以花岗岩锯泥制备发泡陶瓷的研究及性能分析

刘宇坤,吴天昊, 任丽[指导老师]

摘要：本文研究了以花岗岩锯泥为主要原料，外掺SiC发泡剂，采用粉末烧结工艺方法制备一种燃烧性能达到A级的建筑外墙用发泡陶瓷多孔保温材料，并进行了相关性能研究，以探究最佳制备工艺参数。该研究内容既符合我国建筑节能与防火设计的要求，也顺应了国家环保及固体废弃物资源化利用需求。

关键词：发泡陶瓷；花岗岩；性能分析；新型材料

一、引言

山东省石材资源丰富、品种多样，其中花岗岩储量位居全国首位。锯泥是石材切割加工过程中产生的尾料，随着装饰石材行业的发展，山东省锯泥储存量与日俱增，据统计，目前仅日照市五莲县锯泥的产量约为300万t/年。锯泥成分复杂且杂质多，目前多以堆放处置为主，既占用了土地资源，又污染了大气环境和水资源，现有加工人造花岗岩石材、制备建筑用砖和砌块等资源化利用方式还没有形成规模，难以消纳目前巨大储量的锯泥[2]。随着我国节能环保力度的加大以及“碳达峰、碳中和”政策的实施，急需探寻有效的锯泥减量化、资源化利用方式。随着建筑节能“分步式”的发展，我国建筑节能率要求已由1980年的30%提升到2010年的75%，现如今有些省市甚至提出了居住建筑“节能80%”的要求，向超低能耗被动式建筑又迈进了一步。与此同时，我国建筑的防火设计要求也不断地对外墙保温材料燃烧性能提出更高的要求，GB50016-2014《建筑设计防火规范》标准中明确要求，对于高于100m的住宅建筑及高于50m的公共建筑，其外墙保温材料的燃烧性能必须达到A级。

二、实验思路及分析

2.1试验原料：

（1）花岗岩锯泥

（2）发泡剂：碳化硅（SiC），灰绿色，细度0.5μm~0.7μm，纯度99%，市售。

（3）工业酒精：C2H5OH，无色透明液体，纯度95%，市售。1.2试验方案以花岗岩锯泥为主要原料，外掺SiC发泡剂，采用粉末烧结工艺方法，通过粉磨预处理、搅拌混合、压片成型、高温烧结等工序制备发泡陶瓷多孔保温材料。

2.2.1粉磨预处理采用行星式球磨机对花岗岩锯泥进行30min粉磨预处理，原料粉磨干燥后利用震击式标准振筛机过200目筛以备用。

2.2.2搅拌混合按照相应试验方案中的配比，称取预处理后的花岗岩锯泥、SiC发泡剂，另加入2倍原料质量的工业酒精，采用恒速搅拌机混合搅拌15min。

2.2.3压片成型将混合后的原料利用电动粉末压片机压片成型，压力设定为10MPa，成型后的坯体约为直径3cm，高度1cm的圆柱体。

2.2.4高温烧结将压片成型后的坯体利用高温炉烧结。按照表2方案，设置A、B、C三组试验，分别考察烧成温度、SiC发泡剂掺量、保温时间对发泡陶瓷多孔保温材料平均孔径、气孔率、表观密度、抗压强度等性能指标的影响，并分析其影响机理。试验A1~A5中，SiC发泡剂的外掺量均为1%，烧成温度分别为1110℃、1130℃、1150℃、1170℃、1190℃，保温时间均为30min。试验B1~B5中，SiC发泡剂的外掺量分别为0%、0.5%、1%、2%、3%，坯体烧成温度均为1170℃，保温时间均为30min。试验C1~C3中，SiC发泡剂的外掺量均为1%，烧成温度为1170℃，保温时间分别为10min、30min、50min。

2.3测试方法将烧成后的试样处理切割打磨成长、宽为2.0cm~3.5cm，高为1.0cm~2.7cm的规则长方体，以进行其平均孔径、气孔率、表观密度、抗压强度性能测试。为使测量结果具有代表性，应取三次测量结果平均值作为各项指标结果值。

