CN103922791B - 一种超轻质玻化泡沫陶瓷及其制备方法 - Google Patents

一种超轻质玻化泡沫陶瓷及其制备方法 Download PDF

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本发明涉及一种墙体材料及其制备方法,尤其是一种玻化泡沫陶瓷及其制备方法,属于材料技术领域。本发明利用玄武岩、页岩为主要原料制备容重≤0.1g/cm3高性能超轻质玻化泡沫陶瓷的同时,充分利用不可再生资源,通过加入ZnO、Cr2O3,以及硅酸锆/或锆英砂和碳化硅为主要组成的无机复合烧结助剂,使制品具有容重:≤0.1g/cm3,导热系数:≤0.05W/(m.k),常温抗压强度:≥0.8Mpa,常温抗折强度:≥0.5Mpa,防火等级为A级,耐冻融性优良的特点。不仅综合利用了遍及各地的贫脊原料,简化了制作工序,更主要的是适用于建筑墙体的保温隔热以及电力、石油、化工、冶炼、交通、轻工与国防工业等行业的热工设备、管道的保温隔热和烟囱内壁、窑炉外壳的保温(冷)工程。

Description

一种超轻质玻化泡沫陶瓷及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种墙体材料及其制备方法,尤其是一种超轻质玻化泡沫陶瓷及其制备方法,属于材料技术领域。
背景技术
为尽量减少自然资源和能源的消耗,保护生态环境,以确保人类社会的可持续发展,隔热保温、节能降耗、安全防火、优化环境已愈来愈摆上当今关注的热点和重点。以我国建筑墙体材料为例,2005年国务院办公厅颁发了国办发[2005]33号文件《关于进一步推进墙体材料革新和推广节能建筑的通知》,积极鼓励新型建材、制品的开发和推广利用。要实现50%~65%的节能率,就必须对建筑墙体结构进行全面的改造。目前,我国市场上流行的建筑外保温材料主要是由EPS(模塑聚苯板)、XPS(挤塑聚苯板)和PU(聚氨脂)三种有机材料制成,易老化,其燃烧性能大多为B2级,即使采取了多方面的防火措施,这类建筑的外保温系统也因整体老化及防火性能欠佳而存在各种安全隐患。如中央电视台新址大楼火灾、济南奥体中心体育馆两次失火、哈尔滨市“经纬360度”双子星大厦火灾、上海静安区余姚路一栋28层公寓特大火灾、沈阳皇朝万鑫大厦以及长春市佳泰帝景城施工引发的火灾等等,这些火灾事故都与外保温材料防火性能欠佳有直接关系。为此,2009年9月25日公安部、住房和城乡建设部曾联合下发《民用建筑外保温系统及外墙装饰防火暂行规定》,即“46号文”,规定民用建筑外保温材料的燃烧性能宜为A级,且不应低于B2级;而在2011年3月14日,公安部消防局又下发“65号文”,明确规定:“民用建筑外保温材料采用燃烧性能为A级的材料”要从根本上杜绝因墙体保温材料防火性能缺陷而引发火灾事故的安全隐患。随着科学技术的进步和相关行业的重视,近几年来,我国已充分利用本国资源和先进技术相继研制成功容重分别为0.6g/cm3、0.5g/cm3、0.4g/cm3、0.3g/cm3乃至0.2g/cm3左右的轻质泡沫陶瓷材料,并已在建筑外墙和电力、化工等行业得到部分应用,但也因其制品性能(主要是容重和导热系数)及供需等诸多因素,还不能满足相关的要求而受到一定的限制。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术存在的缺陷,提供一种超轻质玻化泡沫陶瓷及其制备方法,在确保防火等级为A级、耐冻融性优良、不易老化和一定的使用强度的前提下,进一步降低轻质泡沫陶瓷的容重和导热系数,以提高隔热保温的实际效果,所得泡沫陶瓷具有容重≤0.1g/cm3的优点。
