CN104177119A

CN104177119A - 一种轻质粉煤灰保温隔热多孔陶瓷的制备方法

Info

Publication number: CN104177119A
Application number: CN201410398476.5A
Authority: CN
Inventors: 曹卫; 陆松; 程旭东; 龚伦伦; 杨晖; 张瑞芳
Original assignee: HEFEI KESIFU SECURITY TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: HEFEI KESIFU SECURITY TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2014-08-14
Filing date: 2014-08-14
Publication date: 2014-12-03
Anticipated expiration: 2034-08-14
Also published as: CN104177119B

Abstract

本发明涉及一种轻质粉煤灰保温隔热多孔陶瓷的制备方法。制备操作步骤如下：（1）取粉煤灰、玻璃粉、分散剂和稳泡剂，加水搅拌球磨，得初级浆料；（2）制备含琼脂的稳定陶瓷浆料；（3）添加表面活性剂，搅拌发泡得泡沫浆料；（4）将泡沫浆料倒入模具中，室温固化；（5）脱模干燥得多孔陶瓷生坯；（6）将多孔陶瓷生坯低温烧结，得到多孔陶瓷。本发明最大限度的利用了粉煤灰，此外，采用分解无环境污染的琼脂作为凝胶剂，用量可低至0.1wt%，符合低碳环保政策。本发明制备的多孔陶瓷的孔隙率为88～91%，密度为0.24～0.31g/cm³，导热系数为0.051～0.072W/(m·K)，抗压强度为0.4～1.0MPa。

Description

一种轻质粉煤灰保温隔热多孔陶瓷的制备方法

技术领域

本发明属于新型轻质保温材料技术领域，具体涉及的是一种轻质粉煤灰保温隔热多孔陶瓷的制备方法。

背景技术

我国现在经济正处于高速发展的时期，能源和环保问题日益突出，在建筑上进行节能环保策略正符合当前的可持续发展战略。由于供需关系，我国保温材料的发展极其迅速。多孔陶瓷以其体密度小、气孔率大、低热导率等优势，用作保温隔热材料，在日常生活及生产中有着巨大的发展与应用前景。

多孔陶瓷用作保温隔热材料时，在保证性能优异的同时，还需考虑其原料来源和制备工艺。相比于其他陶瓷原料，粉煤灰易烧结生成莫来石陶瓷，且成本低廉，对废物利用、改善环境等方面有着特殊的潜在应用价值。因此，利用粉煤灰固体废弃物，研究开发一种生产成本低，同时兼具轻质、保温、隔热功能的环保型耐火材料，实现资源化综合利用，既可以解决环境污染问题，又使得资源得到有效利用，无论是社会效益还是经济效益，都具有广泛的应用前景。现如今多孔陶瓷的主要制备工艺有：微波加热、添加造孔剂、溶胶—凝胶法、有机泡沫涂层、颗粒堆积、发泡法等。李少荣等人以有机树脂发泡微球为造孔剂制备多孔陶瓷，其孔径均匀、大小可控，但有机造孔剂烧尽时排放的气体会污染环境，并不符合环保政策；武勇斌等人用蛋白质发泡法制备多孔陶瓷复合材料，不产生污染环境的有害物质，但较多的蛋白质加入且最终烧尽排放的大量气体，并不符合低碳环保政策。

发明内容

本发明的目的，提供以粉煤灰为原料，利用机械搅拌发泡和琼脂凝胶固化相结合的一种低成本、轻质、高气孔率、低热导率的保温隔热多孔陶瓷的制备方法。

一种轻质粉煤灰保温隔热多孔陶瓷的制备方法包括以下质量百分比的原料粉煤灰30～40wt%、琼脂粉末0.1～0.5wt%、稳泡剂0.15～0.2wt%、分散剂0.1～0.15wt%、玻璃粉0～4wt%，发泡剂0.3～0.5wt%和水54.65～64.75wt%；

所述稳泡剂为六偏磷酸钠，所述分散剂为聚丙烯酸钠，所述发泡剂为十二烷基硫酸钠或十二烷基苯磺酸钠；

制备操作步骤是：

（1）将粉煤灰、玻璃粉、分散剂和稳泡剂，加水搅拌后球磨，得初级浆料；

（2）制备含琼脂的稳定陶瓷浆料；

（3）添加表面活性剂，搅拌发泡得泡沫浆料；

（4）将泡沫浆料倒入模具中，室温固化；

（5）脱模干燥得多孔陶瓷生坯；

（6）将多孔陶瓷生坯于低温烧结炉中烧结，得到多孔陶瓷。

所述多孔陶瓷的孔隙率为88～91wt%，密度为0.24～0.31g/cm³，导热系数为0.051～0.072 W/(m·K)，抗压强度为0.4～1.0MPa。本发明制备的多孔陶瓷的孔隙率为88～91wt%，密度为0.24～0.31g/cm³，导热系数为0.051～0.072 W/(m·K)，抗压强度为0.4～1.0MPa。