三、结果与讨论

3.1赤泥掺量对发泡陶瓷多孔保温材料性能的影响

不同赤泥掺量对发泡陶瓷多孔保温材料试样平均孔径、气孔率、表观密度及抗压强度，随着赤泥掺量的增加，试样的平均孔径、气孔率不断增大，表观密度、抗压强度呈现先减小后增大的趋势。观察不同赤泥掺量的试样可知，当赤泥掺量在0～10%之间时，试样的膨胀程度不断增大，泡孔孔壁不断变薄；当赤泥掺量超过10%后，试样整体开始坍缩，表面出现开孔及凹陷，内部出现连通孔，内部孔结构变得不均匀，孔壁厚薄不一。因此，在确定工艺参数条件下，SiC掺量为1%时，发泡陶瓷多孔保温材料中赤泥的最佳掺量为10%。赤泥的矿物组成复杂、活性低，由表2化学成分组成可知，其主要组成成分为Fe2O3、Al2O3，同时还含量较多的Na2O、CaO。赤泥中的这些碱金属氧化物及碱土金属氧化物在发泡陶瓷多孔保温材料的烧结过程中可起到助熔的效果，降低体系的黏度以及表面张力[5]，以利于SiC更好地发挥发泡效果，使得试样的膨胀程度不断提升，平均孔径和气孔率不断增大，与此同时试样的表观密度和抗压强度不断减小。但是当赤泥的掺量过多时，体系的黏度和表面张力降低的太多，气泡容易冲破液相黏度的束缚而形成连通孔，同时由于体系的表面张力较低，边缘的气泡会冲破表面张力的约束而形成开孔，使得试样表面出现凹陷，试样整体出现坍缩，宏观上表现为试样密度的增大、抗压强度的升高。

3.2硝酸钾（KNO3）掺量对发泡陶瓷多孔保温材料性能的影响

不同KNO3掺量对发泡陶瓷多孔保温材料试样平均孔径、气孔率、表观密度及抗压强度的影响如图3所示。由图3可知，随着KNO3掺量的增加，试样的平均孔径不断减小，气孔率先升高后降低，表观密度和抗压强度先减小后增大。观察不同KNO3掺量的试样横截面可知，掺加KNO3试样的内部泡孔孔径明显减小，且KNO3掺量越多，泡孔孔径越小，当KNO3掺量在0～2%时，试样膨胀程度不断增强；掺量超过2%后，试样的膨胀程度不增反降，内部可见泡孔数量大幅度减少。故在最优工艺参数参数条件下，SiC掺量为1%时，发泡陶瓷多孔保温材料中KNO3的最佳掺量为2%。

四、总结

4.1赤泥中的碱金属氧化物及碱土金属氧化物在发泡陶瓷多孔保温材料的烧结过程中可降低体系的黏度以及表面张力，起到助熔的效果。随着赤泥掺量的增加，试样的平均孔径、气孔率不断增大，表观密度、抗压强度呈现先减小后增大的趋势。

4.2 KNO3在高温条件下发生分解反应产生氧气，为SiC氧化还原反应提供额外的氧源，提高SiC的发泡性能，但其分解反应产生的K2O会增大熔融液相的黏度。随着KNO3掺量的增加，试样的平均孔径不断减小，气孔率先升高后降低，表观密度和抗压强度先减小后增大。

4.3CaO属于碱金属氧化物，熔体中掺入CaO后，其可将玻璃态的SiO2膜包裹起来，从而降低液相熔体的黏度，有利于泡孔的成长。随着CaO掺量的增加，试样的平均孔径、气孔率逐渐增大，密度、抗压强度先降低后升高。

参考文献：

[1]钟路生,刘峰,马镇耀等.石材锯泥在发泡陶瓷生产中的技术运用[J].佛山陶瓷,2021,31(07):25-28.

[2]李华,董仲珍,黄西宏等.五莲县石材废料的资源化利用[J].再生资源与循环经济,2013,6(11):38-40.

[3]殷健,瞿海霞.建筑节能率的计算和转换关系研究[J].建筑节能,2020,48(12):129-149.

[4] GB50016-2014,建筑设计防火规范[S]. 北京:中国计划出版社,2014.

[5]罗丹,李紫龙,杜秋等.赤泥综合利用研究进展[J].科技创新与应用,2020,(15):75-76.[6]张 

[6]勇林.高温发泡陶瓷制备基础研究[D].广州:华南理工大学,2014.

项目来源：2022年实验室开放项目：发泡陶瓷复合墙板的抗震性能研究；

项目编号：2022SYKF64