CN115073203B - 一种具有良好吊挂功能的泡沫陶瓷墙体材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有良好吊挂功能的泡沫陶瓷墙体材料及其制备方法，涉及建筑材料技术领域。该泡沫陶瓷以铁尾矿为主要原料，以石英砂、氧化锆、四硼酸锂、偏硼酸锂和磷酸钠为辅料，以碳化硅为发泡剂，采用粉末烧结法制备工艺制成。该墙体材料由靠近外壁的较小孔隙层和内部的较大孔隙层构成，弥补了普通泡沫陶瓷墙体材料由于其孔壁较薄造成的吊挂功能较差的缺点，自身集围护、保温、防火、吊挂功能于一体，可替代现有墙体材料及外墙保温材料，降低施工成本。同时，本发明的泡沫陶瓷，其主要原料为工业废弃物，较同类产品具有显著的技术与经济优势，可在绿色建材领域广泛运用，具有良好的市场前景。

Description

一种具有良好吊挂功能的泡沫陶瓷墙体材料及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，更具体地说，涉及一种具有良好吊挂功能的泡沫陶瓷墙体材料及其制备方法。
背景技术
随着能源问题的日益严重和可持续发展理念的提出，建筑节能受到前所未有的重视。据住建部2020年统计，建筑能耗占我国总能耗的27％左右，其中，建筑能耗中占较大比重的为建筑的采暖与制冷能耗，而采暖制冷能耗主要取决于建筑物内外环境交换的热量。在建筑物内外环境的热量交换过程中，围护结构的传热损失热量占比高达70％～80％。建筑的围护结构主要包括屋顶、外墙、门窗和楼板等，而围护结构中外墙的传热损失热量所占比例最大，约60％～70％，是能量耗散的主要部位。因此建筑节能的关键在于提高建筑外围护结构中外墙的保温隔热性能。
提高外墙保温性能的措施主要可分为复合保温墙体和自保温墙体两大类。现阶段，我国主要采用外墙外保温技术来提高建筑物墙体的保温隔热性能，外墙外保温技术由于其高效、实用和美观等诸多优点而大量应用在建筑工程中，而外保温材料在使用过程中存在着许多问题，如耐候性及耐久性问题，防火安全问题及抗震问题等。我国相关规范《外墙外保温工程技术标准》JGJ 144-2019中要求，外墙外保温系统应具有不低于25年的寿命，但实际建筑项目效果较差，甚至10年之内已开始脱落。外墙自保温集建筑主体结构和围护结构的保温隔热为一体，与外墙复合保温相比具有较大优势，如造价低、维护费低、外装饰选择性大、与建筑主体同寿命等。新型高效保温耐久的外墙保温构造应以发展自保温墙体构造为方向，推广外墙自保温可以提高能源的利用率，且可节省能源、节省开支、减化施工的复杂性，更符合可持续发展和绿色建筑发展的方向。
与此同时，我国现有铁尾矿总量在50亿吨左右，并且以每年超过3亿吨的速度增长，尾矿的排放造成大量资源流失，占用大面积的耕地，成为潜在的地质灾害源，造成严重的环境污染。作为急需处理的大宗量工业固体废弃物，其综合利用已经成为社会共同关注的问题。由于尾矿中含有石英、石灰石、长石及各类黏土等较有价值的非金属矿物资源，可代替部分天然原料作为生产建筑材料的原料。因此可利用尾矿制备建筑砖、混凝土及多孔陶瓷材料等，其中，利用尾矿制备多孔陶瓷材料尤其是具有良好保温隔热性能的泡沫陶瓷近年来一直受到人们的高度重视和广泛关注。
综上背景，已有学者对利用尾矿等固体废弃物烧制泡沫陶瓷墙体材料展开试验研究。作为一种绿色节能材料，泡沫陶瓷以其高强、轻质、阻燃、耐腐蚀、使用周期长、成本低廉、导热系数低等优点受到越来越广泛的重视。经检索，在利用固体废弃物制备泡沫陶瓷方面已有相关专利公开，如，专利CN103253961A中公开了一种利用铅锌尾矿制备泡沫陶瓷的方法，其制备过程需将物料喷雾干燥，过程较为复杂。专利CN102417368A中公开了一种利用高硅铁尾矿制备泡沫陶瓷的制备方法，其烧结时间周期为28h，耗时过长。且目前已公开的泡沫陶瓷相关专利中，如专利公开号为：CN103121855A、CN108358655A、CN103396157A、CN108383496A等，其所制备的泡沫陶瓷材料为了满足规范的干密度及保温隔热的要求，孔壁普遍较薄且孔径较大，由其砌筑的墙体，吊挂功能较差。此外，目前专利对于制备泡沫陶瓷的模具未作详细介绍，而利用普通的坩埚等模具烧制的成品常面临脱模困难和底部存在隆起等缺点，上述问题严重影响了泡沫陶瓷作为自保温墙体材料的推广应用。
