發泡凝膠法制備粉煤灰保溫材料及其性能研究

趙小剛，劉亞東，宋金鵬，張海棠

(1.河北工業大學，天津 300401；2. 中北大學，山西 太原 030051)

我國粉煤灰年產量已達到7 億t 以上，如果不將這些固體廢棄物進行循環利用，將會占用大量的土地資源并產生嚴重污染[1]。在節能環保的政策背景下，粉煤灰的綜合利用技術迎來了巨大發展機遇，近年來的綜合利用經歷了以儲為主→儲用結合→以用為主3 個發展階段[2]，用于生產建筑材料已成為最具應用前景的發展方向[3]。結合城市化改造和城鎮化建設的推廣，將粉煤灰應用于生產建筑保溫材料，不僅可以實現固體廢棄物的再利用，還可以克服建筑保溫材料易燃等問題[4]。本研究采用發泡凝膠法制備了多孔粉煤灰保溫材料，研究了固相含量、助劑摻量和燒結溫度等對保溫材料熱學和力學性能的影響，優化了成分配比和燒結溫度，結果將有助于節能環保、保溫性能良好的粉煤灰保溫材料的制備及工業化應用。

1 試 驗

1.1 試驗原料

粉煤灰：大唐國際陡河發電廠；硅藻土：石家莊馬躍建材有限公司，主要化學組成見表1；羧甲基纖維素鈉：山東森美生物科技有限公司；十二烷基硫酸鈉：河南銘之鑫化工產品有限公司；高嶺土：恒達礦產有限公司；明膠：天津祥盛有限公司；燒結助劑：水玻璃，密度1.45 g/cm3，濟南德旺化工有限公司。

表1 粉煤灰和硅藻土的主要化學組成 %

1.2 試驗儀器與設備

MS204TS 型電子天平，梅特勒托利多公司；R30A 型電動攪拌器，南京庚辰科學儀器有限公司；SNR-430H 型電熱鼓風干燥箱，吳江威信電熱設備有限公司；TW-RG736 型導熱系數測定儀，格致科技有限公司；MTS-810 萬能材料試驗機，MTS 公司。

1.3 試樣制備

固定m(粉煤灰)∶m(硅藻土)∶m(高嶺土)=5∶1∶0.5 不變(混合粉磨至400 目)，通過改變固相含量、明膠摻量、燒結溫度和助劑摻量制備粉煤灰保溫材料[5]。制備過程中將粉磨后的粉煤灰、硅藻土、高嶺土與明膠以及羧甲基纖維素鈉混合后加40 ℃溫水進行攪拌，得到不同固相含量的粉煤灰漿料；再加入十二烷基硫酸鈉，并快速攪拌進行發泡處理，將泡沫漿料轉入表面涂抹有甘油的模具中；室溫干燥15 h 后轉入干燥箱中，進行58 ℃/2 h+78 ℃/2 h+108 ℃/2 h 的梯度干燥處理，得到粉煤灰保溫材料生坯；生坯轉入馬弗爐中進行不同燒結溫度保溫2 h 的空氣氣氛燒結，隨爐冷卻至室溫后得到粉煤灰保溫材料。

1.4 測試與表征

將燒結成型的保溫材料加工成半徑r、厚度h 的圓柱體試樣，按照式(1)計算表觀密度ρm和孔隙率ε[6]：

式中：m——保溫材料的質量，g；

ρt——真密度，g/cm3。

采用TW-RG736 型導熱系數測定儀測試保溫材料的導熱系數，結果取3 組試樣平均值；根據GB/T 1964—1996《多孔陶瓷壓縮強度試驗方法》，在MTS-810 型萬能材料試驗機上測試抗壓強度，壓縮速率為3 mm/min，結果取3 組試樣的平均值。

2 試驗結果與分析

2.1 固相含量對保溫材料性能的影響

明膠摻量(按占粉煤灰漿料質量計)為5%、燒結溫度950℃、十二烷基硫酸鈉摻量(按占粉煤灰漿料質量計)為0.5%，漿料中固相含量為35%～55%時對保溫材料表觀密度和抗壓強度的影響見圖1，對保溫材料孔隙率和導熱系數的影響見圖2。

