漿料參數(shù)對石英砂保溫材料的性能影響

曲文強，李垚圻，劉龍濤，趙朔，鄧茹心，宋杰光，李世斌，王 芳

（九江學(xué)院機械與材料工程學(xué)院，江西省材料表面再制造工程技術(shù)研究中心，江西 九江 332005）

漿料參數(shù)對石英砂保溫材料的性能影響

曲文強，李垚圻，劉龍濤，趙朔，鄧茹心，宋杰光，李世斌，王 芳

（九江學(xué)院機械與材料工程學(xué)院，江西省材料表面再制造工程技術(shù)研究中心，江西 九江 332005）

以長江沿岸低品位石英砂為主要原料，采用真空燒結(jié)制備石英質(zhì)多孔材料，為新型保溫材料的開發(fā)提供參考。通過實驗分析，結(jié)果表明：隨著高嶺土含量逐漸增加，石英保溫材料氣孔率呈減小趨勢。隨著水料比增大，坯體成型性呈變差趨勢，石英保溫材料氣孔率先增大后降低。隨著發(fā)泡劑含量的增加，坯體成型性先變好后變差，石英保溫材料氣孔率呈現(xiàn)增大趨勢。結(jié)合性價比綜合考慮，當(dāng)水料比為1.4，高嶺土含量為30wt.%，發(fā)泡劑含量在1wt.%時，濕混6 h時，在木質(zhì)模具中澆注成型，自然干燥，1150 ℃燒結(jié)1 h，所得石英保溫材料具有較佳的綜合性能。

石英；保溫材料；漿料參數(shù)；氣孔率

0 引 言

隨著人們環(huán)保意識的增強，對陶瓷材料的功能也有了更多、更高的要求。多種環(huán)保型功能陶瓷因此應(yīng)運而生，特別是多孔陶瓷[1-3]。多孔陶瓷具有耐高溫、抗氧化、耐化學(xué)腐蝕、微孔均勻、原料來源廣泛、易于清洗等特點，廣泛應(yīng)用于化工、石油、環(huán)保、冶金、機械、礦山、食品、醫(yī)藥、生物等行業(yè)。但是，由于多孔陶瓷材料具有網(wǎng)狀微孔結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其強度受到限制，影響產(chǎn)品的使用壽命[4-7]。

為了提高保溫建筑材料的性能和節(jié)約粘土資源，以長江沿岸低品位石英砂為主要原料，研究石英砂基多孔陶瓷的制備技術(shù)與材料密度、氣孔率、顯微結(jié)構(gòu)間的關(guān)系，為新型隔熱保溫材料的開發(fā)提供工藝參考依據(jù)。本文主要研究和探討漿料參數(shù)對石英砂保溫材料的性能影響，為制備高性能的石英砂保溫材料提供參考。

1 實 驗

1.1 原 料

原料為采自九江地區(qū)長江沿岸的低品位石英砂(河沙)，呈黃色，原礦的化學(xué)成分如表1所示。在陽光下自然曬干后，首先對原料進行粗選，然后過50目篩網(wǎng)，去除河沙中尺寸較大的礦物顆粒，避免影響球磨。最后在QM-BP型行星式球磨機上球磨1h后取出備用，球磨后顆粒平均粒徑為14 μm。

表1 石英砂的化學(xué)成分(wt.%)Tab.1 Chemical composition of quartz sand (mass)

1.2 試樣制備及性能測試

將石英砂含量60%，高嶺土30%，適量助燒劑進行配料，添加不同的發(fā)泡劑和水進行球磨2 h獲得漿料備用；采用澆注成形法將漿料澆注到模具中；將裝有漿體的模具一并放入RHY202-3型烘箱，在80 ℃烘12 h烘，形成Φ80 mm×60 mm坯體；將坯體放入ZT-50-22型真空碳管爐中燒結(jié)。用TESCAN VEGA Ⅱ型掃描電鏡觀察燒結(jié)試樣的顯微結(jié)構(gòu)，采用分析電子天平根據(jù)GB/T 1966-1996測定其容重，再由容重、理論密度和氣孔率之間的計算公式計算出氣孔率。

