发泡陶瓷坯料化学组分的研究现状

宋晚玉，王慧贤（通信作者），王今华，张 冰

（1华北水利水电大学 河南 郑州 450045）

（2郑州大学 河南 郑州 450001）

0 引言

发泡陶瓷内部是由固相与互不连通的气相所填充，其骨架呈现三维空间网状结构，因此质轻高强、防火阻燃、保温隔热、安全环保。因其原料来源广泛、价格低廉等优势，深受生产和应用企业的广泛青睐。发泡陶瓷这一概念在19世纪70年代由美国提出，最早用来过滤和提纯材料。随着发泡陶瓷的其他优势不断被科研人员发现，在隔热、吸音、光电、防震、化工及环境生物等其他领域也有着广泛的发展前景[1-2]，对于绝热缘型发泡陶瓷，更是涉及了航空航天领域，其广泛的应用掀起了全世界材料行业制备发泡陶瓷这股浪潮。

目前固体废弃物是我国亟需解决的一大难题，在我国大力倡导“推动建筑节能减排，加快绿色建筑发展”的政策指引下，利用发泡陶瓷消纳固体废弃物也成了近年来的研究热点。由于固体废弃物种类繁杂，传统的发泡陶瓷配方设计主要从原材料入手，通过多次试验优化而来，这就会造成试验周期长，造价成本过高，给发泡陶瓷配方设计带来了一定的困难。本文通过发泡陶瓷国内外的研究现状，基于坯料化学组分的设计观点，提出了发泡陶瓷坯料化学组分与发泡陶瓷性能的关系，为今后发泡陶瓷配方设计提供一种新思路。

1 发泡陶瓷的研究现状

为了发泡陶瓷绿色化、低成本制备，众多研究人员发现可以利用不同固体废弃物作为发泡陶瓷的主要原料来源，其中主要原料来源包括各种尾矿、煤矸石、粉煤灰、花岗岩废料以及废渣等[3]。

周明凯等[4]以粉煤灰作为主要原料，长石、碎玻璃充当助熔剂。利用铬渣代替部分粉煤灰，碎玻璃替换部分长石，讨论铬渣与碎玻璃对发泡陶瓷性能的影响。研究结果表明：适当的铬渣掺量有利于发泡陶瓷性能的提高，当铬渣掺量为10%时，抗压强度可以达到8.11 MPa，体积密度达到368.54 kg/m3；掺加碎玻璃对发泡陶瓷性能影响不明显。

谭洪波等[5]使用黄姜废渣为基料，利用麻城石粉去调节整个配方体系中硅含量占比，SiC为发泡剂，探讨制备工艺、材料组成对发泡陶瓷性能的影响。经过多次试验得到最优的升温速率（5 ℃/min）、烧成温度（1 130 ℃）、成型压力（1 MPa）、发泡剂掺量（0.5%）、石粉掺量（40%），以此将会得到性能优良的发泡陶瓷。试验发现石粉掺量与孔径大小及均匀性有较密关系。

赵威等[6]利用钼尾矿作为主要原料，钾钠石粉、粘土为辅助原料，制备了轻质保温发泡陶瓷墙体材料，研究了原料不同掺量的配比、发泡剂的添加量以及烧成温度等因素对发泡陶瓷性能的影响规律。研究表明：钼尾矿的最佳掺量为40%，SiC最佳外掺量为0.4%；在烧成温度为1 150 ℃，保温30 min条件下，制得了抗压强度为6.5 MPa，体积密度为0.67 g/cm3，吸水率为8.7%，导热系数为0.13 W/(m K)的发泡陶瓷保温墙体材料。

娄广辉等[7]采用煤矸石、赤泥和废玻璃为原料，MnO2为发泡剂，硼砂为助熔剂，Na3PO4为稳泡剂，得到的最佳配方为煤矸石占38.10%、赤泥占21.90%、废玻璃占40%，再加上3%的MnO2，2%的Na3PO4、2%的硼砂，最佳烧成温度为950 ℃，保温30 min条件下，发泡陶瓷的吸水率为2.95%、表观密度为0.589 g/cm3。

李嘉昊等[8]用紫色页岩、含钛高炉渣作为主要原料，硼砂为助熔性物质，碳化硅为发泡剂，讨论原料配方、助熔剂掺量与发泡陶瓷气孔率、闭孔率、孔径分布、表观密度、抗压强度、导热系数之间的影响规律。研究结果表明：当含钛高炉渣占比增加时，将会导致平均气孔孔径增大，呈现气孔不均匀性，这是由于含钛高炉渣的增加使SO2含量下降，破坏了［SO4］骨架，以及MgO、TiO2含量的上升，破坏了整体的黏性。因此，含钛高炉渣掺量为30%，硼砂添加量为4%，SiC为0.2%，将会得到2.59 MPa的抗压之间的关系，并以此为基础制备出了孔隙率为35%的发泡陶瓷砖。

Hasheminia等[9]利用废玻璃为主要原料，SiC为发泡剂，探讨不同掺量的PbO与陶瓷性能之间的关系，在基础配方上，外掺2 wt%的SiC，15 wt%的PbO。试验结果发现：PbO可以拓展液相产生温度区间，并且提高SiC产生气泡的能力，增强粘结性，制备出泡沫玻璃，样品表观密度为0.5 g/cm3。