与现有的多孔陶瓷保温隔热材料相比，本发明的优点是：

1、本发明制备的多孔陶瓷具有均匀的球状蜂窝孔结构单元，孔壁以孔窗口相互连通，孔隙率可达88%以上，且样品表面规整，成型好；

2、本发明采用泡沫凝胶注模制备工艺，将搅拌起泡工艺与注浆成型工艺相结合，该工艺具有脱脂工艺简单，生产周期短的特点，所制备的多孔陶瓷的孔洞圆整，强度比较高；

3、本发明制备的多孔陶瓷原料为粉煤灰固体废弃物，其他均为微量添加物，烧结后成品组分几乎完全来自于粉煤灰，可最大限度的利用固体废弃物，既解决了环境污染问题，又使得资源得到有效利用，这具有广泛的应用前景；此外采用琼脂作为凝胶剂，用量非常少（可低至0.1wt%），且烧结时会燃尽放出少量二氧化碳和水，没有其他污染有害物，符合低碳环保政策。

附图说明

图1为实施例3制成品的表面照片图，其中图1（a）为制成品的上表面照片图，图1（b）为制成品的下表面照片图。

图2为实施例3制成品断面的微观结构图（扫描电子显微镜），其中图2（a）为50倍的扫描电子显微镜图，图2（b）为200倍的扫描电子显微镜图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

以下实施例中所用原料：粉煤灰为细灰，过100目筛；取自于合肥火力发电厂，主要成分为Al₂O₃和SiO₂；玻璃粉的主要成分为SiO₂和CaO，具体采用废弃的玻璃经过球磨24h，过100目筛；琼脂粉末（纯化，生化试剂）为国药集团化学试剂有限公司生产；六偏磷酸钠（PAAS）、十二烷基硫酸钠（K12）、十二烷基苯磺酸钠（SDBS）均为国药集团化学试剂有限公司生产；高分子量的聚丙烯酸钠（SHMP）的分子量MW为500～800万，购于阿拉丁试剂（中国）有限公司。

实施例1

原料组分重量百分比为：粉煤灰35wt%，琼脂粉末0.3wt%，稳泡剂六偏磷酸钠（PAAS）0.15wt%，分散剂聚丙烯酸钠（SHMP）0.1wt%，发泡剂十二烷基硫酸钠（K12）0.4wt%，水64.05wt%。

制备保温隔热多孔陶瓷的具体操作步骤如下：

（1）按上述原料配比，将57.47g粉煤灰、0.16gPAAS、0.25g SHMP和72.53g水加入球磨机，球磨机转速180 r/min、球磨时间24 h，得到初级浆料；（2）将0.38g琼脂粉末加入到25g水中，温度90℃条件下溶解得到琼脂水溶胶；取初级浆料95g，将初级浆料在温度60℃条件下水浴预热，加入琼脂水溶胶，在低速400 rpm条件下，搅拌器搅拌大约两分钟左右使之充分混匀，获得固含量为35wt%的均匀稳定的陶瓷浆料；（3）在陶瓷浆料中添加陶瓷浆料0.4wt%的发泡剂K12，高速1800 rpm条件下，搅拌器搅拌5分钟左右充分发泡，浆料将产生大量泡沫，体积约为原浆料的3倍，得到泡沫浆料。（4）将泡沫浆料倒入硅胶模具中（模具下表面及四周涂有少量硅油），于室温下凝胶固化24 h，得到坯体。（5）待坯体表面水分蒸干后，进行脱模，退模后再于室温下自然风干24 h，得到多孔陶瓷生坯。（6）以2℃/min的升温速率，将生坯加热到500℃，在500℃下保温1h，再以5℃/min的升温速率将其继续加热至1000℃，保温2h，然后以5℃/min的降温速率使其降温至500℃，自然冷却至室温，得到多孔陶瓷。

所得多孔陶瓷的孔隙率为90.64%，密度为0.2561 g/cm³，导热系数为0.0546 W/(m·K)，抗压强度为0.56MPa。

实施例2

原料组分重量百分比为：粉煤灰40wt%，琼脂粉末0.3wt%，稳泡剂六偏磷酸钠（PAAS）0.15wt%，分散剂聚丙烯酸钠（SHMP）0.1wt%，发泡剂十二烷基硫酸钠（K12）0.4wt%，水59.05wt%。