本发明通过以下技术方案解决技术问题,包括在65%~80%的玄武岩、页岩中,加入20%~35%陶土和/或低温粘土,并添加0.2%~5%ZnO和0.2%~2%Cr2O3,以及0.2~5%的硅酸锆/或锆英砂和碳化硅为主要组成的无机复合烧结助剂,必要时还包括1%~5%的石灰石或白云石,其化学组分的重量百分比为:SiO245%~65%、Al2O312%~20%、Fe2O35%~10%、CaO5%~10%、MgO3%~6%、ZnO0.25~5%、Cr2O30.2%~2%、ZrO2+SiC+C1.0%~3.0%。
所述玄武岩含有SiO245%~52%、Al2O315%~18%、Fe2O310%~12%、CaO8%~9%、MgO3%~5%、K2O+Na2O5%~7%,所述页岩含有SiO248%~75%、Al2O38%~25%、Fe2O35%~10%、CaO+MgO3%~12%、K2O+Na2O1.0%~6.0%。
本发明进一步提供玻化泡沫陶瓷制品的制备方法,在65%~80%的玄武岩、页岩中,加入20%~35%的陶土、低温粘土等原生矿物的混合物的同时,添加0.2%~5%ZnO(工业纯)和0.2%~2%Cr2O3(工业纯),以及0.2~5%的硅酸锆/或锆英砂和碳化硅为主要组成的无机复合烧结助剂,必要时加入少量的(1%~5%)石灰石或白云石以调节其钙、镁含量。其工艺流程如下:
配料→细粉碎(湿法/或干法)→造粒(喷雾干燥造粒/或压滤、干燥、粉碎、造粒/或混合、加水、造粒)→过筛→直接装入拼装式耐火组合窑具→刮平→入窑烧成→从窑具内取出产品→切割成所需要规格尺寸的制品→检验→包装→入库.
其具体步骤如下:
(1)将65%~80%的玄武岩、页岩,20%~35%的陶土或低温粘土等原生矿物的混合物,0.2%~5%ZnO(工业纯)和0.2%~2%Cr2O3(工业纯),0.2%~5.0%的硅酸锆/或锆英砂、碳化硅为主要组成的无机复合烧结助剂,必要时加入少量的(1%~5%)石灰石或白云石以调节其钙、镁含量,破碎,混合,细粉碎,其万孔筛余控制在≤0.5%;
(2)喷雾造粒/或压滤、干燥、粉碎、造粒/或混合、加水造粒,过筛;
(3)将泥料直接装入拼装式耐火组合窑具内,刮平,入连续式窑1120~1210℃烧成;
(4)直接从拼装式耐火组合窑具内取出,切割成所需要的规格尺寸的制品。
本发明进一步的技术方案是对上述的以玄武岩为主要原料制备容重≤0.1g/cm高性能超轻质玻化泡沫陶瓷的制造方法,为了能同时制备大小规格不一的制品,窑具方面采取以下相应的措施:
(1)底板视窑车能承载烧成制品面积尺寸的大小,由若干块高铝质或粘土质耐火组合窑具(定型耐火制品或不定型耐火浇注料制作)拼接而成;
(2)拼装式组合耐火底板周边上的四根围条采用单根或若干根高铝质或粘土质定型耐火制品或不定型耐火浇注料制作拼接而成,(若采用单根不定型耐火浇注料制作,必要时根据围条在泥料加热过程中所能承受胀力的大小,在浇注时要铺设耐热铬镍丝等),其每根围条的两端采取雌雄结构或插孔或其他方法加以固定,组成四边形模框;
(3)在拼装式耐火组合窑具的内腔铺设表面涂有复合耐火材料的玻璃纤维布或毡/或硅酸铝纤维棉毡/或硅酸铝纸。
本发明的技术思路是:
