以銨鹽類為發(fā)泡劑制備多孔陶粒試驗

解小娟 羅桂發(fā) 楊博兆 杜曉陽 熊輝 萬賀 左海平 朱恩

摘要：多孔材料的成孔率與其成孔方式、成孔機制密小可分。為研究碳酸氫銨、乙酸銨兩種外加劑對多孔陶粒熱分解機制和成孔形態(tài)的影響，通過對該兩類外加劑陶粒的顯孔率、孔結構微觀形貌分析、吸聲性能、筒壓強度等性能指標研究，得到兩種發(fā)泡劑對多孔陶粒成孔的影響規(guī)律。試驗結果表明：碳酸氫銨和乙酸銨兩種銨鹽類發(fā)泡劑均可用于制備多孔陶粒，制得的多孔陶粒吸聲性能、低頻段吸聲性能均有所提高，且筒壓強度滿足要求，但碳酸氫銨明顯優(yōu)于乙酸銨。要獲得均勻、密集的多孔陶粒，可選質(zhì)量分數(shù)為2.0%的碳酸氫銨為發(fā)泡劑。

關鍵詞：發(fā)泡劑;多孔吸聲陶粒：孔結構;SEM分析

中圖分類號：TB383DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2020.01.010

0引言

多孔材料因其內(nèi)部有大量互相貫通、向外敞開的微孔而具有良好的吸聲性能。常用于形成材料孔隙的方法有：有機泡沫浸漬法、造孔劑法和發(fā)泡法等。張騰等試驗前期對比3種成孔方式，表明前兩種方式成孔過程中的孔隙率、孔徑、孔的開口方向難以控制，不利于研究。己有的研究多是研究發(fā)泡劑摻合量對成孔效果的影響，而對比兩種不同發(fā)泡劑對制備多孔陶粒影響的論文很少，因此，本文選擇兩種外加劑：碳酸氫銨、乙酸銨作為發(fā)泡劑，分別探究其對多孔陶粒成孔機制和孔形態(tài)的影響，并探究其對多孔陶粒的顯孔率、孔結構微觀形貌分析、吸聲性能、筒壓強度等性能指標的影響。研究成果為制備吸聲性能優(yōu)良、筒壓強度滿足要求的多孔陶粒提供可靠的理論依據(jù)。

1材料與試驗

1.1原材料

原材料為自主研發(fā)的混合料，配合比見表1，其中粉煤灰為II級，來自柳州電廠;水泥為廣西魚峰水泥股份有限公司生產(chǎn)的標號42.5普通硅酸鹽水泥，主要技術指標見表2;選用生石灰、熟石膏作為激發(fā)粉煤灰潛在活性的材料;兩種發(fā)泡劑碳酸氫銨、乙酸氨分析純均由廣東西隴化工股份有限公司生產(chǎn)。

1.2試驗方法

1.2.1材料的制備

按表1配合比得到原材料，控制水料比為0.2，兩種發(fā)泡劑均設5個質(zhì)量分數(shù)：0.0%、0.5%、0.7%、1.0%、2.0%，將原料倒入圓盤造粒機（山東淄博隆星環(huán)保設備有限公司，WKY500），以一定傾斜角度和轉速造粒。成球后放入真空氣氛爐（洛陽力宇窯爐有限公司，JNL-17ZK），以升溫速率為20℃/min、升溫范圍為30～300℃進行熱處理，自然養(yǎng)護28d后，得到陶粒樣品。具體流程圖如圖l所示。

1.2.2材料的表征

1）顯孔率：是指試驗樣品與開口孔的體積占樣品總體積比值的百分數(shù)，它是反映多孔材料吸音性能的重要參數(shù)。其中開口孔的體積可以利用阿基米德原理，通過煮沸法測得。

2）微觀形貌

采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡（Sigma 04-55，Zeiss）觀測不同條件下多孔陶粒的孔結構及分布狀況。試驗嚴格按照掃描電鏡（SEM）分析要求制樣，同時考慮到陶粒不導電，觀測前給樣品噴金兩次共30s。

3）吸聲系數(shù)

采用駐波管法測定吸聲系數(shù)。按照固定配合比，根據(jù)國標《駐波管法吸聲系數(shù)與聲阻抗率測量規(guī)范》（GBJ88-85）制作標準試件，采用杭州愛華儀器有限公司的AWA6128駐波管進行試驗。

4）筒壓強度

筒壓強度是衡量陶粒使用性能的一項必要考核指標。本試驗嚴格按照國家標準《輕集料及其試驗方法》（GB17431.2-2010）制作標準試樣，測其筒壓強度，并取3次試驗值的算術平均值作為筒壓強度的代表值。

2結果與分析

2.1顯孔率

表3列出了兩種發(fā)泡劑不同質(zhì)量分數(shù)下制備的陶粒試樣的顯孔率值（每組顯孔率值均采用3份樣品測試數(shù)據(jù)的算術平均值代表）。由表3可知：

