利用廢棄氟石膏生產(chǎn)隔熱保溫材料的試驗研究

陸紅霞

（酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 酒泉 735000）

1 前言

石膏作為國家重點發(fā)展的非金屬礦之一，除用作建筑和水泥用原料外，還廣泛用于化工、塑料、橡膠、醫(yī)藥、食品、肥料等多個行業(yè)和產(chǎn)品?；瘜W(xué)石膏作為工業(yè)固廢，排放量大、堆存占地面積大且易造成環(huán)境污染，開展對氟石膏、磷石膏、脫硫石膏等化學(xué)石膏的綜合利用，具有良好的環(huán)境、經(jīng)濟、社會效益。

國外化學(xué)石膏利用途徑和產(chǎn)品較多，綜合利用的技術(shù)也比較成熟，歐盟及日本等國對化學(xué)石膏進行了比較深入的研究，形成了一系列應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和建筑材料的成功經(jīng)驗。目前我國氟石膏的應(yīng)用途徑，主要在輕質(zhì)建材、道路等行業(yè)，用于工業(yè)領(lǐng)域的報道不多。由于石膏的導(dǎo)熱系數(shù)相對較低（常溫，相對濕度為65%時,熟石膏的導(dǎo)熱系數(shù)為0.35 W/m·℃）[1]，因此，氟石膏作為填料和膠凝材料，應(yīng)用于隔熱保溫型材的生產(chǎn)，具有一定的可行性。

2 氟石膏的熟化

2.1 氟石膏的化學(xué)組成

新排出的氟石膏是一種灰白色的微晶，質(zhì)地疏松易于破碎，其晶體一般為幾微米到幾十微米，粒徑比天然石膏小，通過X射線及熱差分析，其主要物相為Ⅱ型無水石膏，含有少量CaF2等雜質(zhì)（含量在3%左右），雜質(zhì)含量與生產(chǎn)過程中所用螢石的純度有關(guān)，氟石膏放射性水平遠低于國標(biāo)限制標(biāo)準(zhǔn)[2]。另外氟石膏中含有一部分殘余硫酸（一般為0.5～2.0 g/L），需經(jīng)適量石灰中和后，方可用于堆存或作其他用途。氟石膏的主要化學(xué)組成見表1。

表1 氟石膏的主要化學(xué)組成(單位：%)

2.2 用氟石膏生產(chǎn)β-半水石膏的工藝過程

本次試驗采用間歇式炒鍋，經(jīng)破碎、燒成、粉磨制成β-型半水石膏。

堆存氟石膏（含水率一般為2%～4%，含水大于4%時，應(yīng)進行預(yù)干燥），破碎至＜5 mm，然后進入炒鍋煅燒，在常壓、65 ℃時二水石膏開始緩慢脫水，在107 ℃時進行等溫脫水,此時石膏粉處于沸騰狀態(tài)，至135 ℃時脫水完成，沸騰停止。為防止溫度繼續(xù)升高產(chǎn)生無水硫酸鈣，應(yīng)盡快排出熟料。由于采用間歇式炒鍋，難免會存在炒鍋鍋底料與鍋上料受熱不均、燒成程度不同、鍋內(nèi)物料不易攪拌等缺陷，在炒制過程中應(yīng)加以重視[3]。

圖1為在間歇炒制設(shè)備中的煅燒時間-溫度曲線。煅燒1 kgβ-半水石膏的理論能耗為580 kJ，失水量占二水石膏質(zhì)量的15.68%，理論熟石膏的出料系數(shù)為84.3%，1 t熟石膏需1.2 t生石膏。實際試驗過程中的能耗遠大于理論值，熟石膏的出料系數(shù)與理論值也有一定的出入。

圖1 間歇炒制時的時間-溫度曲線

煅燒后的熟石膏，須采取有效的陳化措施,以防大氣濕度等因素對熟石膏質(zhì)量的影響，同時可改善熟石膏的水化凝結(jié)性能。陳化過程就是把燒成的β-型半水石膏存放于料倉，貯存一段時間，一方面利用熟石膏的溫度，在陳化倉中，對未被完全煅燒的二水石膏進行脫水，減少二水石膏的比例；另一方面熱氣體中的水蒸汽，與β-型半水石膏結(jié)成一層二水石膏的微粒生成物，可以減少水化時的需水量，并成為凝結(jié)向結(jié)晶轉(zhuǎn)化時的晶核。

用氟石膏生成的β-型半水石膏，其外觀與用天然石膏生成的β-型半水石膏相似，晶型呈碎片狀，粉磨至80～120目，其擴散度為164 mm、初凝時間8 min、終凝時間20 min，自然養(yǎng)護3 d后抗壓強度11.9 MPa、抗折強度4.5 MPa。

3 氟石膏隔熱保溫型材的生產(chǎn)

