CN112592156A - 发泡陶瓷及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种发泡陶瓷及其制备方法和应用，该发泡陶瓷的原料按重量份计包括：抛光渣60～70份、中温砂8～18份、发泡陶瓷细粉5～10份、膨润土2～8份、滑石粒1～5份、花岗岩石粉5～15份、改性土5～25份和发泡剂0.4～1份；改性土的化学组分按重量百分数计为：52～56％SiO2、35～40％Al2O3、1～3％CaO、1.5～2％Fe2O3、0.1～0.3％TiO2、0.1～0.3％MgO、1.5～2.5％K2O、0.8～1.5％Na2O和0.01～0.05％L.O.I。通过选择特定的陶瓷原料并进行科学配比，并加入改性土，使发泡陶瓷的基体强度得到提高，提升了其耐火极限。

Description

发泡陶瓷及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及建筑陶瓷技术领域，具体而言，涉及一种发泡陶瓷及其制备方法和应用。
背景技术
发泡陶瓷是以工业固废和部分尾矿为原料，结合先进烧结工艺和发泡技术而制成的一种高气孔率的闭孔陶瓷体，兼具防火、防老化、隔音、轻质高强及保温隔热性能好等诸多优点，是一种符合节能减排理念的新型环保建筑材料，并在外墙保温板和内墙隔热板的应用上具有广阔前景。然而，目前行业上生产的发泡陶瓷耐火极限时间约0.75h，仅可作为房屋隔墙板使用，无法应用于楼板、疏散楼梯、防火墙或承重墙。因此，如何在满足较佳孔隙结构的要求下，延长发泡陶瓷的耐火极限时间成为目前亟需突破的技术瓶颈。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种发泡陶瓷及其制备方法和应用，以改善上述技术问题。
本发明是这样实现的：
第一方面，本发明提供了一种发泡陶瓷，按重量份计，其原料包括：抛光渣60～70份、中温砂8～18份、发泡陶瓷细粉5～10份、膨润土2～8份、滑石粒1～5份、花岗岩石粉5～15份、改性土5～25份以及发泡剂0.4～1份；
其中，改性土的化学组分按重量百分数计为：52～56％SiO2、35～40％Al2O3、1～3％CaO、1.5～2％Fe2O3、0.1～0.3％TiO2、0.1～0.3％MgO、1.5～2.5％K2O、0.8～1.5％Na2O和0.01～0.05％L.O.I。
第二方面，本发明还提供了上述发泡陶瓷的制备方法，其包括：按照所述原料配比进行烧制，以得到该发泡陶瓷。
第三方面，本发明还提供了上述发泡陶瓷在制备楼板、疏散楼梯或墙体中的应用。
本发明的上述技术方案之一至少具有以下有益效果：通过选择特定的发泡陶瓷原料并进行科学配比，并且在陶瓷原料中添加了特定成分的改性土，有效地增加了发泡陶瓷的孔壁厚度和降低其闭孔直径，以使得发泡陶瓷在保持较佳的孔隙结构的基础上，其基体强度得到提高，从而提升了发泡陶瓷的耐火极限。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为耐火极限试验炉内升温曲线；
图2为本发明实施例3和对比例3的产品的外观对比图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明提供的一种发泡陶瓷及其制备方法和应用进行具体说明。