发明内容
1.要解决的问题
本发明的目的在于克服现有技术中利用固体废弃物制备泡沫陶瓷存在的过程复杂、烧结周期过长、成品率低且吊挂功能较差等不足，提供了一种制作过程简单，且具有良好吊挂功能的铁尾矿基自保温泡沫陶瓷墙体材料及其制备方法。采用本发明的技术方案能够有效解决上述问题，绿色环保、经济效益高，拥有广阔的市场前景。
2.技术方案
为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
其一，本发明提供了一种具有良好吊挂功能的泡沫陶瓷墙体材料，由以下重量份的原料制成：铁尾矿50～62份、石英砂28～35份、氧化锆2～5份、磷酸钠1～2份、四硼酸锂和偏硼酸锂混合物2～4份、碳化硅3～6份。
本发明通过对组分及其配比进行优化设计，配合工艺制备，能够生产得到双层孔隙层结构的泡沫陶瓷墙体材料，其中，较小孔隙层中孔洞内径为1～3mm，较大孔隙层中的孔洞内径为3～7mm。采用此结构泡沫陶瓷墙体材料制成的墙体，由于其一侧的孔隙层孔洞开口较小，打进墙体的膨胀螺钉会穿过多个孔洞而被多个孔洞之间的孔壁所承载，进一步增加了膨胀螺钉与墙体的固接面积，使墙体具有更好的吊挂功能。本发明的产品，其在拥有传统泡沫陶瓷轻质、高强、阻燃等诸多优点的基础上，不仅具备良好的吊挂功能，还具备优良的保温性能，可直接替代现有墙体砖材，将保温、围护、防火融为一体，实现建筑轻量化，具有广阔的工程应用前景。
作为本发明的进一步优化，四硼酸锂和偏硼酸锂的质量比为(0.5～2)：1，通过向泡沫陶瓷材料的组分中添加该特定比例的四硼酸锂和偏硼酸锂，可以进一步提高对铁尾矿的熔解度，降低液相温度，并且采用本发明的添加量，可使得原料熔解速率与发泡速率相协调。
此外，本发明中还通过添加磷酸钠，可作为胚料的稳泡剂，使得发泡剂所产生的气泡稳定，减少连通孔的发生，有利于改善孔洞大小及分布。同时，添加的氧化锆可在高温下将四方相相变为单斜相的马氏体相变，从而大大增强材料抵抗裂纹扩展的能力，进而大幅度提高陶瓷强度和韧性。
作为本发明的进一步优化，所述铁尾矿的成分包括SiO252～64％、Fe2O36～9％、MgO 2～3％、Al2O316～18％、SO31～2％、K2O 1～2％、Na2O 6～8％、CaO4～6％。本发明中使用的铁尾矿，其化学成分与陶瓷制品所需原料较为相似，同时，本发明中通过选用该特定成分组成的铁尾矿进行生产，可以代替常规泡沫陶瓷生产原料，不仅有效解决了固废处理难的问题，还能够有效降低泡沫陶瓷的制造成本。
作为本发明的进一步优化，所述石英砂的成分包括SiO294～97％、Fe2O30.5～1％、MgO 0.5～1％、Al2O30.4～1％、CaO1～3％，通过向上述组分中添加该特定组分的石英砂，可弥补原材料中成分缺失，并且采用本发明的添加量，可使泡沫陶瓷液相成分具有较小的表面张力和较高的液相粘度，在避免提高烧结温度的同时具有较好的机械强度。
其二，本发明还提供了上述泡沫陶瓷墙体材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、按质量比称取所用原料，将原料充分混合后进行球磨处理；
步骤二、将步骤一中处理后的原料粉末进行干燥，脱除水分；
步骤三、先在坩埚底部及其四周铺设耐高温纤维纸，然后将干燥后的原料粉末分两次铺设在坩埚中，分批压制成型；
步骤四、对铺设在坩埚内的原料粉末按合适的升温制度进行烧结，烧至烧成温度后进行保温处理；
步骤五、对保温处理后的材料进行冷却降温、脱模、切割，即得到铁尾矿基自保温泡沫陶瓷墙体材料。
