燒制過程中吸濕類材料均勻的分散在樣品之中，并在內(nèi)部形成一定形狀和大小的孔洞，最終達(dá)到吸濕的目的，從而獲得建筑節(jié)能生態(tài)陶瓷材料。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1 實(shí)驗(yàn)原料及設(shè)備

（1）實(shí)驗(yàn)原料

本實(shí)驗(yàn)所采用的原料為佛山歐神諾陶瓷股份公司制拋光磚所用的常規(guī)原料，如：原礦泥、高溫砂、長(zhǎng)石、拋光磚廢渣F-1（F-1是拋光磚在經(jīng)過拋光處理時(shí)產(chǎn)生的廢水經(jīng)過分離、沉淀、壓濾、自然干燥后的回收料）、硅藻土、海泡石等。

（2）實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)所采用的主要設(shè)備有SY35-液壓壓磚機(jī)、101-4-電熱鼓風(fēng)干燥箱、HLJ16B -1600℃高溫井式電爐、BPS-50CL-恒溫恒濕箱、小型陶瓷球磨機(jī)、分樣篩、電子稱等。

2.2 吸濕陶瓷材料的制備工藝

吸濕陶瓷材料的制備工藝流程如圖1所示。

投料→球磨→過篩除鐵→噴粉→壓制成型→干燥→燒成

圖1 吸濕陶瓷材料的制備工藝流程

（1） 配料

吸濕材料的組成原料主要是普通陶瓷原料（高溫砂、長(zhǎng)石、原礦泥等）、石灰石、硅藻土、海泡石、拋光磚廢料F-1，各原料氧化物含量分析如表1所示。

首先，按配方比例稱取原料；然后，將稱好的原料投入球磨機(jī)中進(jìn)行球磨，其中，球﹕料﹕水=1.5﹕1﹕0.5；最后，將球磨好的漿料進(jìn)行過篩除鐵。

（2） 成型

首先，漿料由柱塞泵輸送至噴霧塔進(jìn)行噴霧干燥成粉；然后，將粉料壓制成不同尺寸規(guī)格及厚度的陶瓷磚坯。成型過程應(yīng)適當(dāng)排氣以防分層裂磚。

（3） 燒成

將干燥后的生坯磚放入電爐內(nèi)開始煅燒，其燒成制度按照研究需要進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

本文以傳統(tǒng)陶瓷原料和拋光磚廢渣作為多孔吸濕陶瓷的骨架，在此基礎(chǔ)上外加吸濕類材料，以提升樣品的吸濕率。為了保證樣品具有較大的吸濕率，對(duì)基礎(chǔ)配方進(jìn)行優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，其具體配方設(shè)計(jì)如表2所示。將這4組基礎(chǔ)配方在950℃溫度下進(jìn)行煅燒，其結(jié)果如表3所示。

由表3可知，基礎(chǔ)配方2在此溫度下燒成后效果最佳，由于配方中添加了拋光廢渣與石灰石，拋光廢渣中有拋光時(shí)磨頭損失的少量碳化硅，在燒成時(shí)使樣品產(chǎn)生微泡，而石灰石在燒成時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量氣泡。因此，樣品內(nèi)部均勻分布著細(xì)小孔洞，使樣品本身具有較好的吸濕效果。其吸水率為15.32%、吸濕率為90.75g/㎡、抗折強(qiáng)度為13.89MPa。因此，基礎(chǔ)配方2能夠作為此研究的基礎(chǔ)配方進(jìn)行更深入研究，其各氧化物含量如表4所示。

3.1 硅藻土對(duì)吸濕的影響

在優(yōu)化配方的基礎(chǔ)上外加不同配比的硅藻土，其試驗(yàn)配方如表5所示，A組配方均在950℃條件下燒成，其試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

由表6可知，隨著硅藻土不斷增加，樣品的吸水率與吸濕率逐漸增大，但其抗折強(qiáng)度卻在A-3出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。通過測(cè)試，A-3的吸水率為29.14%、吸濕率為175.43 g/㎡、抗折強(qiáng)度為6.3 MPa。

硅藻土由無定形的SiO2組成，并含有少量雜質(zhì)，有細(xì)膩、松散、質(zhì)輕、多孔、吸水性和滲透性強(qiáng)的物性。圖2為本試驗(yàn)所用硅藻土樣品在950 ℃條件下煅燒后的SEM圖。