发明对现有技术进行研究，发现发泡陶瓷在高温受热炸裂而导致的耐火极限较差的原因主要在于：1)发泡陶瓷中大量存在的闭气孔受热膨胀，当孔壁所受应力超过断裂强度时即出现脆性破坏；2)发泡陶瓷内部的玻璃相和晶相中热应力分布不均匀，造成应力集中导致材料失效；3)发泡陶瓷中闭气孔受热膨胀加速玻璃相和晶相中的热应力分布不均，导致炸裂。因此，增强发泡陶瓷的基体强度可作为提升其耐火极限性能的有效手段之一。因此，发明人通过进一步研究和实践提出了以下实施方案。
本发明的一些实施方式提供了一种发泡陶瓷，按重量份计，其原料包括：抛光渣60～70份、中温砂8～18份、发泡陶瓷细粉5～10份、膨润土2～8份、滑石粒1～5份、花岗岩石粉5～15份、改性土5～25份以及发泡剂0.4～1份。其中，改性土的化学组分按重量百分数计为：52～56％SiO2、35～40％Al2O3、1～3％CaO、1.5～2％Fe2O3、0.1～0.3％TiO2、0.1～0.3％MgO、1.5～2.5％K2O、0.8～1.5％Na2O和0.01～0.05％L.O.I。
发明人通过大量研究和实践发现，在发泡陶瓷的配方中添加适量的特定成分的改性土，能够提高晶相和非晶相的界面结合强度、增加闭气孔厚度和降低闭气孔尺寸，再通过选择合适的主料配方的情况下，使得该发泡陶瓷材料在保证孔隙率的情况下，大幅度提升发泡陶瓷的耐火极限。
其中，膨润土可用本领域的一些其他优质黏土替代(例如高岭土)；滑石粒可用含有Mg的黏土、高Mg泥或者其他原料替代(例如镁质土、滑石泥、滑石粘土)；花岗岩石粉可用含K+Na总量在6以上的石粉、长石料替代(例如长石粉)，从原则上看以上起到类似相同作用的物质与本申请上述实施方式的技术方案进行替换后的组合，都应当属于本申请的实质保护范围内。
具体地，在一些实施方式中，为了使得发泡陶瓷的强度和耐火性能达到较优，配方中选择的改性土的化学组分按重量百分比计可为：54.33％SiO2、37.92％Al2O3、2.36％CaO、1.67％Fe2O3、0.20％TiO2、0.21％MgO、2.13％K2O、1.15％Na2O和0.03％L.O.I。
进一步地，发泡陶瓷的性能由各种组分的选择和配比都息息相关，因此，在上述原料配比的设置中，为了使得发泡陶瓷的性能能够达到要求，一些实施方式中，抛光渣、中温砂、发泡陶瓷细粉、膨润土、滑石粒以及花岗岩石粉共同组成发泡陶瓷主料配方料，发泡陶瓷主料配方料的化学组成为：65～69％SiO2、17～20％Al2O3、1～2％Fe2O3、0.1～0.3％TiO2、1～2％CaO、1～2％MgO、1.5～4％K2O、1.5～3％Na2O和2～4％L.O.I。例如，发泡陶瓷主料配方料的化学组成可为：67.88％SiO2、18.47％Al2O3、1.47％Fe2O3、0.17％TiO2、1.28％CaO、1.46％MgO、3.26％K2O、2.38％Na2O和2.90％L.O.I。
发泡剂是使对象物质成孔的物质，而发泡陶瓷其隔热防火性能以及机械性能等都和自身的孔隙结构相关，因此，发泡剂的选择也会对最终的发泡陶瓷的性能产生影响，本发明的一些较佳的实施方式中，陶瓷烧结所用的发泡剂为复合发泡剂，进一步地，发泡剂包括碳化硅和氧化锰，具体的配比可以选择：碳化硅和氧化锰的质量比为6～10：4～7，例如碳化硅和氧化锰的质量比可为6:4、7:5、8:5或9:7等等，优选8:5。
进一步地，为了保证各种原料之间混合的均匀性，进而在造粒和烧结过程中，能够获得更加均匀的孔隙结构，并且发泡陶瓷各部分的成分和结构能够高度一致，因此，一些实施方式中，球磨后的浆料的粒径小于100目。
