发泡凝胶法制备粉煤灰保温材料及其性能研究

赵小刚，刘亚东，宋金鹏，张海棠

(1.河北工业大学，天津 300401；2. 中北大学，山西 太原 030051)

我国粉煤灰年产量已达到7 亿t 以上，如果不将这些固体废弃物进行循环利用，将会占用大量的土地资源并产生严重污染[1]。在节能环保的政策背景下，粉煤灰的综合利用技术迎来了巨大发展机遇，近年来的综合利用经历了以储为主→储用结合→以用为主3 个发展阶段[2]，用于生产建筑材料已成为最具应用前景的发展方向[3]。结合城市化改造和城镇化建设的推广，将粉煤灰应用于生产建筑保温材料，不仅可以实现固体废弃物的再利用，还可以克服建筑保温材料易燃等问题[4]。本研究采用发泡凝胶法制备了多孔粉煤灰保温材料，研究了固相含量、助剂掺量和烧结温度等对保温材料热学和力学性能的影响，优化了成分配比和烧结温度，结果将有助于节能环保、保温性能良好的粉煤灰保温材料的制备及工业化应用。

1 试 验

1.1 试验原料

粉煤灰：大唐国际陡河发电厂；硅藻土：石家庄马跃建材有限公司，主要化学组成见表1；羧甲基纤维素钠：山东森美生物科技有限公司；十二烷基硫酸钠：河南铭之鑫化工产品有限公司；高岭土：恒达矿产有限公司；明胶：天津祥盛有限公司；烧结助剂：水玻璃，密度1.45 g/cm3，济南德旺化工有限公司。

表1 粉煤灰和硅藻土的主要化学组成 %

1.2 试验仪器与设备

MS204TS 型电子天平，梅特勒托利多公司；R30A 型电动搅拌器，南京庚辰科学仪器有限公司；SNR-430H 型电热鼓风干燥箱，吴江威信电热设备有限公司；TW-RG736 型导热系数测定仪，格致科技有限公司；MTS-810 万能材料试验机，MTS 公司。

1.3 试样制备

固定m(粉煤灰)∶m(硅藻土)∶m(高岭土)=5∶1∶0.5 不变(混合粉磨至400 目)，通过改变固相含量、明胶掺量、烧结温度和助剂掺量制备粉煤灰保温材料[5]。制备过程中将粉磨后的粉煤灰、硅藻土、高岭土与明胶以及羧甲基纤维素钠混合后加40 ℃温水进行搅拌，得到不同固相含量的粉煤灰浆料；再加入十二烷基硫酸钠，并快速搅拌进行发泡处理，将泡沫浆料转入表面涂抹有甘油的模具中；室温干燥15 h 后转入干燥箱中，进行58 ℃/2 h+78 ℃/2 h+108 ℃/2 h 的梯度干燥处理，得到粉煤灰保温材料生坯；生坯转入马弗炉中进行不同烧结温度保温2 h 的空气气氛烧结，随炉冷却至室温后得到粉煤灰保温材料。

1.4 测试与表征

将烧结成型的保温材料加工成半径r、厚度h 的圆柱体试样，按照式(1)计算表观密度ρm和孔隙率ε[6]：

式中：m——保温材料的质量，g；

ρt——真密度，g/cm3。

采用TW-RG736 型导热系数测定仪测试保温材料的导热系数，结果取3 组试样平均值；根据GB/T 1964—1996《多孔陶瓷压缩强度试验方法》，在MTS-810 型万能材料试验机上测试抗压强度，压缩速率为3 mm/min，结果取3 组试样的平均值。

2 试验结果与分析

2.1 固相含量对保温材料性能的影响

明胶掺量(按占粉煤灰浆料质量计)为5%、烧结温度950℃、十二烷基硫酸钠掺量(按占粉煤灰浆料质量计)为0.5%，浆料中固相含量为35%～55%时对保温材料表观密度和抗压强度的影响见图1，对保温材料孔隙率和导热系数的影响见图2。