圖1 固相含量對保溫材料表觀密度和抗壓強度的影響

由圖1 可見，當固相含量從35%增加至55%時，保溫材料的表觀密度先減小后增大，在固相含量為45%時表觀密度最小，這主要是因為在較低的固相含量時，保溫材料漿料黏度低，在機械攪拌過程中，漿料中的發泡劑雖然會產生大量泡沫，但是穩泡性較差[7]，保溫材料固化過程中坯體不易成型，最終造成成型坯體會產生較大的體積收縮甚至局部坍塌；而固相含量較高時，保溫材料漿料黏度高，機械攪拌過程中漿料發泡效果差，成型坯體體積收縮小而具有較大的表觀密度。當固相含量從35%增加至55%時，保溫材料的抗壓強度逐漸提高，在固相含量為55%時抗壓強度最高(1.3 MPa)。這主要是因為在較低的固相含量下，漿料發泡效果好，成型坯體中會由于體積收縮而產生結構破壞[8]，抗壓強度較低；而在較高的固相含量下，漿料發泡效果較差，成型坯體體積收縮小、表觀密度大，相應的抗壓強度較高。

圖2 固相含量對保溫材料孔隙率和導熱系數的影響

由圖2 可見，當固相含量為35%時，保溫材料的孔隙率為83.3%，導熱系數為0.077 W/(m·K)；當固相含量從35%增加至55%時，保溫材料的孔隙率先增大后減小，而導熱系數則先減小后增大，在固相含量為45%時孔隙率最大、導熱系數最小。這主要是因為固相含量較低時，漿料發泡效果好而穩定性差，使得成型坯體發生較大體積收縮甚至局部坍塌，保溫材料的多孔結構發生破壞，孔隙率較低而導熱系數較大[9]；在固相含量較高時，漿料發泡效果差，成型坯體體積收縮小，孔隙率較低、導熱系數較大。過高或者過低的固相含量都不利于形成抗壓強度較高且保溫性能良好的保溫材料，本試驗中適宜的固相含量為45%。

2.2 明膠摻量對保溫材料性能的影響

固相含量為45%、燒結溫度為950 ℃、十二烷基硫酸鈉摻量為0.5%，明膠摻量為1%～7%時對保溫材料表觀密度和抗壓強度的影響見圖3，對保溫材料孔隙率和導熱系數的影響見圖4。

圖3 明膠摻量對保溫材料表觀密度和抗壓強度的影響

由圖3 可見，當明膠摻量從1%增加至7%，保溫材料的表觀密度先減小后增大，在明膠摻量為3%時表觀密度最小(0.254 g/cm3)，這主要是因為當明膠摻量較低時，保溫材料漿料在成型過程中會發生局部坍塌，成型坯體表觀密度較大，而當明膠摻量增加至3%以上時，保溫材料漿料黏度升高，發泡效果較差，成型坯體收縮小，使得保溫材料具有較大的表觀密度。當明膠摻量從1%增加至7%，保溫材料的抗壓強度逐漸提高，在明膠摻量為7%時抗壓強度達到最高(0.57 MPa)，這主要是因為較低的明膠摻量會使得成型坯體內部出現結構破壞，此時抗壓強度較低，而隨著明膠摻量增加，成型坯體密實性提高，抗壓強度相應得到提高。

圖4 明膠摻量對保溫材料孔隙率和導熱系數的影響

由圖4 可見，當明膠摻量從1%增加至7%，保溫材料的孔隙率先增大后減小，導熱系數先減小后增大，在明膠摻量為3%時孔隙率最大、導熱系數最小，不同明膠摻量的保溫材料的孔隙率和導熱系數呈負相關性。這主要是因為在明膠摻量為1%時，保溫材料漿料黏度低，發泡效果好而穩泡性差，成型坯體內部多孔結構發生破壞，孔隙率低而導熱系數高；當明膠摻量增加至3%時，保溫材料漿料發泡效果好，且成型坯體多孔結構穩定，孔隙率高而導熱系數低；繼續增加明膠摻量，保溫材料漿料黏度增大，發泡效果差，成型坯體多孔結構較少而孔隙率減小、導熱系數增大。在明膠摻量為5%時，保溫材料漿料發泡效果好且成型坯體多孔結構穩定，保溫材料抗壓強度較高，具有良好的保溫特性，為本試驗中適宜的明膠摻量。

2.3 燒結溫度對保溫材料性能的影響

固相含量為45%、明膠摻量為5%、十二烷基硫酸鈉摻量為0.5%、羧甲基纖維素鈉摻量為0.2%，燒結溫度為850～1050℃時對保溫材料表觀密度和抗壓強度的影響見圖5，對保溫材料孔隙率和導熱系數的影響見圖6。