一些实施方式中，原料中的中温砂包括清南中温砂、抚州钾钠砂中的至少一种。
本发明的一些实施方式还提供了上述发泡陶瓷的制备方法，其包括：按照原料配比进行烧制，以得到发泡陶瓷。通过以上原料配比烧制而成的发泡陶瓷，其具有很好的机械强度和耐火性能，并且制备方法操作简单，节能环保。
为了保证发泡陶瓷的烧制效果，一些实施方式中，需要先将原料混合物进行造粒，再将造粒后的原料颗粒置于模具中烧制。通过造粒的方式可以避免原料之间产生团聚等影响最终烧制的发泡陶瓷的性能。
进一步地，为了使得模具中成型的发泡陶瓷能够具有很好的结构，对造粒的粒径有一定的要求，一般情况下，造粒的原料颗粒的粒径小于20目。需要说明的是造粒可以通过喷雾的方式进行。
其中，为了使得原料充分混合，原料混合物通过以下步骤得到：将按原料配比混合配置得到的粉料进行球磨至粒径小于100目。一些实施方式中，球磨的方式选择湿磨。
具体地，球磨时，原料、球和水的质量比为0.8～1.2：1.3～1.7：0.4～0.6。例如，原料、球和水的质量比1：1.5：0.5。通过合适的料球水的比例，可以使得球磨的效果达到较佳，进而原料之间能够充分混合均匀。
进一步地，在球磨后，对球磨得到的浆料进行干燥，干燥时间可以为40～60min。
进一步地，在发泡陶瓷的烧制过程中，其烧制条件也很大程度上影响了发泡陶瓷的产品性能。本发明的一些实施方式中，烧制步骤包括：20～35℃下保温50～80min，升温至400～450℃，保温75～85min，继续升温至850～950℃，保温70～80min，再升温至1150～1200℃，保温45～55min，然后降温。
例如，一些较佳的实施方式中，烧制步骤包括：室温下保温60min，升温至400℃，保温80min，继续升温至900℃，保温75min，再升温至1182℃，保温50min，然后降温至室温。
通过分步升温的工艺进行烧制，能够使得发泡陶瓷的孔隙结构比较均匀，在400℃以下时，主要是将原料中的自由水进行挥发，而在400～450℃时通过分解结合水和有机物来形成一些气孔，同时，将温度控制到400～450℃能够促进有机物完全分解，消除黑心；另一方面也可以防止因二氧化硅晶型转变、体积膨胀而出现裂纹。而将温度控制在850～950℃能够使得烧制过程中放气完全，逐渐向液性转变而封闭气体。最后再升温至1150～1200℃时，气泡逐渐长大，被封闭气体逐渐膨胀，液相年度变小，使得气孔逐渐变大，形成相应的孔隙结构。
本发明的一些实施方式还公开了一种具体的发泡陶瓷的制备方法，其包括以下步骤：
步骤一：按质量份数称取75～95份发泡陶瓷配方料、5～25份改性土和0.4～1份发泡剂，各原料组分之和为100份。
步骤二：将配制好的粉料放入球磨罐中加水球磨35min，使各组分均匀混合。
步骤三：将球磨后的浆料过100目筛，然后铺陈并置于炉中充分干燥。
步骤四：对干燥后的原料进行制粉、喷雾、造粒。
步骤五：将制好的粉料铺陈于垫有陶瓷纤维纸的模具中，送入可编程箱式炉烧制，烧制程序参见前述实施方式。
本发明的一些实施方式还公开了上述发泡陶瓷在制备楼板、疏散楼梯或墙体中的应用。其中，墙体可以为防火墙或者承重墙。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
以下实施例和对比例中采用的改性土的化学组分按质量分数计均为54.33％SiO2、37.92％Al2O3、2.36％CaO、1.67％Fe2O3、0.20％TiO2、0.21％MgO、2.13％K2O、1.15％Na2O和0.03％L.O.I。
