发泡陶瓷的研究现状与展望
发泡陶瓷的研究现状与展望
叶芬;车龙;刘勇闯;刘坤琼;刘琛琛;骆科才;成昊
【摘 要】全面总结了当前发泡陶瓷的研究现状,用于制备发泡陶瓷的主要原材料有蛇纹石、页岩、赤泥、湖泊淤泥、建筑垃圾、珍珠岩和煤矸石等.发泡剂有高温发泡剂和低温发泡剂两大类.目前有三类发泡工艺,分别是高温发泡、预置成孔球、化学反应成孔.研究发现发泡剂对发泡陶瓷结构和性能的影响较大,文章在综述前人研究的基础上对发泡陶瓷的产业化提出了展望.
【期刊名称】《广州化工》
【年(卷),期】2017(045)015
【总页数】3页(P9-10,41)
【关键词】发泡陶瓷;发泡剂;结构和性能;产业化
【作 者】叶芬;车龙;刘勇闯;刘坤琼;刘琛琛;骆科才;成昊
【作者单位】铜仁学院材料与化学工程学院,贵州 铜仁 554300;铜仁市创建国家环境保护模范城市办公室,贵州 铜仁 554300;铜仁学院材料与化学工程学院,贵州 铜仁 554300;铜仁学院材料与化学工程学院,贵州 铜仁 554300;铜仁学院材料与化学工程学院,贵州 铜仁 554300;铜仁学院材料与化学工程学院,贵州 铜仁 554300;铜仁学院材料与化学工程学院,贵州 铜仁 554300;铜仁学院材料与化学工程学院,贵州 铜仁 554300;铜仁市创建国家环境保护模范城市办公室,贵州 铜仁 554300
【正文语种】中 文
【中图分类】X705
发泡陶瓷是一种多孔陶瓷材料，气孔率高达50%以上，发展始于20世纪70年代，因具有轻质、高强、耐高温、保温、隔音等优良性能而用于建筑防火材料和隔音材料。中国发泡陶瓷的研究工作起步较早，近十几年来，发泡陶瓷制备的相关报道层出不穷，但制备技术及其设备、产品质量等于国外相比还存在较大的差距。泡沫陶瓷是具有三维空间网架结构的高气孔率的多孔陶瓷体，其造型犹如钢化了的泡沫塑料或瓷化了的海绵体。由于它具有气孔率高、比表面积大、抗热震、耐高温、耐化学腐蚀及良好的机械强度和过滤吸附性能，
发泡陶瓷还被广泛应用于热交换材料，布气材料，汽车尾气装置，净化冶金工业过滤熔融态金属，热能回收，轻工喷涂行业，工业污水处理，用作化学催化剂载体，电解隔膜及分离分散元件等。
发泡陶瓷的制备工艺较多，如发泡法，一般采用化学反应，使样品制备过程中产生气体而发泡的方法，通常在发泡陶瓷粉末中添加一些陶瓷纤维材料，可有效的避免发泡陶瓷在烧结过程中出现坍塌和溶洞等现象，且可大幅度的提高发泡陶瓷的强度。除此之外，还有溶胶凝胶法、添加造孔剂法、前驱体浸渍法等，这些方法制备工艺简单灵活，技术较为成熟。近年来，出现了一些新兴工艺，如凝胶注模工艺，是一种利用料浆内部或少量添加剂的化学反应使陶瓷料浆原位凝固形成坯体，获得具有良好微观均匀性和较高密度的素坯的方法；另外新兴工艺是自蔓延高温合成工艺，其基本反应过程是：向体系提供必要能量(点火)，诱发体系局部产生化学反应，此后，这一化学反应过程在自身放出的高热量的支持下继续进行，最后将燃烧(反应)波蔓延到整个体系，从而制备出所需的陶瓷材料。
高温发泡陶瓷具有大量的闭孔，所以具有轻质、保温、隔音，加上陶瓷耐酸碱腐蚀，耐老化，在很多领域得到应用。在建筑方面应用的比较广泛：(1)一可以将其制备成颗粒状添加
到混凝土中，使砌块减重；(2)可以用来替代传统的高分子墙体保温材料，作为外墙体材料达到保温作用；(3)可以作为室内装修用的材料，起到保温隔音的作用。在一些特殊的领域，如军事方面，它可以作为船体的填充物起到防沉、防火、抗磁等作用[1]。制备发泡陶瓷的方法非常的多，其中有些比较复杂，但是工艺流程比较容易控制，所以学者们都在探索使用低廉的原料来制备发泡陶瓷，从而拓宽它的应用。
1.1 主要原料
由于发泡陶瓷一般采用压制成型或者堆烧的方式成型，所以对坯料的可塑性要求不高。在设计发泡陶瓷配方时，塑性原料的用量一般控制在20%左右，再引入少量长石、滑石、白云石等助熔剂原料调节材料玻璃相高温粘度。
发泡陶瓷一般用在减重和保温隔音领域从而达到节能环保的作用，另外大量堆积的工艺固体废弃物破坏生态环境，所以目前，针对发泡陶瓷的研究主要集中利用当地的固体废弃物制备发泡陶瓷，如蛇纹石、页岩、赤泥、湖泊淤泥、建筑垃圾、珍珠岩等[2-5]；除此之外，利用粉煤灰、铜尾矿、铁尾矿、石墨尾矿、金尾矿、稀土尾矿、煤矸石等[6-10]固废原料制备发泡陶瓷保温板的研究也较多。综合以上原来的化学组成发现，铝硅含量较高的工
艺固体废弃物，均可用于发泡陶瓷的制备原材料。
1.2 发泡剂