1）隨著兩種發(fā)泡劑質(zhì)量分數(shù)增加，顯孔率均呈上升趨勢，當質(zhì)量分數(shù)為2.0%時顯孔率最高。

2）任何一種質(zhì)量分數(shù)下，發(fā)泡劑NH₄HCO₃的顯孔率均高于CH₃COONH₄。

3）不添加任何發(fā)泡劑，直接對陶粒進行熱處理，雖然比普通陶粒顯孔率略高，但是效果不明顯。

分析上述試驗現(xiàn)象，普通陶粒僅加熱顯孔率約為22%，這是制作過程材料堆積產(chǎn)生的隨機孔隙和養(yǎng)護過程陶粒表面水分散失而至。添加發(fā)泡劑后，發(fā)泡劑在較低的溫度下分解，產(chǎn)生了CO₂、NH₃等氣體，并包裹在顆粒內(nèi)部，在足夠大的氣壓作用下，這些氣體會從顆粒中逸出，變成開口對外的孔隙。由發(fā)泡劑的熱分解機理可知，發(fā)泡劑含量越多，產(chǎn)生的氣體越多，氣體的壓力也越大，因而發(fā)泡劑用量越多，顯孔率越大。

由兩種發(fā)泡劑的化學反應式（1）、式（2）可知，碳酸氫銨在加熱過程中產(chǎn)生H₂O、CO₂、NH₃，3種物質(zhì)均可形成孔隙，而乙酸銨在此過程中只產(chǎn)生一種可形成孔隙的物質(zhì)NH₃，因此發(fā)泡劑NH₄HCO₃的顯孔率均高于CH₃COONH₄。

2.2SEM分析

圖2展出了兩種發(fā)泡劑不同添加量下對應的多孔陶粒的外部形貌掃描電子顯微鏡照片（SEM圖像），左邊發(fā)泡劑為碳酸氫銨，右邊發(fā)泡劑為乙酸銨。發(fā)泡劑添加量從0.0%增大至2.0%時（即圖2的縱列圖比較），開口孔的數(shù)量明顯增多，顯孔率明顯增大，這與顯孔率試驗結果表3展現(xiàn)的試驗數(shù)據(jù)相一致;同時發(fā)泡刺添加量增多，陶粒的外表形貌變得平滑，開口孔分布均勻。在同一發(fā)泡劑用量水平上（即圖2的橫向圖比較）以碳酸氫銨為發(fā)泡劑的陶粒圖2（a）、（c）、（e）、（g）、（i）的開口孔數(shù)量明顯多于后者的陶粒圖2（b）、（d）、（f）、（h）、（i），且孔也越來越均勻、密集。同時可以觀察到以乙酸銨為發(fā)泡劑，質(zhì)量分數(shù)在2.0%時圖片有大量的花菜狀晶體存在，這可能是氫氧化鈣的晶體，這些晶體錯綜復雜的交織在一起，在晶體的縫隙中，形成大小不一的孔隙。要獲得均勻、密集的多孔陶粒時，可選質(zhì)量分數(shù)為2.0%的碳酸氫銨為發(fā)泡劑，同時控制發(fā)泡劑的添加量可以控制多孔陶粒中孔隙數(shù)量和孔的分布狀況。

2.3吸聲系數(shù)

圖3、圖4為兩種發(fā)泡刺不同添加量下對應的多孔陶粒試塊在不同的中心頻率下的吸聲系數(shù)圖。

分析圖3、圖4、表4可知：

1）隨著兩種發(fā)泡劑用量的增加，降噪系數(shù)均呈現(xiàn)增大趨勢且碳酸氫銨發(fā)泡劑組的降噪系數(shù)普遍高于乙酸銨組，碳酸氫銨組的降噪系數(shù)分別為0.39、0.46、0.49、0.50、0.52;乙酸銨組的降噪系數(shù)為0.39、0.42、0.46、0.48、0.49.

2）每種發(fā)泡劑不同質(zhì)量分數(shù)下陶粒試塊的吸聲系數(shù)在聲音的低頻區(qū)和高頻區(qū)都有峰值，其中二者的低頻區(qū)峰值點都在500Hz附近，大部分高頻區(qū)的峰值點在1250Hz附近。

3）隨著二者發(fā)泡劑用量的增加，低頻段的吸聲系數(shù)普遍提高。且各質(zhì)量分數(shù)下的兩種發(fā)泡劑在低頻段的吸聲系數(shù)不相上下，因此兩種發(fā)泡劑均可用來改善陶粒試塊低頻段的吸聲性能，質(zhì)量分數(shù)均在2.0%時效果最佳。

2.4簡壓強度

兩種發(fā)泡劑不同添加量下對應的多孔陶粒筒壓強度見表5.

從表5可知：

1）兩種發(fā)泡劑的添加量都會對陶粒簡壓強度產(chǎn)生影響，并且與顯孔率變化規(guī)律基本成反比關系。即添加發(fā)泡劑越多，顯孔率越大，筒壓強度越低，且碳酸氫銨組的強度較乙酸銨組低。

2）兩種發(fā)泡劑任意質(zhì)量分數(shù)下的多孔陶粒的簡壓強度都大于2.0MPa，滿足陶粒實際使用要求。

3結論

1）碳酸氫銨和乙酸銨兩種銨鹽類發(fā)泡劑均可用于制備多孔陶粒，但添加碳酸氫銨的顯孔率略高于乙酸銨。

2）要獲得均勻、密集的多孔陶粒時，可選質(zhì)量分數(shù)為2.0%的碳酸氫銨為發(fā)泡劑。

3）制得的多孔陶粒試塊吸聲性能均有提高，且碳酸氫銨發(fā)泡劑優(yōu)于乙酸銨。兩類添加劑對低頻段的吸聲性能均有很好的改善。

4）兩種銨鹽類發(fā)泡劑任意質(zhì)量分數(shù)下的多孔陶粒的筒壓強度都大于2.0MPa，滿足陶粒實際使用要求。