由圖2可以看出，在此煅燒溫度下，硅藻土呈現(xiàn)良好的圓盤狀，并且圓盤上布滿了微細(xì)的孔洞。因此，隨著外加硅藻土的量不斷增加，其吸水率與吸濕率呈逐漸增大的趨勢(shì)，但又因硅藻土為細(xì)膩、松散、輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，當(dāng)硅藻土的外加量超過一定量時(shí)，其燒結(jié)樣品的抗折強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。所以，當(dāng)A-3配方中硅藻土外加量為40%時(shí)，其效果最佳。

3.2 海泡石對(duì)吸濕的影響

在最優(yōu)配方的基礎(chǔ)上外加不同配比的海泡石，進(jìn)一步探究海泡石對(duì)吸濕的影響，其試驗(yàn)配方如表7所示。B組配方均在950℃條件下燒成，其試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

由表8可知，隨著海泡石不斷增加，樣品的吸水率與吸濕率逐漸增大。當(dāng)外加海泡石的量達(dá)到40%時(shí)，其吸水率與吸濕率都達(dá)到最大，而樣品的抗折強(qiáng)度沒有明顯變化。因此，確定B-3為最佳配方，其吸水率為25.63%、吸濕率為152.94 g/㎡、抗折強(qiáng)度為6.39 MPa。

海泡石理論化學(xué)成份主要為：SiO2 54%～60%、MgO 21%～25%。本試驗(yàn)所用海泡石的內(nèi)部主要孔道孔徑約為5 nm。海泡石有高達(dá)900 ㎡/g的理論表面積，在通道和孔洞中可以吸附大量的水，具有較大的吸濕能力。圖3為海泡石的SEM圖所示。endprint

由圖3可知，海泡石纖維內(nèi)部存在大量的纖維結(jié)構(gòu)，同時(shí)，海泡石顆粒之間還存在大量的孔隙。因此，隨著外加海泡石量的增大，樣品中的吸濕材料的孔洞多，纖維之間的孔隙也增多，樣品的吸濕效果就增強(qiáng)。當(dāng)海泡石的外加量達(dá)到40%以上時(shí)，樣品中的孔隙達(dá)到一定飽和，無法持續(xù)增大樣品吸濕率。因此，海泡石的最佳外加量為40%。

3.3 粉料的顆粒級(jí)配對(duì)吸濕的影響

通過上述實(shí)驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)，外加一定量的硅藻土、海泡石，可以在一定程度上提高樣品的吸濕率。通過調(diào)整外加吸濕材料與配方2的顆粒級(jí)配，觀察樣品的吸濕性能。其試驗(yàn)配方如表9所示，試驗(yàn)結(jié)果如表10所示。

由表10可知，C-1與C-2的吸濕性能都比較不錯(cuò)，相比A-3與B-3性能都有所提高，而C-3的吸濕性能卻表現(xiàn)一般，但其抗折強(qiáng)度卻高于C-1與C-2。這是因?yàn)樵V泥相對(duì)吸濕材料來說更具有粘結(jié)性，在樣品燒結(jié)時(shí)產(chǎn)生較多的玻璃相，使得樣品的抗折強(qiáng)度有所提高，但其吸濕性能卻表現(xiàn)一般。

C-1與C-2的吸濕率都比A-3與B-3要高，這是因?yàn)樵贑組配方中，基礎(chǔ)配方2粉料的細(xì)度與吸濕材料粉料的細(xì)度有所差別，這樣經(jīng)混料后，在磚坯壓制成型時(shí)，可以使得這兩種粉料混合的更加均勻，細(xì)粉可以錯(cuò)落在粗粉的縫隙中形成緊密堆積，從而形成更細(xì)小的縫隙，這樣的縫隙增加了樣品的吸濕通道。因此，樣品的吸濕率有所提高。

4 結(jié)論

（1） 以拋光廢渣等原料為吸濕骨架，外加硅藻土、海泡石等吸濕材料，通過普通的陶瓷磚制備工藝能制備出吸濕性能較好的吸濕陶瓷材料。

（2） 在基礎(chǔ)配方2中外加40%硅藻土，當(dāng)煅燒溫度為950℃時(shí)，能得到較優(yōu)的吸濕效果，其樣品吸水率為29.14%、吸濕率為175.43g/㎡、抗折強(qiáng)度為6.3MPa。

