發(fā)泡劑在發(fā)泡陶瓷保溫板中發(fā)泡原理的研究

鄧堅(jiān)勇　胡麗芳　羅淑芬　林志江

摘 要：本文通過研究發(fā)泡陶瓷保溫板的TG-DSC曲線，分析SiC-MgCO3-Li2CO3系發(fā)泡劑在燒結(jié)過程中的發(fā)泡原理，得出發(fā)泡劑主要是在高溫時(shí)通過發(fā)生分解和氧化等化學(xué)反應(yīng)放出大量氣體，此時(shí)坯體產(chǎn)生部分液相，在氣體的表面張力作用下形成均勻封閉的微細(xì)氣孔，最終形成了具有低導(dǎo)熱系數(shù)的發(fā)泡陶瓷保溫材料。

關(guān)鍵詞：SiC-MgCO3-Li2CO3系發(fā)泡劑；TG-DSC曲線；發(fā)泡原理；化學(xué)反應(yīng)

1 引言

近年來，發(fā)生了多起與保溫材料有關(guān)的重大火災(zāi)，備受各界人士的關(guān)注，起火的主要原因是所用保溫材料為有機(jī)材料，防火等級低。于是綠島科技研發(fā)出了A1級防火的發(fā)泡陶瓷保溫板，它特有的A1級防火，隔熱保溫，隔聲，防潮等性能，用于建筑屋面隔熱和外墻外保溫系統(tǒng)中，廣受好評，甚至被專家認(rèn)為可以取代現(xiàn)有的有機(jī)保溫材料EPS，XPS等。發(fā)泡陶瓷保溫板是以陶土尾礦、陶瓷碎片、摻加料等作為主要原料，添加少量的礦化劑及發(fā)泡劑，采用先進(jìn)的生產(chǎn)工藝和發(fā)泡成型技術(shù)，經(jīng)1180～1200℃高溫焙燒而成的高氣孔率的閉孔陶瓷材料。產(chǎn)品之所以具有好的隔熱保溫性能，主要原因是發(fā)泡劑在燒制過程中產(chǎn)生大量氣體，留下了大量氣孔在產(chǎn)品中。本文通過研究發(fā)泡陶瓷保溫板的TG-DSC曲線，分析發(fā)泡陶瓷保溫板燒結(jié)過程中發(fā)泡劑的發(fā)泡原理。

2 試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)原料及配比

陶土尾礦、陶瓷碎片、摻加料、礦化劑、組合發(fā)泡劑（SiC、MgCO3、Li2CO3）。具體配比見表1

2.2試驗(yàn)方法

2.2.1熱重分析法

熱重分析法（TG）是在程序控制溫度下，測量物質(zhì)的質(zhì)量隨溫度變化的一種技術(shù)方法。由熱重分析儀記錄的質(zhì)量變化對應(yīng)溫度的曲線稱為熱重曲線（TG曲線）。TG曲線縱坐標(biāo)為質(zhì)量，橫坐標(biāo)為溫度。通過分析TG曲線的變化，可以得出試樣發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)的起始溫度、終止溫度、最終失去質(zhì)量的多少等。用在無機(jī)材料中應(yīng)用中，通過分析TG曲線，可以對陶瓷礦物原料進(jìn)行定性和定量分析，吸水和脫水的測定，蒸發(fā)和升華速度的測量等。

2.2.2差示掃描量熱分析法

差示掃描量熱分析法（DSC）是在程序控制溫度下，測量待測試樣和參比物的能量差（功率差或者熱流差）隨溫度或者時(shí)間變化的一種技術(shù)方法。有差熱掃描量熱儀測量和記錄的反應(yīng)熱量對應(yīng)溫度的曲線稱為DSC曲線，縱坐標(biāo)表示熱量差，橫坐標(biāo)為溫度。在無機(jī)材料應(yīng)用中，通過分析DSC曲線出峰溫度、峰谷的數(shù)目、形狀和大小，并結(jié)合試樣的來源及其他分析資料，可鑒定出原料或產(chǎn)品中的礦物、相變，進(jìn)而找出吸熱或放熱效應(yīng)的原因。