实施例1
本实施例提供了一种延长发泡陶瓷耐火极限时间的制备方法，包含以下步骤：
(1)配制发泡陶瓷主料配方料，所述配方料包含66份新华陶抛光渣、12份抚州钾钠砂、8份金意陶发泡陶瓷细粉、6份膨润土、3份滑石粒和5份花岗岩石粉。
(2)按发泡陶瓷主料配方料与改性土的质量比为90:10称取主料配方料和改性土。
(3)按发泡陶瓷配方料与改性土总重量的0.65％称取复合发泡剂，其中碳化硅和氧化锰的质量比为8:5。
(4)将称取的发泡陶瓷主料配方料、改性土和复合发泡剂粉料全部倒入球磨罐中，按照原料:球:水＝1:1.5:0.5的比例球磨30min。
(5)将球磨后的浆料过100目筛，然后铺陈并置于炉中充分干燥。
(6)对干燥后的原料碾压制粉并喷雾造粒，造粒直径小于20目。
(7)将制好的粉料铺陈在垫有陶瓷纤维纸的模具中，送入可编程箱式炉烧制，烧制程序为室温-(60min)-400℃-(80min)-900℃-(75min)-1180℃-(50min)-炉冷-室温。
(8)取出样品，样品颜色为浅灰色，形状为规则方形，气孔分布均匀。
实施例2：
本实施例提供了一种延长发泡陶瓷耐火极限时间的制备方法，包含以下步骤：
(1)称量发泡陶瓷主料配方料，所述主料配方料包含67份抛光渣、14份抚州钾钠砂、6份金意陶发泡陶瓷细粉、6份膨润土、2份滑石粒和5份花岗岩石粉。
(2)按发泡陶瓷主料配方料与改性土的质量比为85:15称取主料配方料和改性土。
(3)按发泡陶瓷主料配方料与改性土总重量的0.75％称取复合发泡剂，其中碳化硅和氧化锰的质量比为8:5。
(4)将称取的发泡陶瓷主料配方料、改性土和复合发泡剂粉料全部倒入球磨罐中，按照原料:球:水＝1:1.5:0.5的比例球磨30min。
(5)将球磨后的浆料过100目筛，然后铺陈并置于炉中充分干燥。
(6)对干燥后的原料碾压制粉并喷雾造粒，造粒直径小于20目。
(7)将制好的粉料铺陈在垫有陶瓷纤维纸的模具中，送入可编程箱式电阻炉烧结，烧结程序为室温-(60min)-400℃-(80min)-900℃-(75min)-1185℃-(50min)-炉冷-室温。
(8)取出样品，样品颜色为浅灰色，形状为规则方形，气孔分布均匀。
实施例3：
本实施例提供了一种延长发泡陶瓷耐火极限时间的制备方法，包含以下步骤：
(1)称量发泡陶瓷主料配方料，所述主料配方料包含68份抛光渣、13份抚州钾钠砂、7份金意陶发泡陶瓷细粉、5份膨润土、2份滑石粒和5份花岗岩石粉。
(2)按发泡陶瓷主料配方料与改性土的质量比为75：25称取配方土。
(3)按发泡陶瓷主料配方料与改性土总重量的0.85％称取复合发泡剂，其中碳化硅和氧化锰的质量比为8:5。
(4)将称取的发泡陶瓷主料配方料、改性土和复合发泡剂粉料全部倒入球磨罐中，按照原料:球:水＝1:1.5:0.5的比例球磨30min。
(5)将球磨后的浆料过100目筛，然后铺陈并置于炉中充分干燥。
(6)对干燥后的原料碾压制粉并喷雾造粒，造粒直径小于20目。
(7)将制好的粉料铺陈在垫有陶瓷纤维纸的模具中，送入可编程箱式电阻炉烧结，烧结程序为室温-(60min)-400℃-(80min)-900℃-(75min)-1190℃-(50min)-炉冷-室温。
(8)取出样品，样品颜色为浅灰色，形状为规则方形，气孔分布均匀。
对比例1
