利用硅酸鋁原料和工業(yè)廢料生產(chǎn)陶瓷隔熱保溫材料

＊陳 璐

（朔州陶瓷職業(yè)技術(shù)學(xué)院 山西 038300）

1.試樣制備與性能測(cè)試

天然高嶺土和高熔點(diǎn)黏土是植被陶瓷絕熱材料的主要原料。泥煤、木質(zhì)素和腐爛的泥是主要添加到其中的成分。

配料需要澆濕到16%到20.5%，但是在這之前要將陶瓷黏土先進(jìn)行干燥處理、粉粹和過(guò)篩然后再與可燃添加劑按照比例進(jìn)行混合。

所制備的粘土通過(guò)塑性成型的方法形成。形成的樣品的形狀如下：板樣品（65mm×25mm×12mm）；和盤(pán)狀試樣（Φ12mm，高度3～4mm）；標(biāo)本桿（Φ5～6mm，長(zhǎng)度60mm）。將樣品放在（100±5）℃的干燥箱中放置24h，然后在1000～1150℃之間的實(shí)驗(yàn)室電烤箱中以150～200℃/min的升溫速率燃燒樣品，并保持在最高溫度下1h。

2.實(shí)驗(yàn)研究

在測(cè)試中，使用天然高嶺土和高熔點(diǎn)粘土作為原料，并將可燃材料（泥煤，木素質(zhì)和腐殖質(zhì)）作為成孔劑添加到成分中。制備泥料的配料組成列于表1。

表1 試驗(yàn)?zāi)嗔系呐淞辖M成（單位：%）

空氣干燥樣品1、4、7和10的線性收縮率分別為6%、8%、7.5%、5%和7.5%，燃料樣品的收縮率較高，這取決于吸水量。不使用可燃材料的樣品的空氣干燥收縮率為1%，而使用泥煤或腐泥的樣品的空氣干燥收縮率為1.5%，添加了殘留物的樣品收縮率約為2%。樣品燃燒收縮的大小取決于所添加燃料的體積含量。由于木質(zhì)素具有重量輕、體積大的特點(diǎn)，因此其在燒結(jié)過(guò)程中的燃燒損失速率遠(yuǎn)大于泥煤和腐泥。無(wú)燃料樣品的收縮率比其他樣品低，這與樣品燒結(jié)過(guò)程中化學(xué)結(jié)合水的損失和有機(jī)雜質(zhì)的分解有關(guān)。

隨著添加的不同燃料量的增加，樣品中水的吸水率也隨之增加，木質(zhì)素樣品中的吸水率大大高于泥煤和腐泥樣品中的吸水率。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)帶有木質(zhì)素的樣品的孔隙率最大。原因是添加的材料完全燒毀，灼減損失為87%。含有腐霉菌素的樣品減少到55%；泥煤樣品的添加率達(dá)到66.6%。

在燒結(jié)時(shí)溫度會(huì)不斷的升高，這會(huì)對(duì)配料表里面的組成成分造成一定的影響，他們的吸水率和氣孔率會(huì)隨之降低，同時(shí)也代表了燒結(jié)速率的提升，如果樣品中含有添加劑那么就不會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的反應(yīng)。然而這種現(xiàn)象主要是由大孔隙的顆粒面積被減少造成的。堆積密度較低的是木質(zhì)素樣品，這種樣品會(huì)產(chǎn)生此類現(xiàn)象。燒結(jié)中有所增強(qiáng)要比腐爛泥的樣品出現(xiàn)的高密度要高，這既是泥煤和木質(zhì)素樣品的優(yōu)點(diǎn)，材料轉(zhuǎn)移過(guò)程會(huì)發(fā)生在燒結(jié)過(guò)程中榮體擴(kuò)散和粘性流動(dòng)方面。但是不能形成可以將孔填充好的大量的液體，這也會(huì)對(duì)其材料的隔熱性產(chǎn)生一定的影響。

圖1顯示了在不同溫度下燒結(jié)的樣品的線性熱膨脹系數(shù)與燃料類型和燒結(jié)溫度之間的關(guān)系。

腐爛泥的樣品在線性熱膨脹系數(shù)上表現(xiàn)的極為優(yōu)異，尤其是在擁有這不同可燃物的樣品中其參數(shù)增長(zhǎng)十分快速，而且其還可以伴隨著燒結(jié)溫度的變化而變化，可以不斷的通過(guò)溫度來(lái)對(duì)其進(jìn)行控制，讓其保持上升的趨勢(shì)。這些都是從圖1中所了解到的。