（3） 在基礎(chǔ)配方2中外加40%海泡石，當(dāng)煅燒溫度為950℃時(shí)，能得到較優(yōu)的吸濕效果，其樣品吸水率為25.63%、吸濕率為152.94g/㎡、抗折強(qiáng)度為6.39MPa。

（4） 在通過工藝改進(jìn)后，將基礎(chǔ)配方2制成60目細(xì)粉，吸濕材料制成20目粉料，并以6：4的比例均勻混合，可得較優(yōu)配方。硅藻土樣品C-1的吸水率為31.18%、吸濕率為182.33g/㎡、抗折強(qiáng)度為6.87MPa；海泡石樣品C-2的吸水率為29.72%、吸濕率為167.59g/㎡、抗折強(qiáng)度為7.23MPa。

參考文獻(xiàn)

[1] 池田哲朗.調(diào)濕材料と濕度調(diào)節(jié)[J].石膏と石灰，1992，240，69.

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[9] 黃季宜，金招芬.調(diào)濕建材調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度的可行性分析[J].暖通

空調(diào)，2002，32（1），105.

[10] 冉茂宇.調(diào)濕材料及其研究應(yīng)用現(xiàn)狀[D].第八屆中國(guó)建筑物理

學(xué)術(shù)會(huì)議論文，2000，158.endprint

由圖3可知，海泡石纖維內(nèi)部存在大量的纖維結(jié)構(gòu)，同時(shí)，海泡石顆粒之間還存在大量的孔隙。因此，隨著外加海泡石量的增大，樣品中的吸濕材料的孔洞多，纖維之間的孔隙也增多，樣品的吸濕效果就增強(qiáng)。當(dāng)海泡石的外加量達(dá)到40%以上時(shí)，樣品中的孔隙達(dá)到一定飽和，無法持續(xù)增大樣品吸濕率。因此，海泡石的最佳外加量為40%。

3.3 粉料的顆粒級(jí)配對(duì)吸濕的影響

通過上述實(shí)驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)，外加一定量的硅藻土、海泡石，可以在一定程度上提高樣品的吸濕率。通過調(diào)整外加吸濕材料與配方2的顆粒級(jí)配，觀察樣品的吸濕性能。其試驗(yàn)配方如表9所示，試驗(yàn)結(jié)果如表10所示。

由表10可知，C-1與C-2的吸濕性能都比較不錯(cuò)，相比A-3與B-3性能都有所提高，而C-3的吸濕性能卻表現(xiàn)一般，但其抗折強(qiáng)度卻高于C-1與C-2。這是因?yàn)樵V泥相對(duì)吸濕材料來說更具有粘結(jié)性，在樣品燒結(jié)時(shí)產(chǎn)生較多的玻璃相，使得樣品的抗折強(qiáng)度有所提高，但其吸濕性能卻表現(xiàn)一般。

C-1與C-2的吸濕率都比A-3與B-3要高，這是因?yàn)樵贑組配方中，基礎(chǔ)配方2粉料的細(xì)度與吸濕材料粉料的細(xì)度有所差別，這樣經(jīng)混料后，在磚坯壓制成型時(shí)，可以使得這兩種粉料混合的更加均勻，細(xì)粉可以錯(cuò)落在粗粉的縫隙中形成緊密堆積，從而形成更細(xì)小的縫隙，這樣的縫隙增加了樣品的吸濕通道。因此，樣品的吸濕率有所提高。

4 結(jié)論

（1） 以拋光廢渣等原料為吸濕骨架，外加硅藻土、海泡石等吸濕材料，通過普通的陶瓷磚制備工藝能制備出吸濕性能較好的吸濕陶瓷材料。

（2） 在基礎(chǔ)配方2中外加40%硅藻土，當(dāng)煅燒溫度為950℃時(shí)，能得到較優(yōu)的吸濕效果，其樣品吸水率為29.14%、吸濕率為175.43g/㎡、抗折強(qiáng)度為6.3MPa。