制备保温隔热多孔陶瓷的具体操作步骤如下：

将67.20g粉煤灰，0.17gPAAS，0.25gSHMP和72.80g水加入球磨机，球磨机转速180 r/min、球磨时间24 h，得到初级浆料；（2）将0.38g琼脂粉末加入20g水中，温度90℃条件下溶解得到琼脂水溶胶；取初级浆料100g，将初级浆料在温度60℃条件下水浴预热，加入琼脂水溶胶，在低速400 rpm条件下，搅拌器搅拌大约两分钟左右使之充分混匀，获得固含量为40wt%的均匀稳定的陶瓷浆料；（3）在陶瓷浆料中添加陶瓷浆料0.4wt%的发泡剂K12，高速1800 rpm条件下，搅拌器搅拌5分钟左右充分发泡，浆料将产生大量泡沫，体积约为原浆料的2.7倍，得到泡沫浆料。（4）将泡沫浆料倒入硅胶模具中（模具下表面及四周涂有少量硅油），于室温下凝胶固化24 h，得到坯体。（5）待坯体表面水分蒸干后，进行脱模，退模后再于室温下自然风干24 h，得到多孔陶瓷生坯。（6）以2℃/min的升温速率，将生坯加热到500℃，在500℃下保温1h，再以5℃/min的升温速率将其继续加热至1000℃，保温2h，然后以5℃/min的降温速率使其降温至500℃，自然冷却至室温，得到多孔陶瓷。

所得多孔陶瓷的孔隙率为88.92%，密度为0.3035 g/cm³,导热系数为0.0630 W/(m·K)，抗压强度为0.78MPa。

实施例3

原料组分重量百分比为：粉煤灰35wt%，琼脂粉末0.2wt%，稳泡剂六偏磷酸钠（PAAS）0.15wt%，分散剂聚丙烯酸钠（SHMP）0.1wt%，发泡剂十二烷基硫酸钠（K12）0.4wt%，水64.15wt%。

制备保温隔热多孔陶瓷的具体操作步骤如下：

将57.47g粉煤灰，0.16gPAAS，0.25gSHMP和72.53g水加入球磨机，球磨机转速180 r/min、球磨时间24 h，得到初级浆料；（2）将0.26g琼脂粉末加入25g水中，温度90℃条件下溶解得到琼脂水溶胶；取初级浆料95g，将初级浆料在温度55℃条件下水浴预热，加入琼脂水溶胶，在低速400 rpm条件下，搅拌器搅拌大约两分钟左右使之充分混匀，获得固含量为35wt%的均匀稳定的陶瓷浆料；（3）在陶瓷浆料中添加陶瓷浆料0.4wt%的发泡剂K12，高速1800 rpm条件下，搅拌器搅拌5分钟左右充分发泡，浆料将产生大量泡沫，体积约为原浆料的3.1倍，得到泡沫浆料。（4）将泡沫浆料倒入硅胶模具中（模具下表面及四周涂有少量硅油），于室温下凝胶固化24 h，得到坯体。（5）待坯体表面水分蒸干后，进行脱模，退模后再于室温下自然风干24 h，得到多孔陶瓷生坯。（6）以2℃/min的升温速率，将生坯加热到500℃，在500℃下保温1h，再以5℃/min的升温速率将其继续加热至1000℃，保温2h，然后以5℃/min的降温速率使其降温至500℃，自然冷却至室温，得到多孔陶瓷。

所得多孔陶瓷的孔隙率为91.1%，密度为0.2438 g/cm³,导热系数为0.0518 W/(m·K)，抗压强度为0.52MPa。图1为制成品的表面照片图，其中图1（a）为制成品的上表面照片图，图1（b）为制成品的下表面照片图，可知样品表面规整，成型好；图2为制成品断面的微观结构图（扫描电子显微镜），其中图2（a）为50倍的扫描电子显微镜图，图2（b）为200倍的扫描电子显微镜图。可看出制备的多孔陶瓷具有均匀的球状蜂窝孔结构单元，孔壁以孔窗口相互连通。

实施例4

原料组分重量百分比为：粉煤灰35wt%，琼脂粉末0.2wt%，稳泡剂六偏磷酸钠（PAAS）0.15wt%，分散剂聚丙烯酸钠（SHMP）0.1wt%，玻璃粉2wt%，发泡剂十二烷基硫酸钠（K12）0.4wt%，水62.15wt%。

