煤矸石在泡沫保溫陶瓷中的應用與研究進展

山西工程技術學院，山西 陽泉 045000

伴隨著世界和我國近年來工業化和新一代城市化進程的加速，建筑行業異軍突起，在能源消耗結構中，建筑能耗是一個非常重要的組成部分，因此通過改良現有的建筑材料實現節能和綠色環保是解決此問題的一個有效途徑，其中外墻保溫隔熱材料就是一個備受關注的研究領域。

目前，世界上在房屋外墻保溫材料中大量使用的都是有機類材料，如聚苯乙烯泡沫塑料和聚氨酯等。然而有機材料易燃，易老化，發生火災后便成為了可怕的助燃劑，造成更大人員傷亡和經濟損失，同時其易老化的特性更是限制了其應用的范圍。利用煤矸石制備的泡沫保溫陶瓷因其兼具陶瓷材料及多孔材料的優良性能，可以很好地克服有機材料的缺點，因而發展迅速。

1 泡沫陶瓷簡介

泡沫陶瓷是一種三維空間呈現網狀結構的陶瓷材料，根據孔結構的特點可以分為開孔和閉孔。泡沫陶瓷憑借高的比表面積和低的熱傳導率被應用于環境材料，吸聲材料及建筑外墻的保溫材料上。

2 泡沫陶瓷的制備工藝

2.1 發泡法

在體系內加入發泡劑，通過化學反應產生泡沫，再經干燥后燒結可制成泡沫陶瓷。常用的發泡物質有碳化鈣，氫氧化鈣，鋁粉，硫酸鋁，雙氧水等無機材料和親水性聚氨酯塑料等有機材料。該制備方法制得的材料具有形狀，成分和密度容易控制的優點，因此特別適合于閉氣孔陶瓷材料的制造。不足之處在于工藝復雜，制備出的陶瓷粉化剝落現象嚴重。呂瑞芳［1］等利用煤矸石和玻璃粉，采用發泡法制備出了多孔泡沫陶瓷材料，該研究發現燒結溫度對材料的表觀密度，抗壓強度及吸水率有顯著的影響。同時熱導率隨表觀密度的降低而減小。Wang 等以十二烷基硫酸鈉為發泡劑，利用煤矸石和氧化鋁在1400～1500下燒結出孔隙率為71.8%～88.2%，抗壓強度介于0.21～8.7MPa，導熱系數為0.1056～0.3848W/（m·K）的莫來石泡沫陶瓷。

2.2 溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法的作用機理大致來說就是：在所需的原料中加入有機單體，催化劑及引發劑，充分球磨制得陶瓷漿料，之后將有機泡沫塑料緩慢放入漿料中浸泡，在其上漿料及其混合物發生原位聚合，附著在有機泡沫塑料上的漿料被凝固即得到多孔陶瓷。該方法主要應用于制備納米級孔徑且氣孔分布均勻的陶瓷材料，但是制品的形狀受有機泡沫材料的限制。

2.3 造孔劑

在陶瓷配料中加入一定量的造孔劑，經燒結后造孔劑氣化消失，在陶瓷中留下孔隙。常用的造孔劑有炭粉，木屑，淀粉糊精，聚乙烯醇（PVA），聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），硫酸鈉，硫酸鈣，氯化鈉，氯化鈣，碳酸胺，碳酸鈣，氯化銨等。該方法的優點在于通過設計造孔劑的形狀和大小可以獲得不同結構的孔隙，同時工藝簡單，成本較低。不足之處是受造孔劑本身影響，難以獲得氣孔率高的陶瓷制品。楊濤［2］等利用煤矸石為主要原料，活性炭粉充當造孔劑，聚乙烯醇溶液為結合劑，在1400℃下燒結制備堇青石多孔陶瓷。研究發現當造孔劑加入量為5%時，抗折強度達到29.1MPa。胡明玉［3］等以煤矸石和其他煤炭伴生頁巖為主要原料，陶瓷廠生產的廢棄拋光渣為造孔劑，滑石為助熔劑，在1200℃下燒結制備出孔抗壓強度大于12MPa 的多孔陶瓷。谷玲鈺［4］等用煤矸石，粉煤灰和木屑制備出了多孔陶瓷，研究表明木屑含量會影響孔隙率，隨著燒結溫度的增加，最大抗壓強度可達55.13MPa。甄強［5］等以煤矸石作主料，以丙烯酸樹脂為造孔劑合成多孔陶瓷，研究發現造孔劑用量為10%～40%時得到的多孔陶瓷符合外墻保溫材料的標準。

2.4 有機泡沫浸漬法

有機泡沫浸漬法被視為用來生產高性能泡沫陶瓷的有效方法，在三維開孔的聚氨酯泡沫塑料上涂敷陶瓷泥漿，干燥后高溫燒結，在燒結過程中聚氨酯塑料會被充分燃燒盡，同時高溫下漿料得到致密化處理，從而得到與聚氨酯泡沫塑料同樣結構的多孔泡沫陶瓷。該方法可以通過控制每個環節來制備出高性能泡沫陶瓷，但有機泡沫體種類有限，所以制備的泡沫陶瓷種類受限。吳國天在煤矸石中加入鋁礬土和碳酸鎂制備出了堇青石多孔陶瓷，抗壓強度為3.68MPa。

3 煤矸石的來源及危害

煤矸石是采煤和洗煤過程中大量排放的一種碳含量較低的固體廢棄物，主要成分為氧化鋁和少量二氧化硅，其中還含有少量的鎵，釩，鈦，鈷等稀有元素。由于煤矸石的大量堆放不僅占用土地面積，而且這些有害物質一旦進入地下水會引起水源和土壤的污染。若引發自燃還會造成嚴重的空氣污染。

4 泡沫保溫陶瓷存在問題及研究方向

4.1 存在問題

煤矸石泡沫保溫陶瓷雖然一定程度上解決了一部分煤礦固體廢棄物，對建筑保溫節能方面有很大幫助，但也存在一些問題：

（1）泡沫陶瓷用在建筑外墻保溫材料上對其保溫性能要求嚴格，要獲得好的保溫性能就需要內部孔隙封閉不連通，大小適中且分布均勻，因此制備工藝要求嚴格；

（2）泡沫保溫陶瓷雖然具有抗老化，強度高，不燃等優勢，但其加工性卻不如有機材料，因此極大地限制了其使用范圍；

（3）利用煤矸石等制備泡沫保溫陶瓷雖然節能環保，但是生產出的陶瓷材料顏色灰暗，色澤單調，在美觀性上需要提高和改進。

4.2 研究方向

基于此，未來該方面的發展應符合如下趨勢：

（1）基于化學成分建立相關配方設計體系，如利用模擬計算及三維相圖，建立多化學組元模型，實現可控制備；

（2）盡可能多地利用安全可靠的固體廢棄物作原料，在解決固廢環境問題的同時創造經濟價值，發揮固體廢棄物的再利用價值；同時煤礦固體廢棄物成分復雜，其物理性能及燒結活性需進一步研究；

（3）盡可能降低燒結溫度，研發低溫快燒配方體系，在生產工藝上真正做到節能；

（4）加強上下游產業銜接，實現協同增效。