CN113387720B - 一种发泡陶瓷保温材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于建筑材料技术领域，提供了一种发泡陶瓷保温材料，按质量份数计，包括如下组分：煤矸石30～90份，钾长石4～64份，助熔剂2～6份，发泡剂0.5～3份。本发明以煤矸石为主要原料，并添加具有助熔作用的钾长石和助熔剂，降低了熔融温度，从而降低了发泡陶瓷保温材料的烧制温度；并且，通过控制助熔剂和发泡剂的用量，使得烧制过程中生成的釉质液相的粘度与发泡剂的产气速率相匹配，充分发挥了发泡剂的发泡效果，保证了材料中气孔的均匀性，从而得到了性能优良的发泡陶瓷保温材料。实施例的结果显示，本发明提供的发泡陶瓷保温材料的体积密度为193.0kg/m3，导热系数为0.07w/(m·k)，烧制温度为850℃。

Description

一种发泡陶瓷保温材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，尤其涉及一种发泡陶瓷保温材料及其制备方法。
背景技术
目前，常见的建筑保温材料有矿棉岩棉、玻璃棉毡、聚氨酯泡沫材料、聚苯乙烯泡沫板、保温砂浆、泡沫玻璃、泡沫陶瓷板等，种类丰富，但是材料的使用情况仍然较为集中，其中，有机保温材料因具有质轻、保温性能好、生产工艺简便、易于施工等优点，占据了保温建材90％的市场份额。然而，随着近年来建筑火灾的频发，有机保温材料防火性能差这一缺点引起了人们的广泛关注。一旦发生火灾，有机保温材料在100℃以上即软化变形，导致火势迅速蔓延，造成难以预计的损失和伤亡。同时，有机保温材料引燃后产生的有毒有害气体在空气中挥发，人体吸入后，易引发多种呼吸道疾病，造成额外的损伤。
相比于有机保温材料，无机保温材料具有使用寿命长、原料来源广泛、防火性能优良、节能环保等优点。目前，常见的无机保温材料主要包括无机轻集料保温板、膨胀玻化微珠无机保温砂浆、发泡水泥保温板、岩棉板、发泡玻璃保温板及发泡陶瓷保温板等。其中，高孔隙率的发泡陶瓷，因具有轻质、高强、低导热系数、阻燃、耐久、隔音以及施工方便等优点，受到了环保、建筑等领域的青睐。
专利CN104671824A公开了一种利用煤矸石制备轻质发泡陶瓷保温材料的方法，以煤矸石为原料，掺加一定质量的矿物原料和化工原料，经球磨混合处理、喷雾造粒、装模、1150～1250℃高温烧结后制得轻质发泡陶瓷保温材料，容重为300～500kg/m3，导热系数为0.06～0.15w/(m·k)，抗压强度为3～12MPa。虽然该专利制得的轻质发泡陶瓷保温材料具有导热系数低、抗压强度高的优点，但密度并不能满足轻质发泡陶瓷的要求(JG/T 511-2017建筑装饰用发泡陶瓷保温板，密度ρ≦280kg/m3)，且烧成温度在1150℃以上，对仪器设备要求较高，增加了生产成本。
再有，专利CN112624791A公开了一种发泡陶瓷及其制备方法和应用，由以下成分制成：碳化硅陶瓷辊棒废料25～40份、抛光废渣15～25份、膨润土3～8份、钾长石10～20份、钠长石10～20份、滑石5～10份、石英砂5～10份和发泡剂0.5～2份。该专利制备的发泡陶瓷的体积密度为527～612kg/m3，烧成温度为1100～1200℃，同样存在密度不满足轻质发泡陶瓷要求和烧成温度高的问题。可见，现有技术制备的发泡陶瓷虽然具有优良的性能，但密度仍无法满足轻质发泡陶瓷的要求，且烧制温度均在1100℃以上。
发明内容
本发明的目的在于提供一种发泡陶瓷保温材料及其制备方法，本发明提供的发泡陶瓷保温材料体积密度小、保温隔热性能好、烧制温度低。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
本发明提供了一种发泡陶瓷保温材料，按质量份数计，包括如下组分：
煤矸石30～90份，钾长石4～64份，助熔剂2～6份和发泡剂0.5～3份。