制备保温隔热多孔陶瓷的具体操作步骤如下：

将72.53g水，57.47g粉煤灰，0.16gPAAS，0.25gSHMP，3.30g玻璃粉和72.53g水加入球磨机，球磨机转速180 r/min、球磨时间24 h，得到初级浆料；（2）将0.26g琼脂粉末加入25g水中，温度90℃条件下溶解得到琼脂水溶胶；取初级浆料95g，将初级浆料在温度55℃条件下水浴预热，加入琼脂水溶胶，在低速400 rpm条件下，搅拌器搅拌大约两分钟左右使之充分混匀，获得固含量为37wt%的均匀稳定的陶瓷浆料；（3）在陶瓷浆料中添加陶瓷浆料0.4wt%的发泡剂K12，高速1800 rpm条件下，搅拌器搅拌5分钟左右充分发泡，浆料将产生大量泡沫，体积约为原浆料的3倍，得到泡沫浆料。（4）将泡沫浆料倒入硅胶模具中（模具下表面及四周涂有少量硅油），于室温下凝胶固化24 h，得到坯体。（5）待坯体表面水分蒸干后，进行脱模，退模后再于室温下自然风干24 h，得到多孔陶瓷生坯。（6）以2℃/min的升温速率，将生坯加热到500℃，在500℃下保温1h，再以5℃/min的升温速率将其继续加热至1000℃，保温2h，然后以5℃/min的降温速率使其降温至500℃，自然冷却至室温，得到多孔陶瓷。

所得多孔陶瓷的孔隙率为90.35%，密度为0.2589 g/cm³,导热系数为0.0581 W/(m·K)，抗压强度为0.70MPa。

实施例5

原料组分重量百分比为：粉煤灰35wt%，琼脂粉末0.2wt%，稳泡剂六偏磷酸钠（PAAS）0.15wt%，分散剂聚丙烯酸钠（SHMP）0.1wt%，玻璃粉2wt%，发泡剂十二烷基苯磺酸钠（SDBS）0.5wt%，水62.05wt%。

制备保温隔热多孔陶瓷的具体操作步骤如下：

将57.47g粉煤灰、0.16gPAAS、0.25gSHMP、3.30g玻璃粉和72.53g水加入球磨机，球磨机转速180 r/min、球磨时间24 h，得到初级浆料；（2）将0.26g琼脂粉末加入25g水中，温度90℃条件下溶解得到琼脂水溶胶；取初级浆料95g，将初级浆料在温度55℃条件下水浴预热，加入琼脂水溶胶，在低速400 rpm条件下，搅拌器搅拌大约两分钟左右使之充分混匀，获得固含量为37wt%的均匀稳定的陶瓷浆料；（3）在陶瓷浆料中添加陶瓷浆料0.5wt%的发泡剂SDBS，高速1800 rpm条件下，搅拌器搅拌5分钟左右充分发泡，浆料将产生大量泡沫，体积约为原浆料的3倍，得到泡沫浆料。（4）将泡沫浆料倒入聚四氟乙烯模具中（模具下表面及四周涂有少量硅油），于室温下凝胶固化24 h，得到坯体。（5）待坯体表面水分蒸干后，进行脱模，退模后再于室温下自然风干24 h，得到多孔陶瓷生坯。（6）以2℃/min的升温速率，将生坯加热到500℃，在500℃下保温1h，再以5℃/min的升温速率将其继续加热至1000℃，保温2h，然后以5℃/min的降温速率使其降温至500℃，自然冷却至室温，得到多孔陶瓷。

所得多孔陶瓷的孔隙率为90.14%，密度为0.2605 g/cm³,导热系数为0.0592 W/(m·K)，抗压强度为0.72MPa。

实施例6

制备保温隔热多孔陶瓷的具体操作步骤如下：

将57.47g粉煤灰、0.16gPAAS、0.25gSHMP、3.30g玻璃粉和72.53g水加入球磨机，球磨机转速180 r/min、球磨时间24 h，得到初级浆料；（2）将0.26g琼脂粉末加入25g水中，温度90℃条件下溶解得到琼脂水溶胶；取初级浆料95g，将初级浆料在温度55℃条件下水浴预热，加入琼脂水溶胶，在低速400 rpm条件下，搅拌器搅拌大约两分钟左右使之充分混匀，获得固含量为37wt%的均匀稳定的陶瓷浆料；（3）在陶瓷浆料中添加陶瓷浆料0.4wt%的发泡剂K12，高速1800 rpm条件下，搅拌器搅拌5分钟左右充分发泡，浆料将产生大量泡沫，体积约为原浆料的3倍，得到泡沫浆料。（4）将泡沫浆料倒入硅胶模具中（模具下表面及四周涂有少量硅油），于室温下凝胶固化24 h，得到坯体。（5）待坯体表面水分蒸干后，进行脱模，退模后再于室温下自然风干24 h，得到多孔陶瓷生坯。（6）以2℃/min的升温速率，将生坯加热到500℃，在500℃下保温1h，再以5℃/min的升温速率将其继续加热至1100℃，保温2h，然后以5℃/min的降温速率使其降温至500℃，自然冷却至室温，得到多孔陶瓷。

