發泡陶瓷耐火極限性能的研究

李子恒

摘 要：以鈦白粉廠中間產物制備了TiO2微粒，在發泡陶瓷中分別和同時添加錳泥和TiO2微粒，進行燒結。通過SEM表征微觀形態;抗壓抗折儀測定抗壓抗折強度，并進行了耐火極限性能的的測定。結果表明：成功合成了一種發泡陶瓷。添加錳泥、TiO2微粒對發泡陶瓷的溫度、微觀結構會有比較大的影響，并隨著發泡陶瓷的微觀結構變化會對發泡陶瓷的耐火極限和抗壓抗折性能產生影響。經過改性的發泡陶瓷耐火極限性能最高達到3.47 h，抗壓強度達到10.1 MPa和3.7 MPa。

關鍵詞：發泡陶瓷;耐火極限;錳泥;TiO2微粒

1 前 言

發泡陶瓷是陶瓷原料添加發泡劑后經過高溫燒結而得到的一種閉孔的多孔陶瓷[1]。其閉孔直徑為0.1 ～ 5 mm左右，孔之間互不連通[2，3]。發泡陶瓷有諸多優點[4-6]：燒結后的發泡陶瓷孔的表面玻璃化，所以發泡陶瓷不吸水;因發泡陶瓷含有大量的閉合氣孔，其導熱系數小，保溫性能比較好;同樣大量的閉合氣孔也為發泡陶瓷帶來了優異的隔音性能;發泡陶瓷是在1200℃左右燒結的陶瓷材料，故有較好的抗壓抗折強度，且其防火等級達到了A1級。發泡陶瓷以其諸多的優點廣泛應用在建筑保溫及室內隔墻等工程中[6，7]，成為了節能技術及產業轉型的熱點，先后出現了尾礦、拋光磚廢渣、陶瓷廢渣等為原料的生產工藝[8-11]。

但是也正是由于發泡陶瓷大量的閉合氣孔的存在，在接觸持續的火焰時，閉合氣孔內的氣體膨脹，對閉孔產生應力，達到其極限時就會開裂，整個發泡陶瓷四分五裂，失去完整性，失去其隔墻的效果，同時也失去了防火的作用。因此，如何提高發泡陶瓷耐火極限性能也是目前發泡陶瓷所要解決的問題。

本文通過添加錳泥及TiO2微粒實現了一種提高發泡陶瓷耐火極限性能的方法，并研究了其微觀形態及物理性能，以期為提高發泡陶瓷耐火極限性能提供參考，更好地 改進發泡陶瓷工藝，完善發泡陶瓷并使其得到更廣的應用。

2 原料、試劑和儀器

2.1原料

（1）鉀鈉長石：產自廣西桂林，其化學成分見表1。

（2）錳泥：來自廣西桂林，為錳鐵礦的礦物尾泥，其化學成分見表1。

（3）黃泥：來自廣西桂林，其化學成分見表1。

（4）硫酸鈦和硫酸氧鈦：來自廣西某鈦白粉廠中間產物，為沉降、過濾、濃縮后的溶液。

（5）尿素：產自廣西某化工廠，含氮量大于46.4%。

（6）熟石灰：來自廣西某石灰加工廠。

（7）Span80：工業級，產自廣東某化工廠。

（8）Tween40：工業級，產自廣東某化工廠。

（9）氫氧化鈉：工業級，購于廣西。

（10）鹽酸：工業級，購于廣西。

（11）滑石：來自廣西上林，其化學成分見表1。

（12）碳化硅：購于佛山，150目。

（13）其它化學輔料。

2.2 TiO2微粒的制備

將90 g尿素溶解到1L水中，稱取260 g熟石灰緩緩加入到溶有尿素的水中，攪拌2 ～ 6 h，放置待澄清后過濾，得到溶液A。將硫酸鈦和硫酸氧鈦的濃縮溶液與水按照1：10的比例混合均勻，得到溶液B。將Span80和Tween40按照一定比例加入到環己烷中，攪拌30 min，混合均勻，得到乳化液。將乳化液均勻分成兩份，其中一份加入溶液A攪拌均勻制成乳液A;另一份加入溶液B攪拌均勻制成乳液B。劇烈攪拌下將乳液A緩慢地加入到乳液B中，得到白色的TiO2微粒的乳液，該溶液抽濾后得到白色TiO2微粒粉末。

2.3 發泡陶瓷的制備

按照配方（表2）分別稱取鉀鈉長石、錳泥、黃泥、滑石、碳化硅和TiO2微粒粉末，用快速球磨機將原料混合20 min，使原料各組分充分混合。將混合好的原料噴霧造粒、陳腐一段時間后，放入磨具，在臺式快速全自動爐中進行燒結處理，燒結制度見圖1。

3 實驗結果與分析

3.1 TiO2微粒的表征

采用SEM和激光粒度分析儀對TiO2微粒進行表征，結果見圖2。

從圖2（1）中可以看到制備的TiO2微粒多呈準球形，部分TiO2微粒團聚在一起生成較大的粒子。粒度分布相對均勻，通過粒度分析可以得到納米粒子的粒徑多在0.6 ～ 1.0 μm之間。掃描電鏡結果說明，得到了較為均勻的準球形的TiO2微粒，其粒徑大于100 nm，由于該粒徑較小，其TiO2微粒在燒結時的燒結溫度比普通的TiO2粉末要低的多。

