發(fā)泡陶瓷耐火極限性能的研究

李子恒

摘 要：以鈦白粉廠中間產(chǎn)物制備了TiO2微粒，在發(fā)泡陶瓷中分別和同時(shí)添加錳泥和TiO2微粒，進(jìn)行燒結(jié)。通過(guò)SEM表征微觀形態(tài);抗壓抗折儀測(cè)定抗壓抗折強(qiáng)度，并進(jìn)行了耐火極限性能的的測(cè)定。結(jié)果表明：成功合成了一種發(fā)泡陶瓷。添加錳泥、TiO2微粒對(duì)發(fā)泡陶瓷的溫度、微觀結(jié)構(gòu)會(huì)有比較大的影響，并隨著發(fā)泡陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)變化會(huì)對(duì)發(fā)泡陶瓷的耐火極限和抗壓抗折性能產(chǎn)生影響。經(jīng)過(guò)改性的發(fā)泡陶瓷耐火極限性能最高達(dá)到3.47 h，抗壓強(qiáng)度達(dá)到10.1 MPa和3.7 MPa。

關(guān)鍵詞：發(fā)泡陶瓷;耐火極限;錳泥;TiO2微粒

1 前 言

發(fā)泡陶瓷是陶瓷原料添加發(fā)泡劑后經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié)而得到的一種閉孔的多孔陶瓷[1]。其閉孔直徑為0.1 ～ 5 mm左右，孔之間互不連通[2，3]。發(fā)泡陶瓷有諸多優(yōu)點(diǎn)[4-6]：燒結(jié)后的發(fā)泡陶瓷孔的表面玻璃化，所以發(fā)泡陶瓷不吸水;因發(fā)泡陶瓷含有大量的閉合氣孔，其導(dǎo)熱系數(shù)小，保溫性能比較好;同樣大量的閉合氣孔也為發(fā)泡陶瓷帶來(lái)了優(yōu)異的隔音性能;發(fā)泡陶瓷是在1200℃左右燒結(jié)的陶瓷材料，故有較好的抗壓抗折強(qiáng)度，且其防火等級(jí)達(dá)到了A1級(jí)。發(fā)泡陶瓷以其諸多的優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用在建筑保溫及室內(nèi)隔墻等工程中[6，7]，成為了節(jié)能技術(shù)及產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的熱點(diǎn)，先后出現(xiàn)了尾礦、拋光磚廢渣、陶瓷廢渣等為原料的生產(chǎn)工藝[8-11]。

但是也正是由于發(fā)泡陶瓷大量的閉合氣孔的存在，在接觸持續(xù)的火焰時(shí)，閉合氣孔內(nèi)的氣體膨脹，對(duì)閉孔產(chǎn)生應(yīng)力，達(dá)到其極限時(shí)就會(huì)開裂，整個(gè)發(fā)泡陶瓷四分五裂，失去完整性，失去其隔墻的效果，同時(shí)也失去了防火的作用。因此，如何提高發(fā)泡陶瓷耐火極限性能也是目前發(fā)泡陶瓷所要解決的問(wèn)題。

本文通過(guò)添加錳泥及TiO2微粒實(shí)現(xiàn)了一種提高發(fā)泡陶瓷耐火極限性能的方法，并研究了其微觀形態(tài)及物理性能，以期為提高發(fā)泡陶瓷耐火極限性能提供參考，更好地 改進(jìn)發(fā)泡陶瓷工藝，完善發(fā)泡陶瓷并使其得到更廣的應(yīng)用。