玄武岩在地质学的岩石分类中属于岩浆岩(也叫火成岩)。是一种基性喷出岩,其化学成分与辉长岩相似,矿物成份主要由基性长石和辉石组成,次要矿物有橄榄石、角闪石及黑云母等,SiO245%~52%、碱金属和碱土金属及铁含量较高,岩石均为暗色,一般为黑色,有时呈灰绿以及暗紫色,呈斑状结构,其活性主要来源于玄武岩中的基性长石、辉石、橄榄石、角闪石及黑云母等矿物和低温粘土。玄武岩是由火山喷发出的岩浆冷却后凝固而成的一种致密状或泡沫状结构的岩石。北起黑龙江,南至海南岛,东临太平洋,西抵云贵川,由于资源储藏面广量大,矿岩中的硅、铝、铁的氧化物和碱土金属、碱金属氧化物的含量有一定的差异。
页岩是一种沉积岩,主要是由粘土沉积经压力和温度形成的岩石,但其中混杂有石英、长石的碎屑及其他化学物质,属于含水性铝硅酸盐矿物,主要由硅、铝、铁和钙、钠、钾、镁等元素组成。它的结构排列决定其具有柔软、润滑和易于破碎的物理性质。页岩为天然的片状风化石,具有薄页状或薄片层状的节理,有黑色页岩、碳质页岩、油页岩、硅质页岩、铁质页岩、钙质页岩以及混入一定砂质成分的砂质页岩,而较为常见的有黑色页岩、油页岩、紫砂页岩等,由于各地的矿源不一,其矿岩中的硅、铝、铁的氧化物和碱土金属、碱金属氧化物含量也有较大的差异。
作为矿岩的玄武岩和页岩的共同特征是:在煅烧时的热分解过程中产生的活性氧化硅和氧化铝,能够在较低(950~1050℃)的温度下熔融、分解、重组其结构。为了满足本发明所要求的化学组成和性能的要求,采用适量的陶土或低温粘土等原生矿物的混合物加以调节,必要时可以加入少量的石灰石或白云石以调节其钙、镁含量。
上述矿岩玄武岩、页岩的另一特征是:广泛分布于全国各地的山区、丘陵甚至平原、洼地,储量极其丰富,容易开采。同时也符合我国玄武岩、页岩资源丰富的国情,符合循环经济的理念,符合建设节约型社会,也有利于可持续发展,优化生态环境,因地制宜地进行农田城市规划和植被绿化。
本发明的优点和效果在于以矿岩玄武岩、页岩为主要原料制备的容重≤0.1g/cm3高性能超轻质玻化泡沫陶瓷中,添加0.2%~5%ZnO(工业纯)和0.2%~2%Cr2O3(工业纯),以及适量的硅酸锆/或锆英砂和碳化硅为主要组成的无机复合烧结助剂,必要时加入少量的(1%~5%)石灰石或白云石,在陶瓷基体中有助于形成完全玻化的、均匀密布的、极其微细的闭口气孔,特别是在经高温烧结冷却过程中生成的亚稳态四方相氧化锆粒子处于束缚状态,在外力作用下产生裂纹,部分束缚力被释放,相变和伴随的体积膨胀过程除消耗能量外,还在主裂纹作用区产生相应的压应力,阻止裂纹的扩展,从而表现出增韧的效果,使复相材料的抗折强度、抗压强度获得提高,同时也提高了材料耐冻融性热震的能力。
本发明的优点还在于:在利用矿岩玄武岩、页岩为主要原料制备容重≤0.1g/cm3高性能超轻质玻化泡沫陶瓷的同时,注重充分利用这些不可再生资源的优化,通过加入ZnO(工业纯)、Cr2O3(工业纯),以及硅酸锆/或锆英砂和碳化硅为主要组成的无机复合烧结助剂,在一定的工艺控制下,经破碎、混合、造粒、烧成后,切割成所需规格尺寸和形状的、综合性能优异的制品,容重:≤0.1g/cm3,导热系数:≤0.05W/(m.k),常温抗压强度:≥0.8Mpa,常温抗折强度:≥0.5Mpa,防火等级为A级,耐冻融性优良。除保持现有轻质泡沫陶瓷吸水率低、耐腐蚀、防火等级为A级,耐冻融性优良等特性外,最显著的特点是在确保使用强度的基础上,采用面广量大的矿岩玄武岩、页岩为主要原料所制得的制品容重更轻,导热系数更低,进一步适应了各行业对轻质隔热(保温)工程设施的需求。该制品不仅综合利用了遍及各地的贫脊原料,简化了制作工序,更主要的是适用于建筑墙体的保温隔热,以及电力、石油、化工、冶炼、交通、轻工与国防工业等行业的热工设备、管道的保温隔热和烟囱内壁、窑炉外壳的保温(冷)工程。
具体实施方式
实施例1:
以含有SiO243.5%、Al2O316.8%、Fe2O312.6%、CaO10.2%、MgO5.5%、TiO22.1%、K2O+Na2O4.7%的玄武岩80%、以含有SiO255.2%、Al2O322.1%、Fe2O38.3%、CaO+MgO6.5%、K2O+Na2O3.4%的页岩10%、低温粘土10%、ZnO(工业纯)0.5%、Cr2O3(工业纯)0.5%、锆英砂和碳化硅为主要组成的无机复合烧结强化助剂1%,破碎混合,湿法球磨16h,喷雾造粒,并将其直接平铺在内腔铺设表面涂有硅酸铝纤维棉毡的拼装式高铝质耐火浇注料组合窑具内,刮平,在燃气隧道窑内1190℃烧成,制成的制品容重:0.10g/cm3,导热系数:0.049W/(m.k),抗压强度:1.2Mpa,抗折强度:0.8Mpa,表面吸附水<2%,防火等级为A级,耐冻融性优良。
实施例2:
以含有SiO255.2%、Al2O322.1%、Fe2O38.3%、CaO+MgO6.5%、K2O+Na2O3.4%的页岩75%、含有SiO243.5%、Al2O316.8%、Fe2O312.6%、CaO10.2%、MgO5.5%、TiO22.1%、K2O+Na2O4.7%的玄武岩10%、陶土15%、ZnO(工业纯)1.5%、Cr2O3(工业纯)1.5%、锆英砂和碳化硅为主要组成的无机复合烧结强化助剂1.5%,破碎混合,湿法球磨16h,喷雾造粒,并将其直接平铺在内腔铺设表面涂有硅酸铝纤维棉毡的拼装式高铝质耐火浇注料组合窑具内,刮平,在燃气隧道窑内1180℃烧成,制成的制品容重:0.09g/cm3,导热系数:0.048W/(m.k),抗压强度:1.1Mpa,抗折强度:0.7Mpa,表面吸附水<2%,防火等级为A级,耐冻融性优良。
实施例3:
以含有SiO262.0%、Al2O316.3%、Fe2O36.8%、CaO+MgO7.2%、K2O+Na2O4.9%的页岩45%,含有SiO247.5%、Al2O316.5%、Fe2O311.8%、CaO10.1%、MgO4.7%、TiO22.1%、K2O+Na2O5.4%的玄武岩30%、低温粘土15%、陶土8%、ZnO(工业纯)2.5%、Cr2O3(工业纯)1.5%、锆英砂和碳化硅为主要组成的无机复合烧结强化助剂1.2%,白云石2%,破碎混合,湿法球磨16h,喷雾造粒,并将其直接平铺在内腔铺设表面涂有硅酸铝纤维棉毡的拼装式粘土质耐火组合窑具内,刮平,在燃气隧道窑内1175℃烧成,制成的制品容重:0.088g/cm3,导热系数:0.047W/(m.k),抗压强度:0.98Mpa,抗折强度:0.62Mpa,表面吸附水<2%,防火等级为A级,耐冻融性优良。
以上实施例的制品可以根据企业设施和制品所需规格尺寸的具体情况分别采取湿法和/或干法细磨(如球磨机、气流磨、雷蒙机等),由于磨机的品种、规格型号不一,其技术参数也不尽相同,但细磨的细度必须为万孔筛余≤0.5%。
以上实施例的制品可以根据企业设施和制品所需规格尺寸的具体情况分别在燃气和/或燃油的隧道窑和/或辊道窑中以一定的烧成制度烧成(烧成中须严格冷却制度),并按用户需求切割成一定规格尺寸的制品。
以上实施例所制得的制品容重:≤0.1g/cm3,导热系数:≤0.05W/(m.k),抗压强度:≥0.8Mpa,抗折强度:≥0.5Mpa,防火等级为A级,冻融性优良,最大规格尺寸可达长×宽×高为5000㎜×4000㎜×320㎜。
