一種發(fā)泡陶瓷用復合發(fā)泡劑的研制與探究

張曉宇 陳延東 吳長泉 李玉峰 王永威

摘 要：本文介紹了一種發(fā)泡陶瓷用復合發(fā)泡劑及其制備過程。實驗通過調(diào)整碳化硅收塵粉與碳化硅池泥勾兌比例，穩(wěn)定粒徑中值D50后，作為發(fā)泡劑主體。另引入助氧化劑含高鐵赤泥[2]，一定量的螢石為穩(wěn)泡劑，按適當比例混勻，得到一種效果優(yōu)異的復合發(fā)泡劑。總質(zhì)量按100份計算，取2#碳化硅粉15-25份，7#碳化硅池泥30-50份，碳化硅粉預混勾兌，備用，另取拜耳法赤泥15-40份，螢石粉20-30份，輔料每100g干法球磨時間5min，按比例混合得到復合發(fā)泡劑。配合后的復合發(fā)泡劑，其摻量占發(fā)泡陶瓷基體材料總質(zhì)量的0.5%～3.0%，使用發(fā)泡溫度范圍在1050～1230℃達到良好的發(fā)泡效果。

關(guān)鍵詞：發(fā)泡陶瓷;復合;發(fā)泡劑;碳化硅

1 引 言

發(fā)泡陶瓷作為一種陶瓷新材料，早在90年代已在我國登上市場舞臺，但由于其推廣難度大，市場定位不明確等因素，很長時間不能產(chǎn)生規(guī)模經(jīng)濟效益，也制約著其技術(shù)研究及工業(yè)化發(fā)展。隨著國家十三五、十四五規(guī)劃對固體廢棄物等綜合利用及新材料的重視，發(fā)泡陶瓷行業(yè)自2017年以來出現(xiàn)井噴式發(fā)展。各廠家在發(fā)泡陶瓷這種性能優(yōu)異，功能復合的新材料的目光吸引下，紛紛入場預備大施拳腳。

據(jù)業(yè)內(nèi)人士不完全統(tǒng)計，我國大概有31家企業(yè)從事發(fā)泡陶瓷生產(chǎn)。受限于目前各廠家技術(shù)背景參差不齊，其產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)合格率堪憂。筆者從業(yè)內(nèi)獲知，這些發(fā)泡陶瓷廠家也大多數(shù)處于停工停產(chǎn)或半開半閉的狀態(tài)。究其原因，能源成本高，成品率低是限制其發(fā)展主要問題。而對于提高其成品率和產(chǎn)品質(zhì)量，發(fā)泡劑是一個非常重要的因素。本文通過多次實驗論證，提供一種發(fā)泡效果比較穩(wěn)定的發(fā)泡陶瓷復合發(fā)泡劑，希望能對行業(yè)生產(chǎn)有所幫助。

2 實驗內(nèi)容

2.1實驗原料

目前閉氣孔發(fā)泡陶瓷主要發(fā)泡劑原料是磨料碳化硅及陶瓷磚切削磨拋過程中產(chǎn)生的含有磨料碳化硅的拋光廢渣[1]。本實驗主要選用磨料碳化硅廠的收塵微粉和處理池池泥（干）混合勾兌，輔以含鐵赤泥，螢石等原料，以一定量配比為復合專用發(fā)泡劑。

實驗碳化硅微粉選用開封某磨料廠碳化硅收塵粉2#，碳化硅池泥渣7#，其組分和粒度如表1和表2所示。

所用輔料為焦作某鋁廠拜耳法赤泥，其化學成分如表3所示;螢石為信陽本地螢石礦浮選礦粉，CaF2含量≥40%，其他礦物成分為石英、黑云母、絹云母、方解石、角閃石成分也比較穩(wěn)定。

2.2 實驗過程

（1）將上述原料準備齊全后，按下面所示工藝流程操作：

（2）實驗參數(shù)

實驗發(fā)泡陶瓷基體配方材料選用科美工廠噴霧料基體配方TC-1#，其化學成分如表4所示。

總質(zhì)量按100份計算，取2#碳化硅粉15-25份，7#碳化硅池泥30-50份，碳化硅粉預混勾兌，備用，另赤泥15-40份，螢石粉20-30份，輔料每100g干法球磨時間5min，作為成品復合發(fā)泡劑。配合后的復合發(fā)泡劑，其摻量占發(fā)泡陶瓷基體材料TC-1#總質(zhì)量的0.5%～3.0%。

按百分比質(zhì)量分數(shù)1.5%帶入TC-1#配方，燒成成品外觀膨脹倍數(shù)適中，尺寸規(guī)整，閉氣孔率大于90%，孔徑均勻。其實際使用發(fā)泡溫度范圍在1050～1230℃，燒成時間為3-4h，電爐升溫曲線如圖2所示。

2.3 探索性實驗

通過查找相關(guān)文獻資料，磨料碳化硅微粉是一種比較優(yōu)異的泡沫陶瓷（玻璃）用發(fā)泡劑，但因其粒度越細價格越高，純度越高，發(fā)生氧化反應(yīng)的溫度也越高。因此本文采用的是碳化硅廠的收塵尾粉，處理池泥等尾料，降低成本。

實驗通過引入助氧化劑含高鐵赤泥[2]，摻入一定量的螢石為穩(wěn)泡劑。限定的實驗條件下，調(diào)整2#碳化硅收塵粉與7#碳化硅池泥勾兌比例，穩(wěn)定粒徑中值D50，將干磨處理后的上述氧化劑，助泡劑，穩(wěn)泡劑，按適當比例混勻，通過調(diào)整混合配比來優(yōu)化復合發(fā)泡劑的配方成分。