2 原料、試劑和儀器

2.1原料

（1）鉀鈉長(zhǎng)石：產(chǎn)自廣西桂林，其化學(xué)成分見表1。

（2）錳泥：來(lái)自廣西桂林，為錳鐵礦的礦物尾泥，其化學(xué)成分見表1。

（3）黃泥：來(lái)自廣西桂林，其化學(xué)成分見表1。

（4）硫酸鈦和硫酸氧鈦：來(lái)自廣西某鈦白粉廠中間產(chǎn)物，為沉降、過(guò)濾、濃縮后的溶液。

（5）尿素：產(chǎn)自廣西某化工廠，含氮量大于46.4%。

（6）熟石灰：來(lái)自廣西某石灰加工廠。

（7）Span80：工業(yè)級(jí)，產(chǎn)自廣東某化工廠。

（8）Tween40：工業(yè)級(jí)，產(chǎn)自廣東某化工廠。

（9）氫氧化鈉：工業(yè)級(jí)，購(gòu)于廣西。

（10）鹽酸：工業(yè)級(jí)，購(gòu)于廣西。

（11）滑石：來(lái)自廣西上林，其化學(xué)成分見表1。

（12）碳化硅：購(gòu)于佛山，150目。

（13）其它化學(xué)輔料。

2.2 TiO2微粒的制備

將90 g尿素溶解到1L水中，稱取260 g熟石灰緩緩加入到溶有尿素的水中，攪拌2 ～ 6 h，放置待澄清后過(guò)濾，得到溶液A。將硫酸鈦和硫酸氧鈦的濃縮溶液與水按照1：10的比例混合均勻，得到溶液B。將Span80和Tween40按照一定比例加入到環(huán)己烷中，攪拌30 min，混合均勻，得到乳化液。將乳化液均勻分成兩份，其中一份加入溶液A攪拌均勻制成乳液A;另一份加入溶液B攪拌均勻制成乳液B。劇烈攪拌下將乳液A緩慢地加入到乳液B中，得到白色的TiO2微粒的乳液，該溶液抽濾后得到白色TiO2微粒粉末。

2.3 發(fā)泡陶瓷的制備

按照配方（表2）分別稱取鉀鈉長(zhǎng)石、錳泥、黃泥、滑石、碳化硅和TiO2微粒粉末，用快速球磨機(jī)將原料混合20 min，使原料各組分充分混合。將混合好的原料噴霧造粒、陳腐一段時(shí)間后，放入磨具，在臺(tái)式快速全自動(dòng)爐中進(jìn)行燒結(jié)處理，燒結(jié)制度見圖1。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 TiO2微粒的表征

采用SEM和激光粒度分析儀對(duì)TiO2微粒進(jìn)行表征，結(jié)果見圖2。

從圖2（1）中可以看到制備的TiO2微粒多呈準(zhǔn)球形，部分TiO2微粒團(tuán)聚在一起生成較大的粒子。粒度分布相對(duì)均勻，通過(guò)粒度分析可以得到納米粒子的粒徑多在0.6 ～ 1.0 μm之間。掃描電鏡結(jié)果說(shuō)明，得到了較為均勻的準(zhǔn)球形的TiO2微粒，其粒徑大于100 nm，由于該粒徑較小，其TiO2微粒在燒結(jié)時(shí)的燒結(jié)溫度比普通的TiO2粉末要低的多。

3.2 改性發(fā)泡陶瓷的微觀形貌分析

為觀察發(fā)泡陶瓷及改性發(fā)泡陶瓷的形貌，對(duì)燒結(jié)完成后的發(fā)泡陶瓷及改性發(fā)泡陶瓷拍照，見圖3;為觀察發(fā)泡陶瓷及改性發(fā)泡陶瓷的微觀形貌，采用SEM進(jìn)行表征，結(jié)果見圖2。

從圖3（3）可以看到，普通發(fā)泡陶瓷的顏色為青白色，其孔徑在0.1 ～ 0.2 cm之間，觀察孔內(nèi)有明顯的玻璃化現(xiàn)象，說(shuō)明該燒成制度適合該原料制備的發(fā)泡陶瓷的燒成。在此燒成基礎(chǔ)上，添加錳泥、TiO2微粒后的發(fā)泡陶瓷也出現(xiàn)了明顯的玻璃化現(xiàn)象（圖1、2、4）。其中添加錳泥的發(fā)泡陶瓷（圖1）為紫黑色，說(shuō)明錳和鐵的添加導(dǎo)致發(fā)泡陶瓷的顏色明顯加深，其孔徑在0.1 ～ 0.2 cm之間，說(shuō)明錳和鐵的添加對(duì)發(fā)泡陶瓷燒成溫度的影響不明顯。添加TiO2微粒的發(fā)泡陶瓷（圖4）為雪白色，說(shuō)明鈦的添加導(dǎo)致發(fā)泡陶瓷的顏色變白，其孔徑在0.2 ～ 0.3 cm之間，但并沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)燒現(xiàn)象，說(shuō)明加入1%粒徑較小的TiO2微粒，對(duì)發(fā)泡陶瓷燒成溫度降低大概3 ～ 7℃。同時(shí)添加了TiO2微粒與錳泥的發(fā)泡陶瓷（圖2）為灰白色，其孔徑在0.1 ～ 0.25 cm之間，說(shuō)明添加少量粒徑較小的TiO2微粒，對(duì)發(fā)泡陶瓷燒成溫度降低大概1 ～ 3℃。