图1 固相含量对保温材料表观密度和抗压强度的影响

由图1 可见，当固相含量从35%增加至55%时，保温材料的表观密度先减小后增大，在固相含量为45%时表观密度最小，这主要是因为在较低的固相含量时，保温材料浆料黏度低，在机械搅拌过程中，浆料中的发泡剂虽然会产生大量泡沫，但是稳泡性较差[7]，保温材料固化过程中坯体不易成型，最终造成成型坯体会产生较大的体积收缩甚至局部坍塌；而固相含量较高时，保温材料浆料黏度高，机械搅拌过程中浆料发泡效果差，成型坯体体积收缩小而具有较大的表观密度。当固相含量从35%增加至55%时，保温材料的抗压强度逐渐提高，在固相含量为55%时抗压强度最高(1.3 MPa)。这主要是因为在较低的固相含量下，浆料发泡效果好，成型坯体中会由于体积收缩而产生结构破坏[8]，抗压强度较低；而在较高的固相含量下，浆料发泡效果较差，成型坯体体积收缩小、表观密度大，相应的抗压强度较高。

图2 固相含量对保温材料孔隙率和导热系数的影响

由图2 可见，当固相含量为35%时，保温材料的孔隙率为83.3%，导热系数为0.077 W/(m·K)；当固相含量从35%增加至55%时，保温材料的孔隙率先增大后减小，而导热系数则先减小后增大，在固相含量为45%时孔隙率最大、导热系数最小。这主要是因为固相含量较低时，浆料发泡效果好而稳定性差，使得成型坯体发生较大体积收缩甚至局部坍塌，保温材料的多孔结构发生破坏，孔隙率较低而导热系数较大[9]；在固相含量较高时，浆料发泡效果差，成型坯体体积收缩小，孔隙率较低、导热系数较大。过高或者过低的固相含量都不利于形成抗压强度较高且保温性能良好的保温材料，本试验中适宜的固相含量为45%。

2.2 明胶掺量对保温材料性能的影响

固相含量为45%、烧结温度为950 ℃、十二烷基硫酸钠掺量为0.5%，明胶掺量为1%～7%时对保温材料表观密度和抗压强度的影响见图3，对保温材料孔隙率和导热系数的影响见图4。

图3 明胶掺量对保温材料表观密度和抗压强度的影响

由图3 可见，当明胶掺量从1%增加至7%，保温材料的表观密度先减小后增大，在明胶掺量为3%时表观密度最小(0.254 g/cm3)，这主要是因为当明胶掺量较低时，保温材料浆料在成型过程中会发生局部坍塌，成型坯体表观密度较大，而当明胶掺量增加至3%以上时，保温材料浆料黏度升高，发泡效果较差，成型坯体收缩小，使得保温材料具有较大的表观密度。当明胶掺量从1%增加至7%，保温材料的抗压强度逐渐提高，在明胶掺量为7%时抗压强度达到最高(0.57 MPa)，这主要是因为较低的明胶掺量会使得成型坯体内部出现结构破坏，此时抗压强度较低，而随着明胶掺量增加，成型坯体密实性提高，抗压强度相应得到提高。

图4 明胶掺量对保温材料孔隙率和导热系数的影响

由图4 可见，当明胶掺量从1%增加至7%，保温材料的孔隙率先增大后减小，导热系数先减小后增大，在明胶掺量为3%时孔隙率最大、导热系数最小，不同明胶掺量的保温材料的孔隙率和导热系数呈负相关性。这主要是因为在明胶掺量为1%时，保温材料浆料黏度低，发泡效果好而稳泡性差，成型坯体内部多孔结构发生破坏，孔隙率低而导热系数高；当明胶掺量增加至3%时，保温材料浆料发泡效果好，且成型坯体多孔结构稳定，孔隙率高而导热系数低；继续增加明胶掺量，保温材料浆料黏度增大，发泡效果差，成型坯体多孔结构较少而孔隙率减小、导热系数增大。在明胶掺量为5%时，保温材料浆料发泡效果好且成型坯体多孔结构稳定，保温材料抗压强度较高，具有良好的保温特性，为本试验中适宜的明胶掺量。

2.3 烧结温度对保温材料性能的影响

固相含量为45%、明胶掺量为5%、十二烷基硫酸钠掺量为0.5%、羧甲基纤维素钠掺量为0.2%，烧结温度为850～1050℃时对保温材料表观密度和抗压强度的影响见图5，对保温材料孔隙率和导热系数的影响见图6。