2 結(jié)果與討論

2.1 高嶺土含量對石英砂保溫材料性能的影響

從圖1可知，高嶺土含量為25wt.%的多孔材料燒結(jié)之后缺陷氣孔比高嶺土含量為35wt.%的更多，顆粒間的粘結(jié)性比高嶺土含量為35wt.%差，原因是高嶺土作為成型劑含量不足時對坯體組分顆粒的分布有影響，容易形成孔徑較大的氣孔，從而導(dǎo)致其燒結(jié)氣孔率更高。然而，從成型方面考慮圖2，高嶺土含量為25wt.%坯體成型性不佳，上表面有明顯裂紋，高嶺土含量為35wt.%的坯體中部有輕微的下陷，表面也相對平整，而高嶺土含量30wt.%的坯體表面平整，無裂紋，成型性好。原因是高嶺土的含量對坯體的成型性有很大影響，當(dāng)含量不足時，成型性差，易產(chǎn)生開裂等缺陷，而且從裂紋缺口觀察內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)不均勻，有大氣泡的存在。高嶺土過高時，骨架支撐的石英砂相對含量就減少，容易從中間位置出現(xiàn)下陷現(xiàn)象。此外，高嶺土含量越大，坯體的收縮越嚴(yán)重。只有當(dāng)高嶺土含量合適時，坯體的成型性較好，孔結(jié)構(gòu)也較好，孔的分布均勻，坯體強度也較大。從燒結(jié)的顯微結(jié)構(gòu)來看，高嶺土含量為25wt.%的石英砂保溫材料顆粒之間的燒結(jié)性比35wt.%的更差，這是高嶺土含量不足引起成型性不足導(dǎo)致的，骨架的石英砂分布不均必然導(dǎo)致強度不夠，成型性差導(dǎo)致坯體在干燥后的強度不夠，脫模過程中很容易有坯體損壞現(xiàn)象，在燒結(jié)過程中，也更容易因熱應(yīng)力影響而有開裂傾向。

圖1 不同高嶺土含量的石英保溫材料顯微結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Effect of kaolin content on microstructure of porous quartz materials

圖2 不同高嶺土含量的石英保溫材料宏觀結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Effect of kaolin content on macrostructure of porous quartz materials

圖3 不同水料比的石英保溫材料的顯微結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Effect of water to raw materials ratio on microstructure of porous quartz materials

圖4 不同水料比的石英保溫材料干燥成型圖Fig.4 Effect of water to raw materials ratio on formability of porous quartz materials

2.2 水料比對石英砂保溫材料性能的影響

從圖3中不難看出水料比為1.3的坯體體積較水料比為1.5的更小，這是因為水料比為1.5的漿料體積更大，發(fā)泡更加充分，但這樣帶來的缺陷是單位體積內(nèi)的石英砂含量減少，石英砂在坯體中起到骨架作用，這必然導(dǎo)致坯體強度不夠。從微觀來看，水料比為1.5的石英保溫材料中，異于均質(zhì)氣孔的大氣泡比水料比為1.3的多，石英砂內(nèi)部的內(nèi)部缺陷數(shù)量增多，必然影響其保溫性能和力學(xué)強度。

當(dāng)原料中各組分含量配比一定時，發(fā)泡量有一個最大值，當(dāng)發(fā)泡劑含量一定時，最大的發(fā)泡量對應(yīng)的水含量是一定的。當(dāng)加水量超過這個值后，氣泡量一定，但隨著水料比增大，漿體的黏度下降[8,9]，導(dǎo)致難以將氣泡固定在漿體內(nèi)部，使氣泡向上溢出，使?jié){體內(nèi)含氣泡量減少，導(dǎo)致坯體氣孔率下降[10,11]。從圖5中還可以得到水料比為1.4時，氣孔率達到較大值。