本对比例提供了一种延长发泡陶瓷耐火极限时间的制备方法，包含以下步骤：
(1)称量发泡陶瓷主料配方料，所述主料配方料包含68份抛光渣、10份抚州钾钠砂、6份金意陶发泡陶瓷细粉、8份膨润土、1份滑石粒和7份花岗岩石粉。
(2)按发泡陶瓷主料配方料与改性土的质量比为10：90称取配方土。
(3)按发泡陶瓷主料配方料与改性土总重量的0.65％称取复合发泡剂，其中碳化硅和氧化锰的质量比为8:5。
(4)将称取的发泡陶瓷主料配方料、改性土和复合发泡剂粉料全部倒入球磨罐中，按照原料:球:水＝1:1.5:0.5的比例球磨30min。
(5)将球磨后的浆料过100目筛，然后铺陈并置于炉中充分干燥。
(6)对干燥后的原料碾压制粉并喷雾造粒，造粒直径小于20目。
(7)将制好的粉料铺陈在垫有陶瓷纤维纸的模具中，送入可编程箱式电阻炉烧结，烧结程序为室温-(60min)-400℃-(80min)-900℃-(75min)-1190℃-(50min)-炉冷-室温。
(8)取出样品，样品颜色接近纯白色，形状不规整，看不到明显气孔。
对比例2
本发明实例提供了一种延长发泡陶瓷耐火极限时间的制备方法，包含以下步骤：
(1)称量发泡陶瓷主料配方料，所述主料配方料包含67份抛光渣、11份抚州钾钠砂、7份金意陶发泡陶瓷细粉、8份膨润土、1份滑石粒和6份花岗岩石粉。
(2)按发泡陶瓷主料配方料与改性土的质量比为50：50称取配方土。
(3)按发泡陶瓷主料配方料与改性土总重量的0.65％称取复合发泡剂，其中碳化硅和氧化锰的质量比为8:5。
(4)将称取的发泡陶瓷主料配方料、改性土和复合发泡剂粉料全部倒入球磨罐中，按照原料:球:水＝1:1.5:0.5的比例球磨30min。
(5)将球磨后的浆料过100目筛，然后铺陈并置于炉中充分干燥。
(6)对干燥后的原料碾压制粉并喷雾造粒，造粒直径小于20目。
(7)将制好的粉料铺陈在垫有陶瓷纤维纸的模具中，送入可编程箱式电阻炉烧结，烧结程序为室温-(60min)-400℃-(80min)-900℃-(75min)-1190℃-(50min)-炉冷-室温。
(8)取出样品，样品颜色为白黄夹杂的不均匀颜色，形状近乎规整，能看到明显气孔，但气孔大小和分布不均匀。
对比例3
本对比例和实施例3不同之处仅在于，未添加改性土。
试验例1
将实施例1-3和对比例1-2的发泡陶瓷的样品进行性能测试，其中，发泡陶瓷耐火极限测试程序符合《GBT 9978.1-2008建筑构件耐火试验方法-第1部分通用要求》，测试用炉内升温曲线如图1所示，其他性能指标采用常规通用测试方法。结果如表1所示。
Figure BDA0002836552910000101
从表1的结果可以看出，对比例1和对比例2由于发泡情况不良，因此，其体积密度都相应较高，其中，对比例1基本看不到明显气孔，对比例2气孔大小分布十分不均匀，不具有平均意义，因此，其没有计量平均孔隙直径，虽然整体强度和耐火极限时间大幅度提高，但是并不满足发泡陶瓷的使用性能的要求。而通过实施例1～3的对比可知，发泡陶瓷的耐火极限时间随改性土含量增加而延长，但若改性土超过适量范围，则成孔性和孔隙率随之下降。
对实施例3和对比例3获得发泡陶瓷进行外观观察，如图2所示，左边为对比例3的产品，右边为实施例3的产品。可见改性土的添加对发泡陶瓷的孔壁增厚和孔隙尺寸降低有显著效果。