作为本发明的进一步优化，步骤一中，采用球磨机进行球磨，原料球磨的细度要求为300～400目；步骤二中，采用烘干箱进行烘干处理，烘干温度设定为105～110℃，烘干后原料粉末的含水率低于0.5％。
作为本发明的进一步优化，步骤三中，所述耐高温纤维纸材质选用氧化铝，通过铺设该材质的耐高温纤维纸，便于烧结后进行脱模，底部及侧壁完整，外观成型质量好，不会出现隆起等缺陷。
作为本发明的进一步优化，步骤三中，分批压制成型时，压力设定规则为：第一次压制为15～20MPa，第二次压制为5～10MPa。
需要说明的是，随着成型压力的提高，烧结过程中原料晶粒之间的流动有所增强，降低了晶粒之间的孔隙率，提高了成品泡沫陶瓷墙体材料的致密程度，从而分批压制成型可制得本发明所需的双层孔隙层结构的泡沫陶瓷墙体材料。而当成型压力超过20MPa时，原料致密度过高，成品泡沫陶瓷墙体材料难以满足轻质化需求。此外，较大孔隙层和较小孔隙层高度可根据实际需求，通过两次模具中原料铺设高度确定。
作为本发明的进一步优化，步骤四中，所述升温制度为自室温以2～5℃/min升温至烧成温度，烧成温度为1100～1175℃。
作为本发明的进一步优化，步骤五中，冷却方式为随炉冷却,冷却速率为10～15℃/min。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明的一种具有良好吊挂功能的泡沫陶瓷墙体材料，通过对其组分及其组分配比进行优化设计，配合工艺，制备出的泡沫陶瓷墙体材料不仅具备高强、轻质、阻燃、耐腐蚀、使用周期长、成本低廉、导热系数低等优点，尤其是得到了具备双层孔隙层结构的产品，其一侧孔隙层中孔洞较小，可提供优良的吊挂功能，其另一侧孔隙层中孔洞较大，具备优异的保温性能。
(2)本发明的一种具有良好吊挂功能的泡沫陶瓷墙体材料，有效解决了现有利用固废物制备的泡沫陶瓷孔壁普遍较薄且孔径较大的不足，由其砌筑的墙体，吊挂功能好，使用寿命长、成本低廉、导热系数低，与传统的外墙外保温体系相比，施工简单，综合工程费用低，从而有利于泡沫陶瓷作为自保温墙体材料的推广应用。
(3)本发明的一种具有良好吊挂功能的泡沫陶瓷墙体材料，使用的铁尾矿为选矿后的废弃物，本发明通过利用铁尾矿制备自保温泡沫陶瓷墙体材料，可促进固体废物的重新再利用，实现资源环境的可持续发展。
(4)本发明的一种具有良好吊挂功能的泡沫陶瓷墙体材料的制备方法，通过对工艺处理及其参数进行优化，制备得到双层孔隙层结构的产品，同时，虽然各层孔隙大小不同，但为相同基础原料一次烧结而成，各层烧成温度和膨胀系数相等，结构稳定，本发明的制备工艺与传统泡沫陶瓷制备方法相比，成型效果良好、易于脱模且无底部隆起、空洞等问题。
附图说明
图1为本发明实施例1所得自保温泡沫陶瓷墙体材料的实物图；
图2为本发明实施例1所得自保温泡沫陶瓷墙体材料的XRD图；
图3为本发明实施例1所得自保温泡沫陶瓷墙体材料的SEM图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明实施例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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例中，铁尾矿松散堆积密度为1730kg/m3，表观密度为2960kg/m3。采用X射线荧光光谱分析(XRF)测得铁尾矿的化学成分如表1所示：
表1铁尾矿主要化学成分(％)
测得石英砂的化学成分如表2所示：
表2石英砂主要化学成分(％)
本实施例的一种具有良好吊挂功能的铁尾矿基自保温泡沫陶瓷墙体材料，由以下重量份的原料制成：铁尾矿50份、石英砂35份、氧化锆5份、磷酸钠2份、四硼酸锂和偏硼酸锂混合物2份、碳化硅6份，其中四硼酸锂和偏硼酸锂的质量比为2:1。
采用以下步骤进行制备：
(1)按质量比称取所用原料，将原料充分混合后置于球磨机中球磨；
(2)检查球磨后原料细度是否满足300～400目要求，满足要求则进入下一步工序，否则继续球磨；球磨后在烘干箱中进行烘干，烘干温度设定为108℃