优选地，按质量份数计，所述发泡陶瓷保温材料包括如下组分：煤矸石50～90份，钾长石4～44份，助熔剂2～6份和发泡剂0.5～3份。
优选地，所述助熔剂包括四硼酸钠、硼酸、氢氧化钠和氢氧化钾中的一种或几种。
优选地，所述发泡剂包括碳化硅、碳酸钠、碳酸钙、碳酸镁和碳粉中的一种或几种。
本发明还提供了上述技术方案所述发泡陶瓷保温材料的制备方法，包括以下步骤：
将煤矸石、钾长石、助熔剂、发泡剂与水混合后进行球磨，得到混合浆料；
将所述混合浆料进行过筛和晾干，得到混合粉料；
将所述混合粉料进行烧制，得到发泡陶瓷保温材料。
优选地，所述水的质量为煤矸石、钾长石、助熔剂和发泡剂总质量的15％～17％。
优选地，所述球磨的时间为3～5h，所述球磨的球料比为1:1～2:1。
优选地，所述过筛所用筛网的目数为80目。
优选地，所述烧制的温度为800～900℃，所述烧制的时间为15～30min。
优选地，升温至所述烧制温度的速率为4～6℃/min。
本发明提供了一种发泡陶瓷保温材料，按质量份数计，包括如下组分：煤矸石30～90份，钾长石4～64份，助熔剂2～6份，发泡剂0.5～3份。本发明以煤矸石为主要原料，并添加具有助熔作用的钾长石和助熔剂，降低了熔融温度，从而降低了发泡陶瓷保温材料的烧制温度；并且，通过控制助熔剂和发泡剂的用量，使得烧制过程中生成的釉质液相的粘度与发泡剂的产气速率相匹配，充分发挥了发泡剂的发泡效果，保证了材料中气孔的均匀性，从而得到了性能优良的发泡陶瓷保温材料。实施例的结果显示，本发明提供的发泡陶瓷保温材料的体积密度为130～230kg/m3，烧制温度为800～900℃，导热系数为0.06～0.09w/(m·k)，抗压强度为2.5～3.3MPa。
附图说明
图1为本发明提供的发泡陶瓷保温材料的制备方法的工艺流程图；
图2为本发明实施例5制备的发泡陶瓷保温材料的形貌图；
图3为本发明实施例3制备的发泡陶瓷保温材料的形貌图；
图4为本发明实施例6制备的发泡陶瓷保温材料的形貌图。
具体实施方式
本发明提供了一种发泡陶瓷保温材料，按质量份数计，包括如下组分：
煤矸石30～90份，钾长石4～64份，助熔剂2～6份和发泡剂0.5～3份。
本发明提供的发泡陶瓷保温材料包括煤矸石30～90份，优选为50～90份，更优选为70～90份。本发明以煤矸石为主要原料，利用了固体废弃物，解决了煤矸石污染环境问题，同时实现了高性能、低成本建筑保温材料的制备。按质量百分比计，本发明所述煤矸石优选包括SiO260.78％，Al2O327.31％，Fe2O35.39％，K2O 2.71％，SO31.42％，TiO21.02％，MgO0.95％，CaO 0.38％和MnO 0.04％。
以煤矸石的质量为30～90份计，本发明提供的发泡陶瓷保温材料包括钾长石4～64份，优选为4～44份，更优选为4～24份。在本发明中，所述钾长石作为辅助原料，起到助熔作用，有利于降低发泡陶瓷保温材料的烧制温度。
以煤矸石的质量为30～90份计，本发明提供的发泡陶瓷保温材料包括助熔剂2～6份，优选为4～6份，更优选为6份。在本发明中，所述助熔剂的使用有利于降低熔融温度，从而降低发泡陶瓷保温材料的烧制温度。在本发明中，所述助熔剂优选包括四硼酸钠、硼酸、氢氧化钠和氢氧化钾中的一种或几种，更优选为四硼酸钠和氢氧化钠。在本发明中，所述助熔剂的用量过多会增加坯体的软化温度，用量过少会降低坯体的软化温度，而软化温度的升高和降低都会使得发泡剂的产气速率与釉质液相粘度匹配度降低，影响发泡剂的发泡效果，使得气孔之间的均匀性变差，最终导致材料体积密度和导热系数的增加。
以煤矸石的质量为30～90份计，本发明提供的发泡陶瓷保温材料包括发泡剂0.5～3份，优选为1～3份，更优选为3份。在本发明中，所述发泡剂优选包括碳化硅、碳酸钠、碳酸钙、碳酸镁和碳粉中的一种或几种，更优选为碳化硅和碳酸钠。在本发明中，所述发泡剂的用量过少，产生气体较少，造成发泡陶瓷保温材料内部孔较少，体积密度较大；发泡剂用量过多又会产生过量气体，使得发泡陶瓷保温材料中出现开口气孔，降低保温性能。