为了得到封闭孔的发泡陶瓷，常采用高温发泡剂和低温发泡剂。高温发泡剂主要有碳化硅、萤石、抛光砖废料、黑炭、硫酸钙等，这些发泡剂在高温环境下分解出气体，在熔融的液相中形成气孔。四川理工学院谢纯等[11]采用特殊的发泡工艺，以高岭土、SiO2(分析纯)、Sb2O3(分析纯)和H3BO3(优级纯)为主要原料，选取碳化硅和黑炭为发泡剂，经1100 ℃烧结制备了具有一定孔径的发泡陶瓷样品，测试结果表明，当发泡剂碳化硅和碳黑的含量分别为1.8%和0.9%时，制备样品密度、吸水率、气孔率分别为0.79 g/cm3、43%和35%，样品外观完整。咸阳陶瓷研究设计院丁力[12]采用陕西省延安市的页岩，商洛市的长石，引入碳化硅和萤石作为发泡剂制备发泡陶瓷样品。景德镇陶瓷大学材料科学与工程学院刘欣等[13]，采用蛇纹石为主要原料，发泡剂为抛光砖废料，低温沙、滑石和膨润土等为辅助原料制备发泡陶瓷样品，研究了配方组成和烧成温度等因素对发泡陶瓷结构和性能的影响。北京科技大学孙国梁等[14]以石英为主要原料，助熔剂为长石，硫酸钙作为发泡剂，粘结剂为PVA，采用半干压成型，经1600 ℃烧成制备泡沫陶瓷样品。中国科学院广州能源
研究所黎涛等[15]采用陶瓷抛光废料为主要原料，研究了抛光废料的高温发泡机理，结果表明，陶瓷抛光废料在1000～1200 ℃时物料相变为热熔体，部分组分开始氧化分解并产生气体，从而形成多孔结构。武汉理工大学硅酸盐国家重点实验室周明凯等[10]以固体废弃物煤矸石为主要原料，采用粉料坯体发泡法制备了发泡陶瓷样品，研究了发泡剂参量和氧化铁含量对发泡陶瓷样品的影响，结果表明，氧化铁含量对样品容重、抗压强度和热导率影响较大，当煤矸石含量为60%时制备样品容重、抗压强度、热导率分别为：170～270 kg/cm3、1.24～3.71 MPa、0.06～0.09 W/(m·k)。
低温发泡剂主要有预置聚苯乙烯或其它低温造孔剂，能在100～300 ℃烧掉留下空洞。东北大学材料与冶金学院于景媛等[16]通过离心成型技术，将发泡的聚苯乙烯小球排列成有序的模板，制备了孔径均匀、孔壁致密的氧化铝/氧化锆发泡陶瓷样品，在1450～1600 ℃温度范围内，随着烧结温度的升高，样品的致密度升高，孔隙率下降，经1550 ℃烧结2 h的样品其抗压强度可达2.07 MPa。沈阳理工大学材料科学与工程学院庞日铨等[17]采用发泡法制备泡沫陶瓷材料，系统研究了样品发泡过程中泡沫体膨胀的演变过程及动力学机制。结果分析表明，泡沫体膨胀过程与发泡剂分解产生的气体量与泡沫陶瓷排出气体的量有直接关系。
景德镇陶瓷学院是几本在一些特殊情况下，将原料配成浆料，在配方中添加化学试剂通过其化学反应放出气体在浆料内留下气孔，如双氧水。济南大学材料科学与工程学院杜斌等[18]采用铜尾矿和粉煤灰为主要原料，长石作为助熔剂，发泡剂为双氧水，稳泡剂为聚乙烯醇，另外添加膨润土和赤泥，采用浆料发泡烧结法制备发泡陶瓷外墙保温板，其吸水率、体积密度、气孔率、抗压强度和热导率分别为0.9% 1.1 g/cm3、0.7% 8 MPa和0.15 W/(m·K)。
1.3 发泡工艺
目前发泡工艺有三大类：(1)在设计陶瓷配方时添加发泡剂，随着温度的升高，易熔成份熔化成液相，发泡剂发生分解形成气体，困在液相中形成孔洞；(2)先将陶瓷原料配制成浆料，预置低温可分解有机物，成型后经过热处理，低温有机物先分解留下孔洞，其它部分按照陶瓷烧结的原理继续烧结形成多孔陶瓷[16]；(3)先将陶瓷原料配成浆料，在其中添加一种可以放出气体的化学反应，提前在浆料内留下孔洞，最后经过热处理得到多孔的陶瓷。三川德青科技有限公司罗学维等[19]采用电解锰渣为主要原料制备了轻质发泡陶瓷保温板材料，其选用的助熔剂为长石，脱氧剂为金刚砂，实验采用的分散方法是乙醇旋转蒸发粉料分散技术，经1100～1200 ℃烧成制备轻质发泡陶瓷保温板材料，当脱氧剂金刚砂含量为0.6%时，样品就有较低的保温系数(0.0722 W/(m·K)-1)。
发泡陶瓷的科学研究较为系统和深入，其方向主要有：(1)固体废物的综合利用，不仅可以大幅度降低生产成本切具有节能环保的重要意义；(2)发泡工艺的选择，目前主要集中在高温发泡剂，低温发泡剂的研究偏少。但如何将理论研究推广应用于实际生产，还需要进一步探索和总结，尤其是在批量生产过程中如何高精度的控制孔径的尺寸和均匀性，是保证其产品性能的关键。
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