综上所述，本发明的实施方式通过在特定的发泡陶瓷主料配方料中添加适量高铝、高硅的改性土，能够提高晶相和非晶相的界面结合强度、增加闭气孔厚度和降低闭气孔尺寸，在保证孔隙率的情况下将发泡陶瓷的耐火极限时间从0.75h延长至高达2.3h。该种制备方法操作简单、节能环保，应用前景广阔。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种发泡陶瓷，其特征在于，按重量份计，其原料包括：抛光渣60～70份、中温砂8～18份、发泡陶瓷细粉5～10份、膨润土2～8份、滑石粒1～5份、花岗岩石粉5～15份、改性土5～25份以及发泡剂0.4～1份；
其中，改性土的化学组分按重量百分数计为：52～56％SiO2、35～40％Al2O3、1～3％CaO、1.5～2％Fe2O3、0.1～0.3％TiO2、0.1～0.3％MgO、1.5～2.5％K2O、0.8～1.5％Na2O和0.01～0.05％L.O.I。
2.根据权利要求1所述的发泡陶瓷，其特征在于，所述改性土的化学组分按重量百分比计为：54.33％SiO2、37.92％Al2O3、2.36％CaO、1.67％Fe2O3、0.20％TiO2、0.21％MgO、2.13％K2O、1.15％Na2O和0.03％L.O.I。
3.根据权利要求1所述的发泡陶瓷，其特征在于，所述抛光渣、所述中温砂、所述发泡陶瓷细粉、所述膨润土、所述滑石粒以及所述花岗岩石粉共同组成发泡陶瓷主料配方料，所述发泡陶瓷主料配方料的化学组成为：65～69％SiO2、17～20％Al2O3、1～2％Fe2O3、0.1～0.3％TiO2、1～2％CaO、1～2％MgO、1.5～4％K2O、1.5～3％Na2O和24％L.O.I；
优选地，所述发泡陶瓷主料配方料的化学组成为：67.88％SiO2、18.47％Al2O3、1.47％Fe2O3、0.17％TiO2、1.28％CaO、1.46％MgO、3.26％K2O、2.38％Na2O和2.90％L.O.I。
4.根据权利要求1～3任一项所述的发泡陶瓷，其特征在于，所述发泡剂为复合发泡剂，优选地，所述发泡剂包括碳化硅和氧化锰，更优选地，所述碳化硅和氧化锰的质量比为6～10：4～7。
5.根据权利要求1～3任一项所述的发泡陶瓷，其特征在于，所述原料球磨后的浆料粒径小于100目。
6.根据权利要求1～3任一项所述的发泡陶瓷，其特征在于，所述中温砂包括清南中温砂、抚州钾钠砂中的至少一种。
7.一种如权利要求1～6任一项所述的发泡陶瓷的制备方法，其特征在于，其包括：按照所述原料的配比进行烧制，以得到所述发泡陶瓷。
8.根据权利要求7所述的发泡陶瓷的制备方法，其特征在于，将原料混合物进行造粒，再将所述造粒后的原料颗粒置于模具中烧制；
优选地，造粒的原料颗粒的粒径小于20目；
优选地，所述原料混合物通过以下步骤得到：将按原料配比混合配置得到的粉料进行球磨至浆料粒径小于100目；
优选地，球磨时，原料、球和水的质量比为0.8～1.2：1.3～1.7：0.4～0.6；
优选地，球磨后，对球磨得到的浆料进行干燥。
9.根据权利要求7或8所述的发泡陶瓷的制备方法，其特征在于，烧制步骤包括：室温下保温50～80min，升温至400～450℃，保温75～85min，继续升温至850～950℃，保温70～80min，再升温至1150～1200℃，保温45～55min，然后降温。
10.如权利要求1～6任一项所述的发泡陶瓷在制备楼板、疏散楼梯或墙体中的应用。
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