本发明以煤矸石为主要原料，并添加具有助熔作用的钾长石和助熔剂，降低了熔融温度，从而降低了发泡陶瓷保温材料的烧制温度；并且，通过控制助熔剂和发泡剂的用量，使得烧制过程中生成的釉质液相的粘度与发泡剂的产气速率相匹配，充分发挥了发泡剂的发泡效果，保证了材料中气孔的均匀性，从而得到性能优良的发泡陶瓷保温材料。
本发明还提供了上述技术方案所述发泡陶瓷保温材料的制备方法，包括以下步骤：
将煤矸石、钾长石、助熔剂、发泡剂与水混合后进行球磨，得到混合浆料；
将所述混合浆料进行过筛和晾干，得到混合粉料；
将所述混合粉料进行烧制，得到发泡陶瓷保温材料。
本发明将煤矸石、钾长石、助熔剂、发泡剂与水混合后进行球磨，得到混合浆料。本发明对所述煤矸石、钾长石、助熔剂、发泡剂与水混合的方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的制备混合物料的技术方案即可。
在本发明中，所述水的质量优选为煤矸石、钾长石、助熔剂和发泡剂总质量的15％～17％，更优选为15％。在本发明中，所述水作为粉磨助剂，促进球磨的顺利进行。
在本发明中，所述球磨的时间优选为3～5h，更优选为3h；所述球磨的球料比优选为1:1～2:1，更优选为2:1。在本发明中，所述球料比越大，球磨越细，物料混合越均匀，但在一定范围内对发泡陶瓷保温材料的性能影响不大，基于时间成本和仪器要求，将球料比控制在1:1～2:1。在本发明中，所述球磨的装置优选为球磨机。
得到混合浆料后，本发明将所述混合浆料进行过筛和晾干，得到混合粉料。
本发明对所述过筛和晾干的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的过筛和晾干的技术方案即可。在本发明中，所述过筛所用筛网的目数优选为80目。在本发明中，所述晾干优选为自然晾干。
得到混合粉料后，本发明将所述混合粉料进行烧制，得到发泡陶瓷保温材料。
在本发明中，所述烧制的温度优选为800～900℃，更优选为850～900℃；所述烧制的时间优选为15～30min，更优选为20～30min。本发明优选将所述烧制的温度控制在上述范围，当烧制温度低于800℃时，生成的釉质液相较少，且坯体还没有完全熔融，形成气孔量少，导致保温材料的密度较大；当烧制温度高于900℃时，生成的釉质液相增加，釉质液相粘度相对降低，不足以完全包裹住发泡剂在坯体中产生的气体，从而形成大气孔或连通孔，增大了导热系数，导致保温材料的隔热性能较差。
在本发明中，升温至所述烧制温度的速率优选为4～6℃/min，更优选为6℃/min。在本发明中，升温至所述烧制温度的速率过低或过高，会造成坯体软化速率过慢或过快，与发泡剂的产气速率不能很好的匹配，影响发泡陶瓷保温材料内部闭合孔的形成，进而影响发泡陶瓷保温材料的性能。在本发明中，所述烧制的装置优选为铺有氧化铝纤维纸的模具。
本发明提供的发泡陶瓷保温材料的制备方法的工艺流程图如图1所示，先将煤矸石、钾长石、助熔剂、发泡剂与水混合，再进行球磨、过筛和晾干，最后进行烧制，即得发泡陶瓷保温材料。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
将30份煤矸石、64份钾长石、4份四硼酸钠、2份氢氧化钠、1份碳化硅和2份碳酸钠以及占煤矸石、钾长石、助熔剂和发泡剂总质量的15％的水加入球磨机中，控制球料比为2:1，球磨3h，之后过80目筛，自然晾干，得到混合粉料；将上述混合粉料置于铺有氧化铝纤维纸的模具中，按6℃/min的升温速率升温至850℃烧制20min，得到发泡陶瓷保温材料。
实施例2
与实施例1的不同之处在于，煤矸石50份，钾长石44份，其余同实施例1。
实施例3
与实施例1的不同之处在于，煤矸石70份，钾长石24份，其余同实施例1。
实施例4
