利用廢棄氟石膏生產隔熱保溫材料的試驗研究

陸紅霞

（酒泉職業技術學院，甘肅 酒泉 735000）

1 前言

石膏作為國家重點發展的非金屬礦之一，除用作建筑和水泥用原料外，還廣泛用于化工、塑料、橡膠、醫藥、食品、肥料等多個行業和產品。化學石膏作為工業固廢，排放量大、堆存占地面積大且易造成環境污染，開展對氟石膏、磷石膏、脫硫石膏等化學石膏的綜合利用，具有良好的環境、經濟、社會效益。

國外化學石膏利用途徑和產品較多，綜合利用的技術也比較成熟，歐盟及日本等國對化學石膏進行了比較深入的研究，形成了一系列應用于工業生產和建筑材料的成功經驗。目前我國氟石膏的應用途徑，主要在輕質建材、道路等行業，用于工業領域的報道不多。由于石膏的導熱系數相對較低（常溫，相對濕度為65%時,熟石膏的導熱系數為0.35 W/m·℃）[1]，因此，氟石膏作為填料和膠凝材料，應用于隔熱保溫型材的生產，具有一定的可行性。

2 氟石膏的熟化

2.1 氟石膏的化學組成

新排出的氟石膏是一種灰白色的微晶，質地疏松易于破碎，其晶體一般為幾微米到幾十微米，粒徑比天然石膏小，通過X射線及熱差分析，其主要物相為Ⅱ型無水石膏，含有少量CaF2等雜質（含量在3%左右），雜質含量與生產過程中所用螢石的純度有關，氟石膏放射性水平遠低于國標限制標準[2]。另外氟石膏中含有一部分殘余硫酸（一般為0.5～2.0 g/L），需經適量石灰中和后，方可用于堆存或作其他用途。氟石膏的主要化學組成見表1。

表1 氟石膏的主要化學組成(單位：%)

2.2 用氟石膏生產β-半水石膏的工藝過程

本次試驗采用間歇式炒鍋，經破碎、燒成、粉磨制成β-型半水石膏。

堆存氟石膏（含水率一般為2%～4%，含水大于4%時，應進行預干燥），破碎至＜5 mm，然后進入炒鍋煅燒，在常壓、65 ℃時二水石膏開始緩慢脫水，在107 ℃時進行等溫脫水,此時石膏粉處于沸騰狀態，至135 ℃時脫水完成，沸騰停止。為防止溫度繼續升高產生無水硫酸鈣，應盡快排出熟料。由于采用間歇式炒鍋，難免會存在炒鍋鍋底料與鍋上料受熱不均、燒成程度不同、鍋內物料不易攪拌等缺陷，在炒制過程中應加以重視[3]。

圖1為在間歇炒制設備中的煅燒時間-溫度曲線。煅燒1 kgβ-半水石膏的理論能耗為580 kJ，失水量占二水石膏質量的15.68%，理論熟石膏的出料系數為84.3%，1 t熟石膏需1.2 t生石膏。實際試驗過程中的能耗遠大于理論值，熟石膏的出料系數與理論值也有一定的出入。

圖1 間歇炒制時的時間-溫度曲線

煅燒后的熟石膏，須采取有效的陳化措施,以防大氣濕度等因素對熟石膏質量的影響，同時可改善熟石膏的水化凝結性能。陳化過程就是把燒成的β-型半水石膏存放于料倉，貯存一段時間，一方面利用熟石膏的溫度，在陳化倉中，對未被完全煅燒的二水石膏進行脫水，減少二水石膏的比例；另一方面熱氣體中的水蒸汽，與β-型半水石膏結成一層二水石膏的微粒生成物，可以減少水化時的需水量，并成為凝結向結晶轉化時的晶核。

用氟石膏生成的β-型半水石膏，其外觀與用天然石膏生成的β-型半水石膏相似，晶型呈碎片狀，粉磨至80～120目，其擴散度為164 mm、初凝時間8 min、終凝時間20 min，自然養護3 d后抗壓強度11.9 MPa、抗折強度4.5 MPa。