從圖2（2）可以看到，普通發(fā)泡陶瓷在SEM下有很多細(xì)小的裂痕，并出現(xiàn)了一些褶皺的現(xiàn)象。在普通發(fā)泡陶瓷接觸火焰時(shí)，氣泡內(nèi)的氣體受熱膨脹，這些細(xì)小的裂痕以及褶皺導(dǎo)致發(fā)泡陶瓷上的氣孔受力不均勻，隨著持續(xù)接觸火焰，氣孔受應(yīng)力越來(lái)越大，最終破碎，導(dǎo)致發(fā)泡陶瓷的耐火極限性能的時(shí)間并不長(zhǎng)。而添加錳泥后（圖2（3）），出現(xiàn)了層狀結(jié)構(gòu)，每個(gè)層的表面上不存在裂痕，并且褶皺消失。這種結(jié)構(gòu)在持續(xù)接觸到火焰后，會(huì)在層和層之間的位置出現(xiàn)應(yīng)力不均勻的現(xiàn)象。添加TiO2微粒后（圖2（4）），發(fā)泡陶瓷表面幾乎變?yōu)橐粋€(gè)整體，不存在裂痕，并且褶皺消失。這種結(jié)構(gòu)持續(xù)接觸火焰，氣孔受應(yīng)力整體幾乎一致，要比普通發(fā)泡陶瓷的耐火極限性能時(shí)間會(huì)長(zhǎng)得多。同時(shí)添加錳泥和TiO2微粒后（圖2（5）），發(fā)泡陶瓷表面變?yōu)橐粋€(gè)整體，不存在裂痕，并且褶皺消失，也不存在分層的現(xiàn)象。這種結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)中其它組的耐火極限性能時(shí)間相比，會(huì)長(zhǎng)很多。

3.3 改性發(fā)泡陶瓷的耐火極限性能

普通發(fā)泡陶瓷耐火極限性能時(shí)長(zhǎng)為1.13 h，添加錳泥發(fā)泡陶瓷耐火極限性能時(shí)長(zhǎng)為1.75 h，添加TiO2微粒發(fā)泡陶瓷耐火極限性能時(shí)長(zhǎng)為2.55 h，添加TiO2微粒與錳泥發(fā)泡陶瓷耐火極限性能時(shí)長(zhǎng)為3.47 h。從實(shí)際測(cè)量的耐火極限性能來(lái)看，材料的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)耐火極限性能影響比較大，當(dāng)材料存在很多細(xì)小的裂痕，并出現(xiàn)一些褶皺時(shí)，其耐火極限性能最差。發(fā)泡陶瓷表面成為一個(gè)整體，不存在裂痕，褶皺消失，也不存在分層時(shí)，其耐火性能最好。根據(jù)GB 50016-2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》：民用建筑中墻體耐火極限性能最高要求達(dá)到3 h。其中添加TiO2微粒與錳泥發(fā)泡陶瓷顯然可以滿足該要求。

2.4 改性發(fā)泡陶瓷的抗壓抗折強(qiáng)度

材料的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)抗壓抗折性能影響同樣比較大，為研究材料的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)抗壓抗折性能的影響，進(jìn)行了抗壓抗折實(shí)驗(yàn)。具體數(shù)據(jù)見表3。

當(dāng)材料存在很多細(xì)小的裂痕，并出現(xiàn)一些褶皺時(shí)，其抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度在幾個(gè)樣品中最差。隨著微觀結(jié)構(gòu)中的細(xì)小裂痕、褶皺的消失，其抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度明顯增加。發(fā)泡陶瓷表面不存在裂痕，褶皺消失，也不存在分層時(shí)，其抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度最好。這是由于細(xì)小的裂痕、褶皺存在時(shí)，發(fā)泡陶瓷受到外力后，其裂痕、褶皺的位置會(huì)逐漸擴(kuò)大，直至斷裂;當(dāng)裂痕、褶皺消失后，其整個(gè)面受力，直至表面出現(xiàn)裂痕后才會(huì)被破壞。因此添加TiO2微粒與錳泥的發(fā)泡陶瓷的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度最好。

4 結(jié) 論

（1）使用鉀鈉長(zhǎng)石、黃泥、滑石合成了一種白色的發(fā)泡陶瓷，并且添加錳泥、TiO2微粒對(duì)其改性，其發(fā)泡陶瓷孔徑均在0.1 ～ 0.3 cm之間，并且均有玻璃化現(xiàn)象。

（2）添加錳泥、TiO2微粒對(duì)發(fā)泡陶瓷的性質(zhì)會(huì)有比較大的影響。其中，添加了TiO2微粒會(huì)對(duì)發(fā)泡陶瓷的燒成溫度有所降低;添加錳泥、TiO2微粒會(huì)對(duì)發(fā)泡陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，發(fā)泡陶瓷原有的褶皺、裂痕消失。

（3）發(fā)泡陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)變化會(huì)對(duì)發(fā)泡陶瓷的性質(zhì)產(chǎn)生影響，隨著發(fā)泡陶瓷原有的裂痕、褶皺消失，其耐火極限性能提高，并達(dá)到民用建筑中墻體耐火極限性能最高要求;抗壓抗折性能也有所增加。

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