分层分区布料工艺制备轻质保温发泡陶瓷的研究

赵 威，王 竹，戴永刚，张国涛，南 宁

(1.商洛学院，陕西省尾矿资源综合利用重点实验室，商洛 726000;2.广东金意陶陶瓷集团有限公司，佛山 528031; 3.华南理工大学材料科学与工程学院，广州 510640)

1 引 言

近年来，随着国家环境治理力度不断加强，同时人们对生活、工作环境要求越来越高。采用固体废弃物制备发泡陶瓷成为了研究热点[1-5]。发泡陶瓷具有低密度、高强度、耐腐蚀、耐高温、使用周期长、导热系数低等优点。它既符合国家环保政策可变废为宝，又可以改善生活、工作环境，作为新型隔墙板、保温装饰一体砖、外墙保温板、装配式建筑的市场潜力巨大[6-8]。目前全国超20家工厂(如广西碳歌、广东金意陶、承德新通源、一方科技等)投资建设发泡陶瓷生产线，发泡陶瓷将在未来建筑材料中具有举足轻重的作用[9-10]。

而在发泡陶瓷的生产过程中，无论是隧道窑还是辊道窑都面临烧成周期长、生产效率低的难题。目前众多研究者集思广益，寻求解决方案，总体来说解决方法分为两种：一种是增加窑体长度，在不缩短烧成周期的条件下，提高发泡陶瓷在窑内的移动速度，从而达到提高生产效率的目的；二是增大炉腔体积，在不缩短烧成周期的条件下，增加产品体积或者产品层数，提高生产效率。这两种方法均需扩大窑炉体积，增加设备投入，并未缩短烧成周期，降低成本。

本研究采用钼尾矿为主要原料，以少量粘土、长石为辅助原料，加入SiC作为发泡剂。将不同发泡剂含量的原料进行分层分区布料，研究研究发泡剂含量、布料工艺对钼尾矿基发泡陶瓷试样性能的影响，研究结果可为缩短烧成周期提供一种可行途径。

2 实 验

2.1 实验过程

本实验采用商洛市洛南县大量堆存的钼尾矿为主要原料，加入钾长石、粘土为辅助原料，经前期实验得出制备钼尾矿基发泡陶瓷的最佳原料配方为钼尾矿80wt%，钾长石10wt%，粘土10wt%[11]。将各原料分别粉碎磨细后过200目筛，然后按比例称重，加入不同含量发泡剂，倒入(XMQ500/1000)型球磨机中，球磨3 h，倒出烘干后，再次粉粹磨细过200目筛，制得发泡剂含量不同的发泡陶瓷原料。将不同原料倒入Φ10 cm的圆柱形刚玉模具中，进行分层分区布料，最后放入马弗炉中，8 ℃/min的升温速率升至1000 ℃，再以不同升温速率升至1140 ℃保温20 min，随炉冷却后制得钼尾矿基发泡陶瓷试样。

2.2 测试方法

采用西派克公司的TX5300视频显微镜对钼尾矿基发泡陶瓷的宏观形貌进行观察采集；采用济南恒瑞金试验机有限公司的WDW-50型万能试验机对发泡陶瓷试样的抗压强度进行测试，样品尺寸3 cm×3 cm×3 cm。发泡陶瓷试样的体积密度基于阿基米德排水法采用福布斯MH-300A型密度仪进行测量。导热系数采用和晟HS-DR-5型瞬态平面热源法导热仪进行测试，每组数据重复测量5次，取平均值。

3 结果与讨论

3.1 发泡剂含量及升温速率对发泡陶瓷气孔尺寸的影响

本实验在确定原料组成(钼尾矿80wt%，钾长石10wt%，粘土10wt%)的基础上，分别加入0.3wt%、0.5wt%和0.7wt%的高纯纳米级碳化硅做为发泡剂。从室温以8 ℃/min的升温速率升至1000 ℃，然后以1 ℃/min的升温速率升至1140 ℃，保温20 min，随炉冷却制得三组发泡剂含量不同的发泡陶瓷试样如图1所示。

图1 高温段1 ℃/min烧制发泡陶瓷的宏观形貌图Fig.1 Macroscopic topography of foam ceramics sintered at 1 ℃/min in high temperature section

从图1中可以看出：在高温段，采用1 ℃/min升温速率烧制的发泡陶瓷内部气孔分布均较为均匀；随着发泡剂含量的增加，平均孔径增大。进一步为缩短烧成周期，将高温段的升温速率由1 ℃/min升至3 ℃/min，烧制的发泡陶瓷试样如图2所示。

图2 高温段3 ℃/min烧制发泡陶瓷的宏观形貌图Fig.2 Macroscopic topography of foam ceramics sintered at 3 ℃/min in high temperature section