圖5 燒結溫度對保溫材料表觀密度和抗壓強度的影響

由圖5 可見，當燒結溫度為850 ℃時，保溫材料的表觀密度為0.261 g/cm3、抗壓強度為0.36 MPa；隨著燒結溫度從850℃升高至1050 ℃，保溫材料的表觀密度和抗壓強度逐漸提高，在燒結溫度為1050 ℃時，保溫材料的表觀密度為0.297 g/cm3、抗壓強度為0.92 MPa。這主要是因為隨著燒結溫度提高，保溫材料中骨料顆粒的表面能會不斷減小，更容易填充保溫材料中的孔洞等缺陷[10]，致密度提高的同時抗壓強度提高。

圖6 燒結溫度對保溫材料孔隙率和導熱系數的影響

由圖6 可見，當燒結溫度為850 ℃時，保溫材料的孔隙率為87.4%、導熱系數為0.051 W/(m·K)；隨著燒結溫度從850℃提高到1050 ℃，保溫材料的孔隙率逐漸減小、導熱系數逐漸增大，當燒結溫度為1050 ℃時，保溫材料的孔隙率減小至85.6%、導熱系數增大到0.083 W/(m·K)。這主要是因為隨著燒結溫度的提高，保溫材料中的孔洞結構會被骨料顆粒不斷填充，成型坯體會更加密實，內部氣體傳熱效果減弱，導熱系數升高。這主要是因為燒結溫度的升高有助于成型坯體中孔洞結構的填充并形成致密化結構。要想獲得抗壓強度較高且保溫性較好的保溫材料，適宜的燒結溫度為950 ℃。

2.4 燒結助劑對保溫材料性能的影響

固相含量為45%、明膠摻量為5%、十二烷基硫酸鈉摻量為0.5%、羧甲基纖維素鈉摻量為0.2%、燒結溫度為950 ℃，燒結助劑水玻璃摻量(按占粉煤灰漿料質量計)為0～8%時對保溫材料表觀密度和抗壓強度的影響見圖7，對保溫材料孔隙率和導熱系數的影響見圖8。

圖7 水玻璃摻量對保溫材料表觀密度和抗壓強度的影響

由圖7 可見，當未摻水玻璃時，保溫材料的表觀密度為0.271 g/cm3、抗壓強度為0.52 MPa；當水玻璃摻量從0 增加至8%時，保溫材料的表觀密度和抗壓強度逐漸提高，在水玻璃摻量為8%時，保溫材料的表觀密度為0.331 g/cm3、抗壓強度為0.87 MPa。這主要是由于增加水玻璃摻量會促進水玻璃中Na+與硅氧四面體中的O 更多地結合，而使得燒結體中液相增多[11]，孔洞得到填充，表觀密度增大，同時抗壓強度提高。

圖8 水玻璃摻量對保溫材料孔隙率和導熱系數的影響

由圖8 可見，當未摻水玻璃時，保溫材料的孔隙率為87.1%、導熱系數為0.052 W/(m·K)；隨著水玻璃摻量從0 增加至8%，保溫材料的孔隙率逐漸減小、導熱系數逐漸增大，在水玻璃摻量為8%時，保溫材料的孔隙率減小至84.2%、導熱系數增大至0.071 W/(m·K)。這主要是因為水玻璃摻量的增加會使得成型坯體中孔洞被更多的液相所填充，多孔結構減少，孔隙率減小的同時導熱系數增大。為了保證保溫材料具有良好的成型性能、較高抗壓強度的同時具有良好的保溫性能，建議水玻璃摻量為4%，此時保溫材料的表觀密度為0.301 g/cm3、抗壓強度為0.62 MPa、導熱系數為0.061 W/(m·K)。

綜合而言，當固相含量為45%、明膠摻量為5%、燒結溫度為950 ℃、水玻璃摻量為4%時保溫材料具有良好的綜合性能，能夠滿足保溫材料表觀密度≤0.3 g/cm3、抗壓強度≥0.5 MPa、導熱系數≤0.1 W/(m·K)的要求[12]。

3 結 論

(1)當固相含量從35%增加至55%或者明膠摻量從1%增加至7%時，保溫材料的表觀密度和導熱系數先減小后增大、孔隙率先增大后減小，抗壓強度逐漸提高。

(2)隨著燒結溫度從850 ℃上升至1050 ℃，保溫材料的表觀密度、抗壓強度和導熱系數逐漸升高，孔隙率逐漸減小；當水玻璃摻量從0 增加至8%時，保溫材料的表觀密度、導熱系數和抗壓強度逐漸升高，孔隙率逐漸減小。

(3)當固相含量為45%、明膠摻量為5%、燒結溫度為950℃、水玻璃摻量為4%時，保溫材料具有良好的綜合性能，能夠滿足保溫材料表觀密度≤0.3 g/cm3、抗壓強度≥0.5 MPa、導熱系數≤0.1 W/(m·K)的要求。