与实施例1的不同之处在于，煤矸石90份，钾长石4份，其余同实施例1。
对比例1
与实施例1的不同之处在于，煤矸石94份，钾长石0份，其余同实施例1。
实施例5
与实施例3的不同之处在于，烧制温度为800℃，其余同实施例3。
实施例6
与实施例3的不同之处在于，烧制温度为900℃，其余同实施例3。
图2为实施例5制备的发泡陶瓷保温材料的形貌图；图3为实施例3制备的发泡陶瓷保温材料的形貌图；图4为实施例6制备的发泡陶瓷保温材料的形貌图。由图2～4看出，本发明提供的发泡陶瓷保温材料内部含有大量孔结构，且均为闭合孔。
对比例2
与实施例3的不同之处在于，烧制温度为750℃，其余同实施例3。
对比例3
与实施例3的不同之处在于，烧制温度为950℃，其余同实施例3。
对实施例1～6和对比例1～3制备的发泡陶瓷保温材料进行性能测试，结果如表1所示。
表1实施例1～6和对比例1～3制备的发泡陶瓷保温材料的性能
体积密度/kg·m<sup>-3</sup> 抗压强度/MPa 导热系数/W·(m·K)<sup>-1</sup> 吸水率/％
实施例1 132.6 2.5 0.06 1.1
实施例2 161.5 2.8 0.07 0.9
实施例3 193.0 3.0 0.07 0.9
实施例4 230.8 3.3 0.09 1.0
实施例5 231.2 3.2 0.09 1.3
实施例6 171.6 2.7 0.07 0.9
对比例1 420.3 3.7 0.11 2.1
对比例2 304.5 3.5 0.15 1.5
对比例3 153.2 1.8 0.13 0.7
由以上实施例可以看出，本发明提供的发泡陶瓷保温材料体积密度小、保温隔热性能好、烧制温度低，体积密度为130～230kg/m3，烧制温度为800～900℃，导热系数为0.06～0.09w/(m·k)，抗压强度为2.5～3.3MPa，符合JG/T511-2017建筑用发泡陶瓷保温板的规定。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种发泡陶瓷保温材料，按质量份数计，由如下组分组成：
煤矸石30～70份，钾长石24～64份，助熔剂6份和发泡剂3份；所述助熔剂为四硼酸钠和氢氧化钠；
所述发泡陶瓷保温材料的制备方法，包括以下步骤：
将煤矸石、钾长石、助熔剂、发泡剂与水混合后进行球磨，得到混合浆料；
将所述混合浆料依次进行过筛和晾干，得到混合粉料；
将所述混合粉料进行烧制，得到发泡陶瓷保温材料；所述烧制的温度为800～900℃，所述烧制的时间为15～30min。
2.根据权利要求1所述的发泡陶瓷保温材料，其特征在于，所述发泡剂包括碳化硅、碳酸钠、碳酸钙、碳酸镁和碳粉中的一种或几种。
3.权利要求1～2任一项所述发泡陶瓷保温材料的制备方法，包括以下步骤：
将煤矸石、钾长石、助熔剂、发泡剂与水混合后进行球磨，得到混合浆料；
将所述混合浆料依次进行过筛和晾干，得到混合粉料；
将所述混合粉料进行烧制，得到发泡陶瓷保温材料；所述烧制的温度为800～900℃，所述烧制的时间为15～30min。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述水的质量为煤矸石、钾长石、助熔剂和发泡剂总质量的15％～17％。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述球磨的时间为3～5h，所述球磨的球料比为1:1～2:1。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述过筛所用筛网的目数为80目。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，升温至所述烧制温度的速率为4～6℃/min。
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