泡沫法制备莫来石轻质隔热材料及性能

彭玮珂，邓承继，付慧琴，祝洪喜，黄永亮，员文杰

(武汉科技大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室，湖北 武汉 430081)

泡沫法制备莫来石轻质隔热材料及性能

彭玮珂，邓承继，付慧琴，祝洪喜，黄永亮，员文杰

(武汉科技大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室，湖北 武汉 430081)

采用红柱石、刚玉、水泥、粘土、硅微粉为原料，加入减水剂、硅溶胶、泡沫及水，通过改变泡沫的加入量在五种不同温度下烧成制备莫来石质轻质隔热材料，测试试样的容重、气孔率、气孔种类和孔径、常温耐压强度、物相组成和显微结构。采用泡沫法制备的轻质隔热材料试样外观致密，内部气孔分布均匀。试样的主晶相为莫来石相，1400℃烧成试样的烧后线变化和常温耐压强度随容重的增加成线性增加；显气孔率逐渐减小，闭口气孔率基本无变化，大概为3%。

泡沫法；莫来石；轻质隔热材料

0　引　言

能源日益成为制约社会发展和人类进步的世界性问题，节约能源对于人类社会的可持续发展有十分重大的意义[1]。冶金、陶瓷、建材、机械、化工等高能耗产业能源消耗大部分来自于工业窑炉。工业窑炉中使用热容量小、热导率低的隔热耐火材料作为炉衬，能够减少窑炉的散热损失，提高热能使用率。因而轻质隔热材料在节约能源的过程中起到了十分重要的作用。

轻质隔热材料制备方法有燃尽物加入法、发泡法[2]、溶胶-凝胶法[3]、有机泡沫浸渍法[4]、自蔓延高温合成法[5]、凝胶注模法[6]、多孔材料法、颗粒堆积法和原位气体分解法等。这些制备轻质隔热材料的方法，大多数生成的是开口气孔。提高轻质隔热材料的强度、降低材料的导热性能是现在制备轻质隔热材料的热点和难点。泡沫法制备的轻质隔热材料可以获得闭气孔，孔结构通过控制泡沫的性能来控制，而且生产工艺简单。

莫来石质隔热砖具有强度高、耐高温、导热系数小、节能效果显著等特点得以广泛的应用。目前其生产主要是通过加入聚合物微球作造孔剂，采用挤泥工艺生产。这种制备工艺一方面由于聚合物微球的分解造成环境的污染；另一方面由于聚合物造孔剂的分解所产生的气体逸出造成材料中的微孔多为开口气孔，直接影响了材料的强度和隔热性能。为此，利用红柱石莫来石化过程中逐渐转化及膨胀的特点[7-8]，结合我们的研究工作[9]，本文研究采用泡沫法、以红柱石为主要原料来制备莫来石质轻质隔热材料，对其制备工艺、泡沫加入量、材料的微观结构及其性能进行研究，以期得到泡沫法制备莫来石轻质隔热材料的工艺参数，优化其综合性能。

1　实验过程

实验使用的原料有：红柱石(d50=49μm)、刚玉(d50=13μm)、铝酸钙水泥、广西白泥(d50=2μm)、硅微粉(SiO2≥93%)、减水剂FS60、硅溶胶、泡沫剂和水，原料的化学组成如表1所示。

实验过程：(1)泡沫的制备：称取一定量发泡沫剂，按照1∶30比例加水，高速搅拌制得泡沫。(2)泡沫泥浆的制备：按表2中的配方称取1kg原料，混合均匀后加水、硅溶胶和减水剂，混合10分钟，调制成料浆，然后取一定量(1)中所制备的泡沫加入料浆中，并通过改变泡沫加入量来控制所制备样品的容重，混合3～5分钟，搅拌均匀，形成具有自流特性的泡沫泥浆。通过改变不同的泡沫加入量，制得不同容重的泡沫泥浆。(3)莫来石轻质砖的制备：将(2)中制备的泡沫泥浆浇注成型，在室温下养护24小时后，在110℃下干燥24小时后脱模，并在1200 ℃、1250 ℃、1300 ℃、1350 ℃和1400 ℃五个温度点保温3小时烧成，得到不同容重的莫来石轻质砖试样。

制得的试样采用液压式万能试验机测量试样常温耐压强度，用全自动真密度分析仪(ACCUPYC1330)测试试样的真密度，采用扫描电子显微镜(PHILIPS XL30 TMP)观察试样的显微结构，采用X’ Pert Pro型X射线衍射仪测定试样的物相组成。