（3） 在基礎(chǔ)配方2中外加40%海泡石，當(dāng)煅燒溫度為950℃時(shí)，能得到較優(yōu)的吸濕效果，其樣品吸水率為25.63%、吸濕率為152.94g/㎡、抗折強(qiáng)度為6.39MPa。

（4） 在通過工藝改進(jìn)后，將基礎(chǔ)配方2制成60目細(xì)粉，吸濕材料制成20目粉料，并以6：4的比例均勻混合，可得較優(yōu)配方。硅藻土樣品C-1的吸水率為31.18%、吸濕率為182.33g/㎡、抗折強(qiáng)度為6.87MPa；海泡石樣品C-2的吸水率為29.72%、吸濕率為167.59g/㎡、抗折強(qiáng)度為7.23MPa。

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學(xué)術(shù)會(huì)議論文，2000，158.endprint

由圖3可知，海泡石纖維內(nèi)部存在大量的纖維結(jié)構(gòu)，同時(shí)，海泡石顆粒之間還存在大量的孔隙。因此，隨著外加海泡石量的增大，樣品中的吸濕材料的孔洞多，纖維之間的孔隙也增多，樣品的吸濕效果就增強(qiáng)。當(dāng)海泡石的外加量達(dá)到40%以上時(shí)，樣品中的孔隙達(dá)到一定飽和，無法持續(xù)增大樣品吸濕率。因此，海泡石的最佳外加量為40%。

3.3 粉料的顆粒級(jí)配對(duì)吸濕的影響

通過上述實(shí)驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)，外加一定量的硅藻土、海泡石，可以在一定程度上提高樣品的吸濕率。通過調(diào)整外加吸濕材料與配方2的顆粒級(jí)配，觀察樣品的吸濕性能。其試驗(yàn)配方如表9所示，試驗(yàn)結(jié)果如表10所示。

由表10可知，C-1與C-2的吸濕性能都比較不錯(cuò)，相比A-3與B-3性能都有所提高，而C-3的吸濕性能卻表現(xiàn)一般，但其抗折強(qiáng)度卻高于C-1與C-2。這是因?yàn)樵V泥相對(duì)吸濕材料來說更具有粘結(jié)性，在樣品燒結(jié)時(shí)產(chǎn)生較多的玻璃相，使得樣品的抗折強(qiáng)度有所提高，但其吸濕性能卻表現(xiàn)一般。

C-1與C-2的吸濕率都比A-3與B-3要高，這是因?yàn)樵贑組配方中，基礎(chǔ)配方2粉料的細(xì)度與吸濕材料粉料的細(xì)度有所差別，這樣經(jīng)混料后，在磚坯壓制成型時(shí)，可以使得這兩種粉料混合的更加均勻，細(xì)粉可以錯(cuò)落在粗粉的縫隙中形成緊密堆積，從而形成更細(xì)小的縫隙，這樣的縫隙增加了樣品的吸濕通道。因此，樣品的吸濕率有所提高。

4 結(jié)論

（1） 以拋光廢渣等原料為吸濕骨架，外加硅藻土、海泡石等吸濕材料，通過普通的陶瓷磚制備工藝能制備出吸濕性能較好的吸濕陶瓷材料。

（2） 在基礎(chǔ)配方2中外加40%硅藻土，當(dāng)煅燒溫度為950℃時(shí)，能得到較優(yōu)的吸濕效果，其樣品吸水率為29.14%、吸濕率為175.43g/㎡、抗折強(qiáng)度為6.3MPa。

（3） 在基礎(chǔ)配方2中外加40%海泡石，當(dāng)煅燒溫度為950℃時(shí)，能得到較優(yōu)的吸濕效果，其樣品吸水率為25.63%、吸濕率為152.94g/㎡、抗折強(qiáng)度為6.39MPa。

（4） 在通過工藝改進(jìn)后，將基礎(chǔ)配方2制成60目細(xì)粉，吸濕材料制成20目粉料，并以6：4的比例均勻混合，可得較優(yōu)配方。硅藻土樣品C-1的吸水率為31.18%、吸濕率為182.33g/㎡、抗折強(qiáng)度為6.87MPa；海泡石樣品C-2的吸水率為29.72%、吸濕率為167.59g/㎡、抗折強(qiáng)度為7.23MPa。

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