根據(jù)實際燒成效果，發(fā)泡孔徑均勻性，閉氣孔率的表征來確認最佳配比。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 碳化硅粒度對復合發(fā)泡劑發(fā)泡效果的影響

保持其它原料組成不變，改變碳化硅粉2#與7#的混合比例含量，使其粒徑中值D50變動，當粒徑D50中值大約穩(wěn)定在2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、6.0時，對其外觀尺寸，孔徑狀態(tài)的影響如表5所示。

從表5可以看出，當SiC粒徑中值比較小時，其易參與高溫氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生氣體多，與原料中其他物質(zhì)不能同步排氣，通氣孔比較多。隨著SiC粒徑中值（D50）的增加，產(chǎn)品尺寸膨脹倍數(shù)降低，外觀尺寸規(guī)整，閉氣孔率高，但當D50超過6.0μm后，SiC難以參與氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生氣孔反而減少。因此，當SiC的粒度中值在3.5～4.5μm之間時，效果最好。

3.2 助氧化劑對復合發(fā)泡劑發(fā)泡效果的影響

保持其它原料組成不變，改變配比組分中赤泥的含量，當其在復合發(fā)泡劑中的比例分別為10%，20%，30%，50%，60%，80%，90%對其外觀尺寸，孔徑狀態(tài)的影響如表6所示。

從表6可以看出，赤泥在高溫反應(yīng)中引入Fe，Ca等元素參與氧化反應(yīng)，有助熔助泡的作用，有利于復合發(fā)泡劑中氧化反應(yīng)時氣泡的快速生成。但當其在復合發(fā)泡劑配比中的含量超過80%后，相關(guān)元素反而對氣泡的穩(wěn)定產(chǎn)生負面效果，因此，當復合發(fā)泡劑中，赤泥含量在30%～50%范圍，其發(fā)泡效果最佳。

3.3 螢石含量對復合發(fā)泡劑發(fā)泡效果的影響

保持其它原料組成不變，改變配比組分中螢石的含量，當其在復合發(fā)泡劑中的比例分別為10%，20%，30%，50%，60%，70%，對其外觀尺寸，孔徑狀態(tài)的影響如表7所示。

螢石參與配方反應(yīng)，在材料高溫軟化狀態(tài)時，在發(fā)泡陶瓷表層形成一種相對硬質(zhì)的殼層，保護氣泡穩(wěn)定在陶瓷材料內(nèi)部，尺寸也相對規(guī)整[3]。從表7可以看出，當螢石在復合發(fā)泡劑中摻量在20%～30%（wt%）時，復合發(fā)泡劑使用效果最好。

3.4 燒成溫度制度對發(fā)泡效果的影響

在探索實驗中，按上述幾種合適配比的復合發(fā)泡劑固定組分，發(fā)泡陶瓷基體材料TC-1#不變。在圖1的溫度制度基礎(chǔ)上，調(diào)節(jié)1165℃保溫時間，在8～12min內(nèi)，線膨脹倍數(shù)合適，尺寸規(guī)整;超過12min時，尺寸反而有所減小，孔徑開始出現(xiàn)部分通孔。延長1050～1165℃升溫時間，膨脹尺寸也會略有增加。調(diào)節(jié)其他溫度區(qū)間，材料尺寸、孔徑狀態(tài)均無明顯變化。因此，合理的溫度制度，也對發(fā)泡陶瓷的高溫氧化還原反應(yīng)中，氣泡的生成狀態(tài)有重要影響[3]。

4 結(jié)論與探究

本文采用了碳化硅廠的固廢微粉與池泥，混合勾兌的碳化硅粒徑D50在3.0～4.5μm作為發(fā)泡劑主體，輔以鋁廠固廢赤泥30%～50%（wt%）作為助氧化劑助泡劑，螢石20%～30%作為穩(wěn)泡劑，制成復合發(fā)泡劑。將其按質(zhì)量分數(shù)0.5%～2.0%（wt%）帶入發(fā)泡陶瓷基體材料中，以合適的溫度制度，燒成尺寸規(guī)整，線膨脹倍數(shù)大，孔徑均勻的發(fā)泡陶瓷材料。

從上述實驗以及相關(guān)文獻中，我們不難得出，含F(xiàn)e、Ca、Ti等元素含量相對高的礦物原料，在陶瓷生產(chǎn)中大多屬于有害元素，而富含這些元素的礦物也大多屬于固體廢棄物。使用這些礦物原料，既節(jié)省了經(jīng)濟成本，也解決了固體廢棄物。相關(guān)技術(shù)工作者應(yīng)多從現(xiàn)實條件和政策條件出發(fā)，不局限于使用優(yōu)質(zhì)高價的化工原料，不拘泥于資源有限的礦物原料。多集思廣益，變廢為寶，為行業(yè)的綠色未來及可持續(xù)發(fā)展做出一份貢獻。

參考文獻

[1] 池躍章，等.發(fā)泡劑對利用廢渣和尾礦制備閉孔發(fā)泡陶瓷的影響[J].新型建筑材料，2008（07）：80～82.

[2] 周明凱，彭麗芬，王懷德，胡開文.氧化鐵和發(fā)泡劑對煤矸石閉孔發(fā)泡陶瓷的性能影響[J].中國陶瓷，2015（51）：77～80.

[3] 張留生，邱永斌.高溫發(fā)泡陶瓷及其應(yīng)用[J]. 新型建筑材料，2005（05）：58～59.