2　结果与讨论

2.1试样的物相组成

图1为试样在不同温度下烧成XRD图谱。由图可知，1200 ℃时试样中物相组成和原料中一致，1250 ℃开始，试样中物相组成发生变化，红柱石减少，莫来石出现；随着烧成温度升高，红柱石逐渐减少，莫来石逐渐增加，反应到1400 ℃基本完成。这表明材料在1250 ℃红柱石开始莫来石化，此时有少量的莫来石生成；继续提高温度，到1350℃时红柱石莫来石化剧烈开始有大量莫来石生成。到1400 ℃时红柱石已完全分解，生成莫来石。因此，为了材料中莫来石化反应进行完全，1400 ℃为比较合适的烧成温度，在下面试验中均采用此烧成温度。

表1　实验原料的主要化学组成(wt.%)Tab.1　Chemical composition of raw materials (wt.%)

表2　实验配方(wt.%)Tab.2　Experimental formula (wt.%)

2.2泡沫加入量与试样容重间的关系

以泡沫法制备轻质隔热材料，其成孔机理即是泡沫保留原位产生的气孔，轻质隔热材料的容重和泡沫的加入量直接相关。在制备泡沫泥浆过程中，在一定量的粉料基础上，改变泡沫的加入量，可以得到不同容重的试样。泡沫会随着搅拌时间的延长而破裂，故搅拌时间不宜过长，本实验对泡沫泥浆进行10分钟的搅拌，搅拌机的转速为800 r/min。表3为试样的容重与泡沫加入量的对应关系。

为了进一步探究试样容重与泡沫加入量之间的关系，对两者进行了线性拟合。由图2可知，两者的线性相关度达到了99．60%。因此，可以得出结论：试样的容重与泡沫加入量成线性相关，随着泡沫加入量的增加，试样的容重呈线性递减。

2.3 泡沫法制备的莫来石轻质砖的力学性能

轻质隔热材料用于容重较小，从而导致了它的物理性能不能和重质材料相媲美。但是在使用过程必须保证其有一定的强度用以满足施工使用，而且轻质材料由于具有较高的气孔率，在烧成过程有很大的收缩变形，作为定型制品，它的尺寸就不容易控制。在使用过程中，在高温下容易产生收缩变形，从而影响窑炉的整体使用性能。实验制备的不同容重轻质隔热材料的物理性能(线变化率和耐压强度)如表4所示。

从表4看出，随着容重的增加，试样的线变化不是很大，小于2%。但对于容重增大到一定程度时，当容重超过0．9 g/cm3时，随着材料容重的增加，线变化越来越大；当容重到1．0 g/cm3时，试样的线变化率达到了-3．0%。由于在烧成过程中原料的收缩造成，而容重较大的试样气孔率较小，烧成收缩较大；容重较小时，由于有较大的气孔率，所以收缩变化不大。随着容重的增加，试样的常温耐压强度逐渐增大。其原因是随着容重的增大，材料的致密性增加，气孔率降低，其力学性能也就随之提高。

为了进一步显示试样容重与常温耐压强度之间的关系，对两者进行了线性拟合，如图3。试样的容重与耐压强度线性相关度为98．53%，因此可以说明两者之间呈线性关系。

表3　试样容重与泡沫加入量Tab.3　Unit weight and foam addition

图2　试样容重与泡沫加入量之间的关系Fig.2　Relation of the unit weight and foam addition

图3　试样容重与耐压强度之间的关系Fig. 3 Relation of the unit weight and compressive strength

表4　不同容重试样的线变化和常温耐压强度Tab.4　Linear change and cold compressive strength of samples

2.4泡沫法制备的莫来石轻质砖的孔结构及其与性能的关系

不同容重下制品的气孔率分布情况如表5所示，其中真气孔率是采用测量制品真密度和容重计算得到的。显气孔率是采用阿基米德原理测量计算得来。闭气孔率=真气孔率-显气孔率。由表5知道，泡沫法制备莫来石轻质隔热材料，随着容重的增大，其真气孔率降低，显气孔率也随着容重的增大而呈现降低的趋势。这主要是由于容重较低的制品在料浆中泡沫的加入量较大，在泡沫泥浆浇注和干燥过程中，消泡现象较明显，得到的且孔壁较薄，容易产生破损，最终形成贯穿气孔。随着容重增大，消泡现象降低，形成的贯穿气孔也减少。制品的显气孔率比预计偏大，在浇注干燥过程中，由于水分的排出破坏了泡沫的结构，制品的养护和干燥工艺还需优化。还有可能是试样有较大的气孔率，孔壁较薄，在测试过程中，孔壁破损，导致显气孔率上升。试样的闭气孔率基本不变，大概为3%。