3.1 氟石膏隔熱保溫型材生產(chǎn)的工藝及配方

利用氟石膏煅燒產(chǎn)物β-型半水石膏為凝結(jié)材料,添加纖維材料、珍珠巖等隔熱保溫材料及緩凝劑等，經(jīng)過一系列的混合、成型、干燥過程，即可生產(chǎn)出復(fù)合保溫型材。其工藝過程如圖2所示。

圖2 氟石膏隔熱保溫型材生產(chǎn)工藝

先將適量的纖維材料用水和添加劑在池中浸泡24 h左右，然后充分?jǐn)嚢枋蛊淦鹋荨⒎稚⒉⑿纬蓾{料，再加入經(jīng)計量并完全混勻的β-型半水石膏、珍珠巖粉及外加劑的混合物。經(jīng)高速攪勻后注入模具，拍打振動使其進一步混勻和密實，成型后，入干燥窯干燥，即成成品。模型干燥溫度一般為60 ℃，最高不應(yīng)超過80 ℃。

氟石膏隔熱保溫型材生產(chǎn)所用模具，可根據(jù)型材的不同用途加工制造，模具材料可選用木材或熟石膏，脫模劑可選用機油、黃油、皂化液等，也可使用紙質(zhì)脫模方法，選用油性紙做隔離層。本次試驗采用皂化液作為石膏模型的脫模劑，皂化液的主要成分為滑石25 g、肥皂25 g、水1 L，經(jīng)配制而成。

加入隔熱保溫材料，不僅可顯著降低產(chǎn)品的導(dǎo)熱系數(shù)、體積密度，同時可增加成品的耐火強度、抗壓和抗折強度。生產(chǎn)過程中的主要工藝參數(shù)如下：

纖維材料主要有硅鎂石纖維、硅酸鋁耐火纖維，其加量為石膏總量的20%～30%；珍珠巖加量為石膏總量的5%左右；添加劑采用滲透劑等，起軟化纖維、使纖維易于分散、起泡和降低用水量的作用，添加量為纖維量的10%；外加劑包括緩凝劑、膠粘劑等,緩凝劑采用硼砂，加量為石膏總量的0.2%；膠粘劑采用聚乙烯醇縮甲醛水溶液（即107膠）和耐高溫膠粘劑，加量為溶液總量的1.5%；水量為固體添加物總量的80%左右。

3.2 氟石膏隔熱保溫型材的性能及應(yīng)用

經(jīng)對氟石膏隔熱保溫材料樣品進行測定，其主要性能指標(biāo)見表2。

表2 氟石膏隔熱保溫材料的主要性能指標(biāo)

由表2可見，氟石膏隔熱保溫型材密度小、導(dǎo)熱系數(shù)低，抗壓強度和抗折強度均可滿足保溫材料的一般要求。與傳統(tǒng)保溫材料相比,氟石膏為工業(yè)廢棄物，因此具有價格上的優(yōu)勢，通過選擇不同模具，可生產(chǎn)出不同規(guī)格形狀的板材、管材等，與隔熱保溫涂料配合使用，可適應(yīng)石油、化工、冶金、電力、建筑等行業(yè)的設(shè)備或管道，在中、低溫場合能起到保溫效果，也可用于建筑物的隔熱和隔音。具有施工方便、無毒、無污染、對人體無不良影響的優(yōu)點。

具體施工方法為:預(yù)先在需保溫的管道或設(shè)備上涂一層隔熱保溫涂料（膏體料），然后套加或貼加氟石膏保溫型材，并用隔熱保溫涂料將外層涂勻抹平，最后刷防水固化劑，以增加保溫層的防水性能和強度。

保溫層厚度的確定，應(yīng)根據(jù)實際需要，按國家《設(shè)備及管道保溫技術(shù)通則》所規(guī)定的“保溫層厚度的計算原則”計算，并合理設(shè)定隔熱保溫涂料和氟石膏保溫型材各自的厚度。通過利用不同性能的保溫材料，達到降低保溫工程成本的目的[4]。用于建筑隔熱隔音時，氟石膏保溫型材可單獨使用，完全可以滿足建筑行業(yè)隔熱、隔音材料，實用性和經(jīng)濟性的選材要求。

4 小結(jié)

以工業(yè)廢棄物氟石膏為主要原料，經(jīng)煅燒后，添加適量纖維材料、珍珠巖等隔熱保溫材料，生產(chǎn)氟石膏隔熱保溫型材，既可降低成品的導(dǎo)熱系數(shù)、增加隔熱保溫性能，同時增強了成品的抗剪強度，擴大了纖維石膏板的使用范圍，在原理、工藝和經(jīng)濟上均切實可行。該產(chǎn)品的推廣和應(yīng)用，具有良好的社會和環(huán)境效益，減少氟石膏大量堆存對土地的占用，消除堆存過程中因雨水沖刷和滲透等對周圍環(huán)境造成的污染，減少天然石膏開采對農(nóng)田的占用和對植被的破壞，有利于企業(yè)充分利用工業(yè)廢棄物，實現(xiàn)節(jié)能降耗、保護環(huán)境的目標(biāo)。