3.2 改性發泡陶瓷的微觀形貌分析

為觀察發泡陶瓷及改性發泡陶瓷的形貌，對燒結完成后的發泡陶瓷及改性發泡陶瓷拍照，見圖3;為觀察發泡陶瓷及改性發泡陶瓷的微觀形貌，采用SEM進行表征，結果見圖2。

從圖3（3）可以看到，普通發泡陶瓷的顏色為青白色，其孔徑在0.1 ～ 0.2 cm之間，觀察孔內有明顯的玻璃化現象，說明該燒成制度適合該原料制備的發泡陶瓷的燒成。在此燒成基礎上，添加錳泥、TiO2微粒后的發泡陶瓷也出現了明顯的玻璃化現象（圖1、2、4）。其中添加錳泥的發泡陶瓷（圖1）為紫黑色，說明錳和鐵的添加導致發泡陶瓷的顏色明顯加深，其孔徑在0.1 ～ 0.2 cm之間，說明錳和鐵的添加對發泡陶瓷燒成溫度的影響不明顯。添加TiO2微粒的發泡陶瓷（圖4）為雪白色，說明鈦的添加導致發泡陶瓷的顏色變白，其孔徑在0.2 ～ 0.3 cm之間，但并沒有出現過燒現象，說明加入1%粒徑較小的TiO2微粒，對發泡陶瓷燒成溫度降低大概3 ～ 7℃。同時添加了TiO2微粒與錳泥的發泡陶瓷（圖2）為灰白色，其孔徑在0.1 ～ 0.25 cm之間，說明添加少量粒徑較小的TiO2微粒，對發泡陶瓷燒成溫度降低大概1 ～ 3℃。

從圖2（2）可以看到，普通發泡陶瓷在SEM下有很多細小的裂痕，并出現了一些褶皺的現象。在普通發泡陶瓷接觸火焰時，氣泡內的氣體受熱膨脹，這些細小的裂痕以及褶皺導致發泡陶瓷上的氣孔受力不均勻，隨著持續接觸火焰，氣孔受應力越來越大，最終破碎，導致發泡陶瓷的耐火極限性能的時間并不長。而添加錳泥后（圖2（3）），出現了層狀結構，每個層的表面上不存在裂痕，并且褶皺消失。這種結構在持續接觸到火焰后，會在層和層之間的位置出現應力不均勻的現象。添加TiO2微粒后（圖2（4）），發泡陶瓷表面幾乎變為一個整體，不存在裂痕，并且褶皺消失。這種結構持續接觸火焰，氣孔受應力整體幾乎一致，要比普通發泡陶瓷的耐火極限性能時間會長得多。同時添加錳泥和TiO2微粒后（圖2（5）），發泡陶瓷表面變為一個整體，不存在裂痕，并且褶皺消失，也不存在分層的現象。這種結構與實驗中其它組的耐火極限性能時間相比，會長很多。

3.3 改性發泡陶瓷的耐火極限性能

普通發泡陶瓷耐火極限性能時長為1.13 h，添加錳泥發泡陶瓷耐火極限性能時長為1.75 h，添加TiO2微粒發泡陶瓷耐火極限性能時長為2.55 h，添加TiO2微粒與錳泥發泡陶瓷耐火極限性能時長為3.47 h。從實際測量的耐火極限性能來看，材料的微觀結構對耐火極限性能影響比較大，當材料存在很多細小的裂痕，并出現一些褶皺時，其耐火極限性能最差。發泡陶瓷表面成為一個整體，不存在裂痕，褶皺消失，也不存在分層時，其耐火性能最好。根據GB 50016-2014《建筑設計防火規范》：民用建筑中墻體耐火極限性能最高要求達到3 h。其中添加TiO2微粒與錳泥發泡陶瓷顯然可以滿足該要求。

2.4 改性發泡陶瓷的抗壓抗折強度

材料的微觀結構對抗壓抗折性能影響同樣比較大，為研究材料的微觀結構對抗壓抗折性能的影響，進行了抗壓抗折實驗。具體數據見表3。

當材料存在很多細小的裂痕，并出現一些褶皺時，其抗壓強度和抗折強度在幾個樣品中最差。隨著微觀結構中的細小裂痕、褶皺的消失，其抗壓強度和抗折強度明顯增加。發泡陶瓷表面不存在裂痕，褶皺消失，也不存在分層時，其抗壓強度和抗折強度最好。這是由于細小的裂痕、褶皺存在時，發泡陶瓷受到外力后，其裂痕、褶皺的位置會逐漸擴大，直至斷裂;當裂痕、褶皺消失后，其整個面受力，直至表面出現裂痕后才會被破壞。因此添加TiO2微粒與錳泥的發泡陶瓷的抗壓強度和抗折強度最好。

4 結 論

（1）使用鉀鈉長石、黃泥、滑石合成了一種白色的發泡陶瓷，并且添加錳泥、TiO2微粒對其改性，其發泡陶瓷孔徑均在0.1 ～ 0.3 cm之間，并且均有玻璃化現象。

（2）添加錳泥、TiO2微粒對發泡陶瓷的性質會有比較大的影響。其中，添加了TiO2微粒會對發泡陶瓷的燒成溫度有所降低;添加錳泥、TiO2微粒會對發泡陶瓷的微觀結構產生影響，發泡陶瓷原有的褶皺、裂痕消失。

（3）發泡陶瓷的微觀結構變化會對發泡陶瓷的性質產生影響，隨著發泡陶瓷原有的裂痕、褶皺消失，其耐火極限性能提高，并達到民用建筑中墻體耐火極限性能最高要求;抗壓抗折性能也有所增加。

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