综合上面的分析，试样的力学性能不仅仅和试样的气孔率相关，还和试样的气孔尺寸以及分布相关。当试样具有较高的气孔率，气孔尺寸越小越均匀，而且闭气孔较多时，试样的力学性能越优异，泡沫法制备轻质隔热材料可以达到这一要求。

2.5泡沫法制备莫来石轻质材料的微观结构

图4为所制备莫来石轻质隔热材料不同容重试样的SEM照片。从中可以看出，以泡沫法制备轻质隔热材料，制品的气孔无规则形状，分布比较均匀。制品容重较小时，孔径较大，当容重为0．6 g/cm3时，最大孔径在0．2 mm左右，平均孔径约为0．15 mm，分布比较均匀。当容重达到0．7-0．9 g/cm3，制品的孔径已经减小到0．1mm左右，分布比较均匀。容重继续增大时，制品的孔径已经在0．1mm以下，分布比较均匀。通过以上观察可知试样主要以小气孔为主，这不仅有利于试样强度的提高，同时也有利于试样保温效果的提升。但是所有制品的气孔大都以贯通气孔为主，与闭气孔率测试结果相符合。

表5　不同容重下制品的气孔率Tab.5　Apparent porosity of samples with different unite weight

图4　试样的SEM孔结构图Fig.4　SEM images of samples

3　结　论

(1)试样的容重在0．6-1．0 g/cm3之间，其容重与泡沫加入量成线性反比关系；随着其容重的增大，试样的耐压强度和烧后线变化均成线性增大，闭气孔率基本不变，显气孔率成线性减小。

(2)随着容重的增大，试样的孔径成减小趋势。当容重为0．6 g/cm3时，最大孔径在0．2 mm左右，平均孔径约为0．15mm。当容重在0．7-0．9g/cm3，其孔径减小到0．1mm左右。容重继续增大，制品的孔径在0．1mm以下。气孔以贯通小气孔为主，且气孔分布比较均匀，闭口气孔率较低，仅为3%左右。

[1] 李红霞． 耐火材料手册[M]． 北京：冶金工业出版社, 2007．

[2] 靳洪允． 泡沫陶瓷材料的研究进展[J]． 佛山陶瓷, 2005(8): 29-32．

[3] 马文, 沈卫平, 董红英． 多空陶瓷的制造工艺及进展[J]． 粉末冶金技术, 2002, 20(6 ): 365-368．

[4 赵金龙． 几种自蔓延高温合成新技术及其应用基础研究[D]．大连理工大学, 2001．

[5] 张字民． 多孔陶瓷材料制备工艺进展[J]． 兵器材料科学与工程, 2002, 25(2): 62-67．

[6] Sepu1veda P, Qrtega F S, Innocentini M D M ,et a1． Properties of High1y Porous Hydroxy -apatite Obtained by the Ge1-casting of foams[J]． J Am Ceram Soc．, 2000, 83( 12): 3021-3024．

[7] 文洪杰, 苗圃, 李文超． 红柱石的莫来石化动力学[J]．耐火材料, 1995, 29(3): 140-141, 148．

[8] 李博文, 翁润生, 李嘉． 用红柱石制备莫来石纤维增强材料的实验研究[J]． 耐火材料, 1996, 30(6): 305-307, 313．

[9] 付慧琴． 泡沫法制备铝硅系保温材料的基础研究[D]． 武汉科技大学, 2014．

Preparation and Properties of Mullite Lightweight Insulation Materials by Foaming

PENG Weike, DENG Chengji, FU Huiqin, ZHU Hongxi, HUANG Yongliang, YUAN Wenjie
(The State Key Laboratory of Refractories and Metallurgy, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, Hubei, China)

Mullite lightweight insulation materials were prepared from andalusite, corundum, cement, clay and silica fume with water reducer, colloidal silica and water additions by different foam amounts and sintered at the different temperatures. The unit weight, porosity, pore’s type and size and cold compressive strength of materials were measured. The phase composition and microstructure of the prepared samples were characterized. The results showed that the mullite lightweight insulation materials fabricated by foaming presented uniform and dense surface and the distribution of pores was even. The major phase was mullite in all samples. The linear change and cold compressive strength increased linearly with the unit weight. Apparent porosity of samples decreased gradually, and closed porosity kept unchanged at about 3%.

foaming; mullite; lightweight insulation materials

date:2014-11-10 .Revised date: 2014-11-12.

TQ175.7

A

1006-2874(2015)02-0006-05

10.13958/j.cnki.ztcg.2015.02.002

2014-11-10。

2014-11-12。

湖北省自然科学基金资助(编号：2012FFB04902；2012FFA103)。

通信联系人：邓承继，男，博士，教授。

Correspondent author:DENG Chengji, male, Ph. D., Professor.

E-mail:cjdeng@wust.edu.cn