3 結(jié)果與分析

對發(fā)泡陶瓷保溫板的配方進(jìn)行了TG-DSC試驗(yàn)測試，測試結(jié)果曲線如圖1。

（1）發(fā)泡陶瓷保溫板的TG曲線分析

從圖1的TG曲線中可以看出，隨著溫度的升高，伴隨著質(zhì)量的減少，主要發(fā)生在三個(gè)階段。第一階段發(fā)生在20～320℃之間，失重為0.51%，這是由于原料中的吸附水隨著溫度升高而脫水引起的失重；第二階段發(fā)生在320～800℃之間，失重為2.11%，此階段主要是原料雜質(zhì)的燒蝕及低溫發(fā)泡劑MgCO3分解放出CO2而引起的失重；第三階段發(fā)生在800～1190℃之間，失重為0.55%，此階段主要是高溫發(fā)泡劑SiC的氧化及Li2CO3高溫分解放出CO2氣體而引起的失重過程。

從總的TG曲線中可以看出，整個(gè)燒結(jié)過程中，失重為3.17%，整個(gè)燒結(jié)過程，實(shí)際的失重要比按照理論計(jì)算的失重少，這主要是因?yàn)榘l(fā)泡陶瓷保溫板氣孔率高，而且多為閉口氣孔，在燒結(jié)過程中，發(fā)泡劑產(chǎn)生的氣體并沒有完全排出，大部分被包裹在這些閉口氣孔中。在礦化劑MgO及MgCO3分解出的MgO共同作用下，試樣的熔融程度增加，液相量增加，包裹的氣體量增多，而且此時(shí)液相量的粘度和表面張力較大，氣體不易跑出，被牢牢的包裹形成氣泡，最終形成密閉氣孔保留在發(fā)泡陶瓷保溫板。

（2）發(fā)泡陶瓷保溫板的DSC曲線分析

從圖1的DSC曲線中，隨著溫度的升高，整個(gè)燒結(jié)反應(yīng)過程中主要有5個(gè)吸熱峰和一個(gè)放熱峰。第一個(gè)吸熱峰發(fā)生在20～320℃之間，吸熱峰溫度為77.5℃，主要原因是吸附水吸熱脫水的物理反應(yīng)過程；第二個(gè)吸熱峰發(fā)生在320～550℃之間，吸熱峰溫度為491.1℃，這主要試樣夾帶雜質(zhì)的一個(gè)燒蝕吸熱過程；第三個(gè)吸熱峰發(fā)生在550～800℃之間，吸熱峰溫度為575.7℃，在這個(gè)吸熱過程中，可能原因是發(fā)泡劑MgCO3的發(fā)生了分解反應(yīng)：MgCO3→MgO+CO2↑，放出了氣體，從而在曲線中變現(xiàn)為吸熱的過程；第四個(gè)吸熱峰發(fā)生在800～950℃之間，吸熱峰溫度為911.5℃，根據(jù)查閱的相關(guān)資料，此吸熱過程可能是發(fā)泡劑Li2CO3一個(gè)熔化過程而引起的吸熱；第五個(gè)吸熱峰發(fā)生在1100～1190℃之間，吸熱峰溫度為1189.5℃，此階段峰值比較大，吸收的熱量較多，其一原因可能是Li2CO3（Li2CO3→Li2O+CO2↑）受熱分解放出CO2氣體的一個(gè)化學(xué)反應(yīng)過程而引起的吸熱，其二原因是晶相轉(zhuǎn)變而引起的吸熱；而唯一的放熱峰發(fā)生在950～1100℃之間，放熱峰溫度為990℃，這可能是發(fā)泡劑SiC（SiC+2O2→SiO2+CO2↑）被氧化的一個(gè)化學(xué)反應(yīng)過程而引起的放熱。

綜合TG-DSC曲線分析可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)泡陶瓷保溫板的整個(gè)燒結(jié)過程中發(fā)泡劑的發(fā)泡原理是氧化反應(yīng)或者分解反應(yīng)而產(chǎn)生大量氣體，雖然反應(yīng)有部分質(zhì)量的損失，但是卻遠(yuǎn)比理論計(jì)算的失重量要小，不難發(fā)現(xiàn)大部分氣體被包裹起來形成氣泡。

4 結(jié)論

（1）SiC-MgCO3-Li2CO3系發(fā)泡劑在發(fā)泡陶瓷保溫板的發(fā)泡原理是通過氧化和分解等化學(xué)反應(yīng)來釋放大量氣體。

（2）整個(gè)燒結(jié)過程中失重小于理論計(jì)算失重，從而得出發(fā)泡劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)放出的氣體大部分被包裹起來，最后形成密閉的氣孔保留在發(fā)泡陶瓷保溫板中。

（3）配方在燒成過程中1189℃有一個(gè)明顯峰值，因此在1180～1200℃進(jìn)行20 min保溫，會大大提高產(chǎn)品的各種理化性能。

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