所得多孔陶瓷的孔隙率为89.03%，密度为0.2686 g/cm³,导热系数为0.0593 W/(m·K)，抗压强度为0.81MPa。

Claims

1.一种轻质粉煤灰保温隔热多孔陶瓷的制备方法，其特征在于：包括以下质量百分比的原料粉煤灰30～40wt%、琼脂粉末0.1～0.5wt%、稳泡剂0.15～0.2wt%、分散剂0.1～0.15wt%、玻璃粉0～4wt%，发泡剂0.3～0.5wt%和水54.65～64.75wt%；

制备操作步骤是：（1）将粉煤灰、玻璃粉、分散剂和稳泡剂，加水搅拌后球磨，得初级浆料；（2）制备含琼脂的稳定陶瓷浆料；（3）添加表面活性剂，搅拌发泡得泡沫浆料；（4）将泡沫浆料倒入模具中，室温固化；（5）脱模干燥得多孔陶瓷生坯；（6）将多孔陶瓷生坯于低温烧结炉中烧结，得到多孔陶瓷；

所述多孔陶瓷的孔隙率为88～91wt%，密度为0.24～0.31g/cm³，导热系数为0.051～0.072 W/(m·K)，抗压强度为0.4～1.0MPa。

2.根据权利要求1所述的一种轻质粉煤灰保温隔热多孔陶瓷的制备方法，其特征在于：具体操作步骤如下：

（1）制备初级浆料，将粉煤灰、玻璃粉、分散剂、稳泡剂和水，混合球磨，球磨转速170～180 r/min、球磨时间20～24 h，得到初级浆料；

（2）制备含琼脂浆料，将初级浆料在温度55～60℃条件下水浴预热，将25.14g～25.62g琼脂水溶胶加入到95g浆料中，所述琼脂水溶胶的浓度为0.56～2.42wt%，搅拌混合均匀，得到固含量为35wt%的均匀稳定的陶瓷浆料；

（3）发泡，在陶瓷浆料中添加陶瓷浆料0.3～0.5wt%的表面活性剂，强烈搅拌产生大量泡沫，强烈搅拌的转速为1700～2000 r/min ，搅拌时间4～6 min，得到泡沫浆料；

（4）凝胶固化，将泡沫浆料倒入模具中，室温下，凝胶固化20～24 h，得到坯体；

（5）脱模干燥，待坯体表面水分蒸干，脱模，室温下，自然风干20～24 h，得到多孔陶瓷生坯；

（6）烧结，以2℃/min的升温速率，将多孔陶瓷生坯加热到500℃，保温1h，再以5℃/min的升温速率将其继续加热至900～1100℃，保温2h，然后以5℃/min的降温速率使其降温至500℃，自然冷却至室温，得到多孔陶瓷。

3.根据权利要求1或2所述的一种轻质粉煤灰保温隔热多孔陶瓷的制备方法，其特征在于：所述粉煤灰过100目筛，所述玻璃粉为将废弃玻璃球磨24h，过100目筛。

4.根据权利要求1或2所述的一种轻质粉煤灰保温隔热多孔陶瓷的制备方法，其特征在于：所述聚丙烯酸钠的分子量MW为500～800万。

5.根据权利要求1或2所述的一种轻质粉煤灰保温隔热多孔陶瓷的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述球磨，粉料与磨球的比例为1:3～1:4；同时为保证粉料具有充分的混合空间，粉料的加入量应占球磨罐容量的1/3～1/5。

6.根据权利要求2所述的一种轻质粉煤灰保温隔热多孔陶瓷的制备方法，其特征在于：将0.14～0.62g琼脂粉末加入到20～25g水中溶解，温度90～95℃下搅拌溶解均匀，得到0.56～2.42wt%的琼脂水溶胶。

7.根据权利要求1或2所述的一种轻质粉煤灰保温隔热多孔陶瓷的制备方法，其特征在于：步骤（5）中所用模具的材料为硅胶或聚四氟乙烯。