以上实施例在涉及上述化学组成的以矿岩玄武岩、页岩为主要原料、添加ZnO(工业纯)和Cr2O3(工业纯),以及适量硅酸锆/或锆英砂和碳化硅为主要组成的无机复合烧结助剂制备,必要时加入少量的(1%~5%)石灰石或白云石以调节其钙、镁含量。同时,也十分注重如陶土、低温粘土等一些遍及各地的贫脊原料用于制备容重≤0.1g/cm3高性能超轻质玻化泡沫陶瓷,不仅简化了工艺流程、优化了装备设施、减少了厂房用地、减轻了劳动强度、节省了劳动力,而且在所有生产过程中切割下来的边角料、处理水等均可回收循环使用,节约了生产成本,保护了生态环境。本发明充分利用面广量大的自然资源生产出高品位的制品,制得的制品广泛适用于建筑墙体急需的隔热(保温),以及热力设备、管道、烟囱内壁、窑炉外壳等工业技术装备设施的隔热(保温)工程,提高了综合经济效益和社会效益。
除上述实施例外,本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形式的技术方案,均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种超轻质玻化泡沫陶瓷,包括在65%~80%的玄武岩、页岩中,加入20%~35%陶土和/或低温粘土,并添加0.2%~5%ZnO和0.2%~2%Cr2O3,以及0.2~5%的硅酸锆或锆英砂和碳化硅为主要组成的无机复合烧结助剂,其化学组分的重量百分比为:SiO245%~65%、Al2O312%~20%、Fe2O35%~10%、CaO5%~10%、MgO3%~6%、ZnO0.25~5%、Cr2O30.2%~2%、ZrO2+SiC+C1.0%~3.0%,所有组分之和为100%。
2.根据权利要求1所述超轻质玻化泡沫陶瓷,其特征在于:还包括1%~5%的石灰石或白云石。
3.根据权利要求1所述超轻质玻化泡沫陶瓷,其特征在于:所述玄武岩含有SiO245%~52%、Al2O315%~18%、Fe2O310%~12%、CaO8%~9%、MgO3%~5%、K2O+Na2O5%~7%,所述页岩含有SiO248%~75%、Al2O38%~25%、Fe2O35%~10%、CaO+MgO3%~12%、K2O+Na2O1.0%~6.0%。
4.根据权利要求1所述超轻质玻化泡沫陶瓷的制备方法,其生产工艺流程如下:
配料→细粉碎→造粒→过筛→直接装入拼装式耐火组合窑具→刮平→入窑烧成→从窑具内取出产品→切割成所需要规格尺寸的制品→检验→包装→入库;
其具体步骤为:
(1)将65%~80%的玄武岩、页岩,20%~35%的陶土和/或低温粘土,0.2%~5%ZnO和0.2%~2%Cr2O3,0.2%~5.0%的硅酸锆或锆英砂、碳化硅为主要组成的无机复合烧结助剂,加入1%~5%的石灰石或白云石以调节其钙、镁含量,破碎,混合,细粉碎,其万孔筛余控制在≤0.5%;
(2)喷雾造粒,或压滤、干燥、粉碎、造粒,或混合、加水造粒,过筛;
(3)将泥料直接装入拼装式耐火组合窑具内,刮平,入连续式窑1120~1210℃烧成;
(4)直接从拼装式耐火组合窑具内取出,切割成所需要的规格尺寸的制品。
5.根据权利要求4所述超轻质玻化泡沫陶瓷的制备方法,其特征在于:所述步骤(3)的拼装式耐火组合窑具包括底板,所述底板的周围设有围条,所述围条相互固定,使底板的周围形成四边形模框。
6.根据权利要求5所述超轻质玻化泡沫陶瓷的制备方法,其特征在于:所述底板和围条采用铝质或粘土质的定型耐火制品或不定型耐火浇注料拼接制成。
7.根据权利要求4所述超轻质玻化泡沫陶瓷的制备方法,其特征在于:所述拼装式耐火组合窑具的内腔铺设表面涂有复合耐火材料的玻璃纤维布,硅酸铝纤维棉毡,硅酸铝棉纸中的一种。
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