圖5 不同水料比對氣孔率的影響Fig.5 Effect of water to raw materials ratio on porosityof porous quartz materials

圖6 發(fā)泡劑含量對石英質(zhì)多孔材料氣孔率的影響Fig.6 Effect of foaming agent content on porosity of porous quartz materials

圖7 發(fā)泡劑含量對石英質(zhì)多孔材料孔結(jié)構(gòu)的影響Fig.7 Effect of foaming agent content on pore structure of porous quartz materials

圖8 水料比對石英質(zhì)多孔材料抗壓強度的影響Fig.8 Effect of water to raw materials ratio on compressive strength of porous quartz materials

2.3 發(fā)泡劑含量對對石英砂保溫材料性能的影響

由圖6可知石英質(zhì)多孔材料氣孔率隨著發(fā)泡劑含量的升高而升高。發(fā)泡劑含量越高，在漿體發(fā)泡過程中，所獲得的氣泡越多，在坯體中的氣孔就越多，當(dāng)發(fā)泡劑含量過高，在漿體發(fā)泡過程中產(chǎn)生的大氣泡較多，如圖7所示。從圖8可以看到材料的抗壓強度與氣孔率幾乎成反比的關(guān)系，發(fā)泡劑含量逐漸增大其抗壓強度逐漸遞減。結(jié)合氣孔率和抗壓強度綜合考慮，認為發(fā)泡劑含量在0.4%較為適宜。

3 結(jié) 論

(1) 隨著高嶺土含量逐漸增加，石英保溫材料氣孔率呈減小趨勢。隨著水料比增大，坯體成型性呈變差趨勢，石英保溫材料氣孔率先增大后降低。隨著發(fā)泡劑含量的增加，坯體成型性先變好后變差，石英保溫材料氣孔率呈現(xiàn)增大趨勢。

(2)結(jié)合性價比綜合考慮，當(dāng)水料比為1.4，高嶺土含量為30wt.%，發(fā)泡劑含量在1wt.%時，濕混6 h時，在木質(zhì)模具中澆注成型，自然干燥，1150 ℃燒結(jié)1 h，所得石英保溫材料具有較佳的綜合性能。

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Effect of Slurry Parameters on Properties of Quartz Insulation Materials

QU Wenqiang,LI Yaoqi,LIU Longtao,ZHAO Shuo,DENG Ruxin,SONG Jieguang,LI Shibin,WANG Fang
(Engineering & Technology Research Center for Materials Surface Remanufacturing of Jiangxi Province,School of Mechanical and Materials Engineering,Jiujiang University,Jiujiang 332005,Jiangxi,China)

Porous quartz materials were prepared with the low grade quartz sand obtained from along the Yangtze River via the vacuum sintering method in an effort to develop new heat insulating materials. The research results are shown as follows: the porosity of quartz insulation materials decreases with the increase of the kaolin content. The forming property of porous quartz materials decreases and the porosity of porous quartz materials first increases and then decreases with the increase of the water to raw materials ratio. When the foaming agent content is increased,the forming property of porous quartz materials is first increased and then decreased,and the porosity shows the increased tendency. When batched with 60% quartz sand,30% kaolin,1% foaming agent and 9% sintering additive,ball milled for 6 h with the ratio of water to raw materials at 1.4,sintered at 1150 ℃ for 1 h,the samples with better properties can be obtained,

quartz; insulation materials; slurry parameters; porosity

TQ174.4

A

1000-2278(2016)06-0695-05

10.13957/j.cnki.tcxb.2016.06.021

2016-03-27。

2016-04-20。

江西省教育廳科技項目(GJJ151074)；九江學(xué)院科技項目(2015LGYB11)。

宋杰光 (1977- )，男，博士，副教授。

Received date: 2016-03-27. Revised date: 2016-04-20.

Correspondent author:SONG Jieguang(1977-),male,Ph. D.,Associate professor.

E-mail:songjieguang@163.com