2 发泡陶瓷坯料的化学组分研究现状

发泡陶瓷坯料的化学组分影响高温液相量、液相粘度、烧成温度、表面张力等，从而影响发泡陶瓷的性能，各文献中不同发泡陶瓷的配方体系化学组分含量如表1所示。

由上表1可知，可用于制备发泡陶瓷的主要氧化物组分大多数为SiO2、Al2O3，并含有少量的熔剂性碱金属氧化物等，但不同文献中涉及的化学组成含量却大相径庭。目前关于发泡陶瓷化学组分与性能关系的研究主要针对上述7种化学组分。

2.1 SiO2

SiO2含量约占到整个发泡陶瓷组分含量的一半，甚至会更多，并且晶相结构能够作为整个玻璃相中的骨架结构。一般来说，含量占比约为40%～75%。李伟光等[10]研究发现随着SiO2含量的递增，将会整体提高产生液相的温度和粘度，进而导致增强影响发泡的阻力，产生很多大小不一的气孔，致使发泡陶瓷的表观密度增加，抗压强度降低。因此，SiO2的含量不宜过多。

2.2 Al2O3

在整个发泡陶瓷化学组分中Al2O3含量排在第二位，不少研究人员发现Al2O3会显著提高烧成温度，表面张力以及液相黏度。彭丽芬等[11]在考虑Al2O3掺量与孔结构的关系时，发现Al2O3可以减少烧成温度对孔径的影响，表明Al2O3具有稳定气孔孔径的作用，并且指出Al2O3对于发泡陶瓷的强度也有一定的增强作用。葛雪祥等[3]研究了Al2O3/SiO2比值与发泡陶瓷性能之间的关系，通过大量试验发现随着Al2O3/SiO2比值增大，对发泡温度起到了提高的作用，并且扩大了发泡温度的范围，提高了发泡陶瓷的比强度，当Al2O3含量处于22～26 wt%时，有助于制备出高强微孔的发泡陶瓷。

2.3 碱金属氧化物

Na2O、K2O在制备发泡陶瓷中充当助熔的角色，能够有效地降低烧成温度，增加液相量。马子钧等[12]发现Na2O有利于玻璃相的形成，若掺量过多将导致气泡从液相中逸出，从而不同气孔融合，导致气孔孔径相差过大，对发泡陶瓷强度造成减弱的影响，因此Na2O的掺量最好不超过10.97 wt%。Wang等[13]利用Na3PO4分解出来的Na2O，用来充当强助熔剂，研究表明Na2O可以降低液相出现的温度，促进发泡剂SiC的分解。

葛雪祥等[3]经过试验发现K2O含量在2～8 wt%变化时，K2O含量与气孔孔径成正比关系，与体积密度成反比关系，在低温状态下可以促进液相的产生；但当K2O含量为10 wt%时，形成了高熔点的白榴石晶相，在低温下液相不易形成，因此气孔的生长受到了阻碍。

2.4 碱土金属氧化物

张勇林等[14]引入硅灰石与滑石，硅灰石是一种富含CaO的物质，理论含量为48.25%，滑石中MgO的理论含量达到31.88%；试验发现随着硅灰石和滑石掺量的递增，烧结密度均出现了下降的趋势。当两者掺量均大于3%时，滑石组烧结密度再次降低，硅灰石却出现稍微上升的趋势，这是由于CaO降低熔体粘度的能力要强于MgO，CaO比MgO易保持气孔的稳定，使气孔生长速率均匀，不易造成气孔结构的恶化。

2.5 Fe2O3

Fe2O3既是一种高温助熔剂又是氧化剂，不仅可以降低液相产生温度，而且可以促进发泡剂氧化反应。Abbasi等[15]研究发现Fe2O3可以减慢发泡剂分解气体的速率，有效控制气孔孔径的均匀性，Fe2O3在其中起到氧化剂的作用。刘永峰等[16]发现当用SiC作为发泡剂时，Fe2O3对于气孔孔径具有一定的调节作用，气孔的大小与Fe2O3含量呈反比关系。

综上所述，发泡陶瓷性能与发泡陶瓷坯料化学组分之间存在着密不可分的关系，在现有的研究基础之上，建立起发泡陶瓷性能与坯料化学组分的关系是今后发泡陶瓷配方设计的理论基础。

3 坯料组分设计存在的问题

3.1 化学组分复杂

传统的发泡陶瓷大多数以工业固体废弃物作为主要原料来源，然而不同固体废弃物化学组分相差过大，因此导致发泡陶瓷坯料化学组分复杂，给发泡陶瓷配方设计带来了一定的难度。

3.2 实用性差

利用坯料化学组分指导发泡陶瓷的配方设计具有良好的工业价值，但在生产实践中存在一定的局限性，这是由于不同原料中的化学组分含量对发泡陶瓷性能的影响存在差别。

3.3 存在安全隐患

目前文献中涉及的能够制备出发泡陶瓷的原材料偏向于一些重金属物质，这些重金属物质中含有一定的放射性，对环境安全与绿色环保等均存在一定的安全隐患。

4 结语

现如今，我国环境倡导绿色生态可持续发展理念，寻求固体废弃物的最大化研究和利用来缓解资源能耗带来的一系列问题，众多国内外研究人员发现将固体废弃物应用到发泡陶瓷中具有很大的发展前景。发泡陶瓷坯料组分设计研究一方面可以给配方设计提供一定的理论参考，另一方面也可以为发泡陶瓷原材料的选择提供一定的理论与应用价值。