图5 烧结温度对保温材料表观密度和抗压强度的影响

由图5 可见，当烧结温度为850 ℃时，保温材料的表观密度为0.261 g/cm3、抗压强度为0.36 MPa；随着烧结温度从850℃升高至1050 ℃，保温材料的表观密度和抗压强度逐渐提高，在烧结温度为1050 ℃时，保温材料的表观密度为0.297 g/cm3、抗压强度为0.92 MPa。这主要是因为随着烧结温度提高，保温材料中骨料颗粒的表面能会不断减小，更容易填充保温材料中的孔洞等缺陷[10]，致密度提高的同时抗压强度提高。

图6 烧结温度对保温材料孔隙率和导热系数的影响

由图6 可见，当烧结温度为850 ℃时，保温材料的孔隙率为87.4%、导热系数为0.051 W/(m·K)；随着烧结温度从850℃提高到1050 ℃，保温材料的孔隙率逐渐减小、导热系数逐渐增大，当烧结温度为1050 ℃时，保温材料的孔隙率减小至85.6%、导热系数增大到0.083 W/(m·K)。这主要是因为随着烧结温度的提高，保温材料中的孔洞结构会被骨料颗粒不断填充，成型坯体会更加密实，内部气体传热效果减弱，导热系数升高。这主要是因为烧结温度的升高有助于成型坯体中孔洞结构的填充并形成致密化结构。要想获得抗压强度较高且保温性较好的保温材料，适宜的烧结温度为950 ℃。

2.4 烧结助剂对保温材料性能的影响

固相含量为45%、明胶掺量为5%、十二烷基硫酸钠掺量为0.5%、羧甲基纤维素钠掺量为0.2%、烧结温度为950 ℃，烧结助剂水玻璃掺量(按占粉煤灰浆料质量计)为0～8%时对保温材料表观密度和抗压强度的影响见图7，对保温材料孔隙率和导热系数的影响见图8。

图7 水玻璃掺量对保温材料表观密度和抗压强度的影响

由图7 可见，当未掺水玻璃时，保温材料的表观密度为0.271 g/cm3、抗压强度为0.52 MPa；当水玻璃掺量从0 增加至8%时，保温材料的表观密度和抗压强度逐渐提高，在水玻璃掺量为8%时，保温材料的表观密度为0.331 g/cm3、抗压强度为0.87 MPa。这主要是由于增加水玻璃掺量会促进水玻璃中Na+与硅氧四面体中的O 更多地结合，而使得烧结体中液相增多[11]，孔洞得到填充，表观密度增大，同时抗压强度提高。

图8 水玻璃掺量对保温材料孔隙率和导热系数的影响

由图8 可见，当未掺水玻璃时，保温材料的孔隙率为87.1%、导热系数为0.052 W/(m·K)；随着水玻璃掺量从0 增加至8%，保温材料的孔隙率逐渐减小、导热系数逐渐增大，在水玻璃掺量为8%时，保温材料的孔隙率减小至84.2%、导热系数增大至0.071 W/(m·K)。这主要是因为水玻璃掺量的增加会使得成型坯体中孔洞被更多的液相所填充，多孔结构减少，孔隙率减小的同时导热系数增大。为了保证保温材料具有良好的成型性能、较高抗压强度的同时具有良好的保温性能，建议水玻璃掺量为4%，此时保温材料的表观密度为0.301 g/cm3、抗压强度为0.62 MPa、导热系数为0.061 W/(m·K)。

综合而言，当固相含量为45%、明胶掺量为5%、烧结温度为950 ℃、水玻璃掺量为4%时保温材料具有良好的综合性能，能够满足保温材料表观密度≤0.3 g/cm3、抗压强度≥0.5 MPa、导热系数≤0.1 W/(m·K)的要求[12]。

3 结 论

(1)当固相含量从35%增加至55%或者明胶掺量从1%增加至7%时，保温材料的表观密度和导热系数先减小后增大、孔隙率先增大后减小，抗压强度逐渐提高。

(2)随着烧结温度从850 ℃上升至1050 ℃，保温材料的表观密度、抗压强度和导热系数逐渐升高，孔隙率逐渐减小；当水玻璃掺量从0 增加至8%时，保温材料的表观密度、导热系数和抗压强度逐渐升高，孔隙率逐渐减小。

(3)当固相含量为45%、明胶掺量为5%、烧结温度为950℃、水玻璃掺量为4%时，保温材料具有良好的综合性能，能够满足保温材料表观密度≤0.3 g/cm3、抗压强度≥0.5 MPa、导热系数≤0.1 W/(m·K)的要求。