圖1 試樣的線性熱膨脹系數(shù)與可燃物加入的種類和燒結(jié)溫度的關(guān)系

而圖2是為我們介紹了不同溫度下不同燃料會(huì)產(chǎn)生的反應(yīng)，主要體現(xiàn)在其燒結(jié)時(shí)的熱導(dǎo)率。從圖2里不難看出，樣品的熱導(dǎo)率會(huì)隨著燃料的增加而降低，這是因?yàn)榭紫堵试跇悠飞喜粩嗟纳仙鶎?dǎo)致的。高燒結(jié)度和大量玻璃相可以讓樣品的燒結(jié)溫度在升高的同時(shí)增加熱導(dǎo)率。亞麻添加在樣品中可以讓孔隙率變高，這是在可燃物數(shù)量一樣的情況下，但是他的熱導(dǎo)率會(huì)隨著燃料的增多效率值變低。

圖2 試樣的熱導(dǎo)率與可燃物加入的種類和燒結(jié)溫度的關(guān)系

圖3表明在不同溫度下燒結(jié)的樣品的抗壓強(qiáng)度與燃料類型和燒結(jié)溫度之間的關(guān)系。從圖3可以看出，當(dāng)添加不同的燃料時(shí)，樣品的抗壓強(qiáng)度顯著降低。樣品中添加木質(zhì)素有著明顯的結(jié)果。隨著燒結(jié)溫度的升高，木質(zhì)素樣品的抗壓強(qiáng)度略有提高，這可能與材料顆粒的接觸面積較小以及樣品的高孔隙率有關(guān)。

圖3 試樣的耐壓強(qiáng)度與可燃物加入的種類和燒結(jié)溫度的關(guān)系

至于泥煤和腐泥樣品，它們的抗壓強(qiáng)度隨著燒結(jié)溫度的升高而相對(duì)增加，這是由于它們的高灰分含量引起的。換句話說(shuō)，在樣品燒結(jié)過(guò)程中，灰分填滿了充氣孔，樣品結(jié)構(gòu)變得更致密。同時(shí)，隨著燒結(jié)溫度的升高，大量的玻璃相崩解并充滿了微裂紋，從而提高了樣品強(qiáng)度。

圖4為不用燃料和不同數(shù)量可燃物制備的陶瓷泥的熱重-差熱分析曲線。從圖4可以看出，不含可燃材料的原始黏土的熱重-差熱分析曲線表明發(fā)生了兩個(gè)吸熱反應(yīng)：第一次發(fā)生在50～200℃之間，并且在除水過(guò)程中結(jié)合在一起，重量損失為2.4%；第二次是在480-720℃之間，在此期間粘土材料被脫水，重量損失為4%。還發(fā)現(xiàn)在240-400℃之間發(fā)生放熱反應(yīng)，在此期間燃燒有機(jī)雜質(zhì)，重量損失為0.6%。當(dāng)向泥漿中添加燃料時(shí)，第一次吸熱反應(yīng)增加。原因是添加的燃料具有更高的吸水率。添加到腐泥中的泥料的吸熱反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)到一定的溫度區(qū)間，因?yàn)檫@種燃料的粒徑大于其他燃料的粒徑。實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，添加到泥煤中的泥漿的重量損失為3.6%。木質(zhì)素使泥漿的重量損失為4%；添加到腐泥中的泥料為2%的重量損失。

圖4 陶瓷泥料的熱重-差熱分析曲線

在320-340℃之間發(fā)生明顯的放熱反應(yīng)。燃料中的有機(jī)成分會(huì)在高溫下被強(qiáng)烈的氧化分解。但是含泥煤的土重量會(huì)變少大約損失8.8%，木質(zhì)素會(huì)損失14%，有20%的腐爛泥中會(huì)損失6%；腐爛泥重量6.5%。

在第二次吸熱反應(yīng)過(guò)程中，未發(fā)現(xiàn)明顯變化，但吸熱反應(yīng)的峰值出現(xiàn)在580-560℃的質(zhì)時(shí)分解了大量的廢熱，這很強(qiáng)烈地促進(jìn)粘土的脫水過(guò)程。實(shí)際上，最明顯的是所添加泥漿與腐泥的吸熱反應(yīng)，腐泥含有大量碳酸鹽，灰分中的CaO高達(dá)77.6%。

X射線相組成分析用于發(fā)現(xiàn)所制備樣品的相組成與燒結(jié)溫度和所添加燃料的類型之間的關(guān)系。對(duì)于不可燃樣品，該成分包含莫來(lái)石、石英和鈦鐵礦（FeTiO3）。帶有泥炭和亞麻籽的樣品包含尖晶石（MgO·Al2O3）和鈣長(zhǎng)石（CaO·Al2O3·2SiO2）。含有腐泥的樣品的相組成有：尖晶石，鈣長(zhǎng)石，假硅鐵礦（α·CaO·SiO2），鋁酸鈣（CaO·Al2O3）和α-石英。

3.結(jié)語(yǔ)

使用當(dāng)?shù)氐奶烊辉喜⑻砑痈鞣N可燃材料，制備了具有高熔點(diǎn)的陶瓷隔熱材料。在物理和機(jī)械性能方面，高熔點(diǎn)的陶瓷絕熱材料并不比其他國(guó)家的同類材料差。推薦將該高性能材料用于工業(yè)爐中，并可以達(dá)到最佳效果。