(3)取球磨干燥后粉末分2次置于底面及四周铺有耐高温纤维纸的坩埚中，并以20MPa和10MPa分批压制成型。
(4)将铺设好原料的模具置于马弗炉，控制烧成制度为自室温以3℃/min升温至1100℃，保温30min后随炉冷却至室温，冷却速率为13℃/min，经脱模切割后即得到成品。
实施例1中所得的成品实物图如图1所示，其较小孔隙层中孔洞内径为1～3mm，较大孔隙层中的孔洞内径为3～7mm。较大孔隙层和较小孔隙层厚度可通过两次模具中原料铺设高度进行调节控制。
图2为实施例1中成品的XRD图，主晶相为石英，属于陶瓷材料常见晶体，因而本发明所制备泡沫陶瓷材料具有与陶瓷、玻璃材料相似的耐久性。
图3为实施例1中成品的SEM图，其孔结构复杂多样，大小气孔共存，大气孔内部及孔壁上存在少量小气孔。该结构为良好的闭气孔结构，这些微小闭气孔的存在可使得泡沫陶瓷导热系数降低，有利于提高其保温隔热性能，且闭气孔对提升泡沫陶瓷的力学性能有重要作用。
实施例2
本实施例中，铁尾矿和石英砂的化学成分如下所示：
本实施例的一种具有良好吊挂功能的铁尾矿基自保温泡沫陶瓷墙体材料，由以下重量份的原料制成：铁尾矿55份、石英砂32份、氧化锆4份、磷酸钠2份、四硼酸锂和偏硼酸锂混合物2份、碳化硅5份，其中四硼酸锂和偏硼酸锂的质量比为1:1。
采用以下步骤进行制备：
(1)按质量比称取所用原料，将原料充分混合后置于球磨机中球磨；
(2)检查球磨后原料细度是否满足300～400目要求，满足要求则进入下一步工序，否则继续球磨；球磨后在烘干箱中进行烘干，烘干温度设定为105℃
(3)取球磨干燥后粉末分2次置于底面及四周铺有耐高温纤维纸的坩埚中，并以18MPa和8MPa分批压制成型。
(4)将铺设好原料的模具置于马弗炉，控制烧成制度为自室温以2℃/min升温至1125℃，保温20min后随炉冷却至室温，冷却速率为13℃/min，经脱模切割后即得到成品。
本实施例中所得的成品，其外观、结构组织及性能基本同实施例1。
实施例3
本实施例中，铁尾矿和石英砂的化学成分如下所示：
本实施例的一种具有良好吊挂功能的铁尾矿基自保温泡沫陶瓷墙体材料，由以下重量份的原料制成：铁尾矿58份、石英砂30份、氧化锆2份、磷酸钠2份、四硼酸锂和偏硼酸锂混合物4份、碳化硅4份，其中四硼酸锂和偏硼酸锂的质量比为2:1。
采用以下步骤进行制备：
(1)按质量比称取所用原料，将原料充分混合后置于球磨机中球磨；
(2)检查球磨后原料细度是否满足300目要求，满足要求则进入下一步工序，否则继续球磨；球磨后在烘干箱中进行烘干，烘干温度设定为109℃
(3)取球磨干燥后粉末分2次置于底面及四周铺有耐高温纤维纸的坩埚中，并以16MPa和6MPa分批压制成型。
(4)将铺设好原料的模具置于马弗炉，控制烧成制度为自室温以4℃/min升温至1150℃，保温20min后随炉冷却至室温，冷却速率为10℃/min，经脱模切割后即得到成品。
本实施例中所得的成品，其外观、结构组织及性能基本同实施例1。
实施例4
本实施例中，铁尾矿和石英砂的化学成分如下所示：
本实施例的一种具有良好吊挂功能的铁尾矿基自保温泡沫陶瓷墙体材料，由以下重量份的原料制成：铁尾矿62份、石英砂28份、氧化锆2份、磷酸钠2份、四硼酸锂和偏硼酸锂混合物3份、碳化硅3份，其中四硼酸锂和偏硼酸锂的质量比为0.5:1。
采用以下步骤进行制备：
(1)按质量比称取所用原料，将原料充分混合后置于球磨机中球磨；
(2)检查球磨后原料细度是否满足300目要求，满足要求则进入下一步工序，否则继续球磨；球磨后在烘干箱中进行烘干，烘干温度设定为110℃。
(3)取球磨干燥后粉末分2次置于底面及四周铺有耐高温纤维纸的坩埚中，并以15MPa和5MPa分批压制成型。
(4)将铺设好原料的模具置于马弗炉，控制烧成制度为自室温以5℃/min升温至1175℃，保温15min后随炉冷却至室温，冷却速率为15℃/min，经脱模切割后即得到成品。