3 氟石膏隔熱保溫型材的生產

3.1 氟石膏隔熱保溫型材生產的工藝及配方

利用氟石膏煅燒產物β-型半水石膏為凝結材料,添加纖維材料、珍珠巖等隔熱保溫材料及緩凝劑等，經過一系列的混合、成型、干燥過程，即可生產出復合保溫型材。其工藝過程如圖2所示。

圖2 氟石膏隔熱保溫型材生產工藝

先將適量的纖維材料用水和添加劑在池中浸泡24 h左右，然后充分攪拌使其起泡、分散并形成漿料，再加入經計量并完全混勻的β-型半水石膏、珍珠巖粉及外加劑的混合物。經高速攪勻后注入模具，拍打振動使其進一步混勻和密實，成型后，入干燥窯干燥，即成成品。模型干燥溫度一般為60 ℃，最高不應超過80 ℃。

氟石膏隔熱保溫型材生產所用模具，可根據型材的不同用途加工制造，模具材料可選用木材或熟石膏，脫模劑可選用機油、黃油、皂化液等，也可使用紙質脫模方法，選用油性紙做隔離層。本次試驗采用皂化液作為石膏模型的脫模劑，皂化液的主要成分為滑石25 g、肥皂25 g、水1 L，經配制而成。

加入隔熱保溫材料，不僅可顯著降低產品的導熱系數、體積密度，同時可增加成品的耐火強度、抗壓和抗折強度。生產過程中的主要工藝參數如下：

纖維材料主要有硅鎂石纖維、硅酸鋁耐火纖維，其加量為石膏總量的20%～30%；珍珠巖加量為石膏總量的5%左右；添加劑采用滲透劑等，起軟化纖維、使纖維易于分散、起泡和降低用水量的作用，添加量為纖維量的10%；外加劑包括緩凝劑、膠粘劑等,緩凝劑采用硼砂，加量為石膏總量的0.2%；膠粘劑采用聚乙烯醇縮甲醛水溶液（即107膠）和耐高溫膠粘劑，加量為溶液總量的1.5%；水量為固體添加物總量的80%左右。

3.2 氟石膏隔熱保溫型材的性能及應用

經對氟石膏隔熱保溫材料樣品進行測定，其主要性能指標見表2。

表2 氟石膏隔熱保溫材料的主要性能指標

由表2可見，氟石膏隔熱保溫型材密度小、導熱系數低，抗壓強度和抗折強度均可滿足保溫材料的一般要求。與傳統保溫材料相比,氟石膏為工業廢棄物，因此具有價格上的優勢，通過選擇不同模具，可生產出不同規格形狀的板材、管材等，與隔熱保溫涂料配合使用，可適應石油、化工、冶金、電力、建筑等行業的設備或管道，在中、低溫場合能起到保溫效果，也可用于建筑物的隔熱和隔音。具有施工方便、無毒、無污染、對人體無不良影響的優點。

具體施工方法為:預先在需保溫的管道或設備上涂一層隔熱保溫涂料（膏體料），然后套加或貼加氟石膏保溫型材，并用隔熱保溫涂料將外層涂勻抹平，最后刷防水固化劑，以增加保溫層的防水性能和強度。

保溫層厚度的確定，應根據實際需要，按國家《設備及管道保溫技術通則》所規定的“保溫層厚度的計算原則”計算，并合理設定隔熱保溫涂料和氟石膏保溫型材各自的厚度。通過利用不同性能的保溫材料，達到降低保溫工程成本的目的[4]。用于建筑隔熱隔音時，氟石膏保溫型材可單獨使用，完全可以滿足建筑行業隔熱、隔音材料，實用性和經濟性的選材要求。

4 小結

以工業廢棄物氟石膏為主要原料，經煅燒后，添加適量纖維材料、珍珠巖等隔熱保溫材料，生產氟石膏隔熱保溫型材，既可降低成品的導熱系數、增加隔熱保溫性能，同時增強了成品的抗剪強度，擴大了纖維石膏板的使用范圍，在原理、工藝和經濟上均切實可行。該產品的推廣和應用，具有良好的社會和環境效益，減少氟石膏大量堆存對土地的占用，消除堆存過程中因雨水沖刷和滲透等對周圍環境造成的污染，減少天然石膏開采對農田的占用和對植被的破壞，有利于企業充分利用工業廢棄物，實現節能降耗、保護環境的目標。