从图2中可以看出：随着升温速率的提升，三组发泡陶瓷试样的平均孔径均减小。这是因为随着升温速率的提高，发泡陶瓷试样在高温段停留时间缩短，发泡剂发泡不充分导致，但随着发泡剂含量的提高，发泡陶瓷试样内部的平均孔径增大。从试样整体来看，随着升温速率的提高，试样中心和表面层的气孔尺寸差异较大，这是由于升温速率过快在试样内部形成温度梯度，导致发泡不均。为解决此问题，本实验采用分层布料和分层分区布料来解决次问题，进而提高烧成周期。

3.2 分层布料对发泡陶瓷性能的影响

为缩短烧成周期，在高温段采用3 ℃/min的升温速率导致发泡陶瓷试样内部受热不均，进而导致发泡不均。本实验将发泡剂含量不同的粉料进行上下两层布料，将发泡剂含量较高的粉料布在下层，发泡剂含量较低的粉料布在上层，弥补受热不均，改善发泡均匀性，进而烧制泡沫陶瓷，研究此布料方式对发泡陶瓷性能的影响。设计了发泡剂含量分别为0.3wt%/0.5wt%(a)、0.3wt%/0.7wt%(a)和0.5wt%/0.7wt%(c)的三组实验，烧成后试样的宏观形貌如图3所示。

图3 上下两层布料制备泡沫陶瓷的宏观形貌图Fig. 3 Macroscopic topography of foam ceramics prepared with upper and lower layers distribution

从三组试样的宏观形貌图可以看出：采用上下两层布料烧制的发泡陶瓷试样分界线均较明显，发泡剂含量为0.7wt%的粉末烧制的发泡陶瓷颜色较黑，主要是由于发泡剂SiC高温分解碳化导致。处于底层0.7wt%的粉末烧制的发泡陶瓷平均孔径依然较大，a组试样(0.3wt%/0.5wt%)烧制的泡沫陶瓷气孔较均匀。

从图4中可以看出：随着发泡剂平均含量的增加，泡沫陶瓷试样的体积密度和抗压强度均降低，这是与宏观形貌中试样的平均孔径增大一一对应。因为发泡剂含量越多，高温产生的气体越多，导致泡沫陶瓷试样的平均孔径增大。从图3中可以看出：a组试样的平均孔径小且气孔均匀性较好，其抗压强度较高。而c组试样气孔均匀性较差且平均孔径较大，所以抗压强度较低。以上三组发泡陶瓷试样的导热系数分别为0.20 W/(m·k)、0.16 W/(m·k)和0.15 W/(m·k)，随着平均发泡剂含量的增多泡沫陶瓷试样的导热系数减小。平均孔径增大、体积密度减少，导致泡沫陶瓷试样的导热系数减小。

3.3 分层分区布料烧制发泡陶瓷

采用上下两层布料可解决发泡陶瓷纵向发泡不均问题，但中心区域的平均孔径依然较边缘区域小。本实验将三种不同发泡剂含量(0.3wt%、0.5wt%、0.7wt%)的发泡陶瓷粉末，按照图5的方式进行分层分区布料，将模具内部分为中心区域和外侧区域，中心区域采用上、中、下三层布料的方式进行，粉料中的发泡剂含量从上到下依次增多；外侧区域分为上下两层，上层发泡剂含量为0.3wt%，下层发泡剂含量为0.5wt%。

图4 上下两层布料制备泡沫陶瓷的抗压强度和体积密度折线图Fig. 4 The compressive strength and bulk density of foam ceramics prepared with upper and lower layers distribution

图5 分层分区布料三维模型图Fig.5 Three-dimensional model of layered and partitioned distribution

采用该分层分区布料方式烧制的发泡陶瓷试样的局部形貌如图6所示，图6(a)为该发泡陶瓷的底面形貌图，图6(b)为中心断面形貌图，图6(c)为试样外侧形貌图，从图中可以看出：该方法制备的发泡陶瓷气孔均匀性较好，有效解决了由于升温速率过快在试样内部形成温度梯度，导致发泡不均的难题。该发泡陶瓷试样的体积密度为0.44 g/cm3，抗压强度3.9 MPa，导热系数0.15 W/(m·k)，满足轻质保温墙体材料的使用要求。该布料工艺可以缩短烧成后期，提高发泡陶瓷气孔均匀性。

图6 分层分区布料方式烧制发泡陶瓷局部形貌图Fig.6 Local topography of foamed ceramics by layered and partitioned distribution

4 结 论

本文以钼尾矿为主要原料烧制发泡陶瓷，采用不同含量发泡剂原料分层分区布料，制得的钼尾矿基发泡陶瓷气孔分布均匀，有效解决了由于升温速率过快在试样内部形成温度梯度，导致发泡不均的难题。该方法制备发泡陶瓷体积密度为0.44 g/cm3，抗压强度3.9 MPa，导热系数0.15 W/(m·k)，性能优异。本研究为发泡陶瓷规模化生产、缩短烧成周期提供一种可行途径。