本实施例中所得的成品，其外观、结构组织及性能基本同实施例1。
对上述实施例1-4中所得成品进行性能检测：
根据国家标准GB 26538-2011《烧结保温砖和保温砌块》的检验方法，将实施例1～4中制备的自保温泡沫陶瓷墙体材料制备成390mm×190mm×190mm的试块，检测其干密度与抗压强度，检测结果见表3。
表3自保温泡沫陶瓷墙体材料干密度及抗压强度
如表3所示，本发明利用铁尾矿制备自保温泡沫陶瓷墙体材料的抗压强度可达到MU2.5砖的2倍，是一种理想的具有自承重的保温、防火建筑墙体材料。

Claims (8)

1.一种具有良好吊挂功能的泡沫陶瓷墙体材料，其特征在于：其由双层孔隙层组成，较小孔隙层中孔洞内径为1～3mm，较大孔隙层中的孔洞内径为3～7mm；该泡沫陶瓷材料由以下重量份的原料制成：铁尾矿50～62份、石英砂28～35份、氧化锆2～5份、磷酸钠1～2份、四硼酸锂和偏硼酸锂混合物2～4份、碳化硅3～6份；四硼酸锂和偏硼酸锂的质量比为(0.5～2)：1；
制备方法如下：
步骤一、按质量比称取所用原料，将原料充分混合后进行球磨处理；
步骤二、将步骤一中处理后的原料粉末进行干燥，脱除水分；
步骤三、先在坩埚底部及其四周铺设耐高温纤维纸，然后将干燥后的原料粉末分两次铺设在坩埚中，每次铺设后，以设定压力压制成型；分批压制成型时，压力设定规则为：第一次压制为15～20MPa，第二次压制为5～10MPa；
步骤四、对铺设在坩埚内的原料粉末按合适的升温制度进行烧结，烧至烧成温度后进行保温处理；
步骤五、对保温处理后的材料进行冷却降温、脱模、切割，即得到铁尾矿基自保温泡沫陶瓷墙体材料。
2.根据权利要求1所述的一种具有良好吊挂功能的泡沫陶瓷墙体材料，其特征在于：所述铁尾矿的成分包括SiO2 52～64％、Fe2O3 6～9％、MgO 2～3％、Al2O3 16～18％、SO3 1～2％、K2O 1～2％、Na2O 6～8％、CaO 4～6％。
3.根据权利要求1所述的一种具有良好吊挂功能的泡沫陶瓷墙体材料，其特征在于：所述石英砂的成分包括SiO2 94～97％、Fe2O3 0.5～1％、MgO 0.5～1％、Al2O3 0.4～1％、CaO1～3％。
4.一种如权利要求1-3中任一项所述的具有良好吊挂功能的泡沫陶瓷墙体材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、按质量比称取所用原料，将原料充分混合后进行球磨处理；
步骤二、将步骤一中处理后的原料粉末进行干燥，脱除水分；
步骤三、先在坩埚底部及其四周铺设耐高温纤维纸，然后将干燥后的原料粉末分两次铺设在坩埚中，每次铺设后，以设定压力压制成型；分批压制成型时，压力设定规则为：第一次压制为15～20MPa，第二次压制为5～10MPa；
步骤四、对铺设在坩埚内的原料粉末按合适的升温制度进行烧结，烧至烧成温度后进行保温处理；
步骤五、对保温处理后的材料进行冷却降温、脱模、切割，即得到铁尾矿基自保温泡沫陶瓷墙体材料。
5.根据权利要求4所述的一种具有良好吊挂功能的泡沫陶瓷墙体材料的制备方法，其特征在于：步骤一中，采用球磨机进行球磨，原料球磨的细度要求为300～400目；步骤二中，采用烘干箱进行烘干处理，烘干温度设定为105～110℃，烘干后原料粉末的含水率低于0.5％。
6.根据权利要求4所述的一种具有良好吊挂功能的泡沫陶瓷墙体材料的制备方法，其特征在于：步骤三中，所述耐高温纤维纸材质选用氧化铝。
7.根据权利要求4所述的一种具有良好吊挂功能的泡沫陶瓷墙体材料的制备方法，其特征在于：步骤四中，所述升温制度为自室温以2～5℃/min升温至烧成温度，烧成温度为1100～1175℃。
8.根据权利要求4所述的一种具有良好吊挂功能的泡沫陶瓷墙体材料的制备方法，其特征在于：步骤五中，冷却方式为随炉冷却，冷却速率为10～15℃/min。
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