CN115180921A - 一种吸音泡沫陶瓷的制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种吸音泡沫陶瓷的制备方法和应用，属于建筑技术领域。本发明的吸音泡沫陶瓷具有轻质、高强、孔径小且均匀、低成本等特点，体积密度为1.19～2.07g/cm3，抗压强度为3.5～10MPa，孔径大小为2～450μm，显气孔率为25％～60％，1h吸水率为10％～50％，满足吸音泡沫陶瓷的使用要求，且拥有较好的气孔结构。本发明的吸音泡沫陶瓷中，90％以上的原料为工业固体固废和建筑固废，制备成本低，本发明的吸音泡沫陶瓷性能优异，可制作高性能陶瓷隔音砖，为工业固废和建筑废料的资源化利用提供了有效途径。
Description
技术领域
本发明涉及建筑技术领域，尤其涉及一种吸音泡沫陶瓷及其制备方法和应用。
背景技术
泡沫陶瓷是具有特殊三维孔隙结构的无机材料，具有轻质、高强、耐腐蚀、抗震性好、空隙率高和保温性能好等特点，因而被广泛应用于建材、化工过滤、石油开采等领域。目前，用于建材的泡沫陶瓷占泡沫陶瓷总产量的70％以上，传统生产泡沫陶瓷的原材料紧缺，价格昂贵，致使泡沫陶瓷产业的附加值低，产业规模萎缩，急需寻找新的原材料及高附加值制备工艺，提高泡沫陶瓷产业的附加值。
随着泡沫陶瓷材料性能的不断研究，其应用扩大至声学降噪领域。泡沫陶瓷的吸音性能在于通过一定的成型工艺，使泡沫陶瓷由内至外产生大量连通的微小孔隙。根据小孔吸音的原理，入射声波进入微小孔隙内部，引起空气振动，使得空气摩擦与粘滞，声波由动能不断转化为热能，使声波能量逐步衰减，达到降低噪声的目的。因此，泡沫陶瓷的孔隙率及孔形状对于泡沫陶瓷的降噪性能具有很大影响。
近些年来，由于现有降噪措施无法满足相关标准，高铁、地铁等交通工程开始逐渐使用泡沫陶瓷吸音板、声屏障，使得轨道噪音大大降低，泡沫陶瓷吸音板大有逐渐推广之势。在高铁和地铁建设工程中，泡沫陶瓷用于声屏障和吸音板用量巨大，每公里道路的声屏障或吸音板需泡沫陶瓷200方。相对于以往泡沫陶瓷主要用作建材，将泡沫陶瓷用于生产吸音板使得泡沫陶瓷具有更高的产业附加值。
然而，现有泡沫陶瓷的性能存在以下主要问题：一是无法做到轻质高强，现有大部分泡沫陶瓷可达到规范对轻集料低密度的要求，但筒压强度较低，仅为2Mpa左右，不仅不能保证混凝土建筑物的耐久性，更加不能抵抗轨道高强气流的冲击力；二是现有泡沫陶瓷均为普通轻质泡沫陶瓷，一般都不具有大量微小连通的空隙，显孔率偏低，孔大小不等，均匀性差，泡沫陶瓷的降噪性能十分有限，无法满足建筑吸音产品的相关要求；三是现有泡沫陶瓷的球度和圆度不够，大都为椭球状或者是棱角状，对降噪效果有较大影响。因此，急需研发出一种价格低廉且轻质高强的吸音泡沫陶瓷，满足建筑工程，特别是轨道交通工程。
发明内容
本发明的目的在于提供一种吸音泡沫陶瓷的制备方法和性能研究，该吸音泡沫陶瓷显孔率高，孔径均匀，具有优异的吸音性能。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种吸音泡沫陶瓷，包括以下质量百分含量的制备原料：赤泥60～70％，石英砂30～40％，聚苯乙烯泡沫0.1～1％；
所述吸音泡沫陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
将处理过的赤泥、石英砂、聚苯乙烯泡沫混合均匀，得到混合物料；
将所述混合物依次进行注塑成型、烘干和烧结，得到吸音泡沫陶瓷；
所述烧结包括：自室温第一次升温至200～300℃，恒温5～10min，再第二次升温至1000～1100℃，恒温100～120min。
优选的，所述赤泥中的氧化物包括以下质量百分含量的组分：SiO2 5～40％，Al2O35～30％， CaO 1～50％，Fe2O3 5～30％，MgO 0.01～10％，TiO2 0.01～20％。
优选的，所述石英砂中的氧化物包括以下质量百分含量的组分：SiO2 30～90％，Al2O3 0.01～0.1％，MgO 1～1.5％。
优选的，所述聚苯乙烯泡沫为0.3～0.6mm、0.5～0.8mm、1.0～2.0mm、2.0～3.0mm中的一种或多种。
本发明提供了上述技术方案所述吸音泡沫陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
将处理过的赤泥、石英砂、聚苯乙烯泡沫混合均匀，得到混合物料；
将所述混合物依次进行注塑成型、烘干和烧结，得到吸音泡沫陶瓷；
所述烧结包括：自室温第一次升温至200～300℃，恒温5～10min，再第二次升温至1000～1100℃，恒温100～120min。
优选的，注塑成型后，所得物料的孔径大小为2～450μm。
优选的，所述第一升温、第二升温的升温速率独立为3～8℃/min。
本发明提供了上述技术方案所述吸音泡沫陶瓷或上述技术方案所述制备方法制备得到的吸音泡沫陶瓷在陶瓷隔音砖中的应用。
本发明提供了一种吸音泡沫陶瓷，包括以下质量百分含量的制备原料：赤泥60～70％，石英砂30～40％，聚苯乙烯泡沫0.1～1％；所述吸音泡沫陶瓷的制备方法，包括以下步骤：将处理过的赤泥、石英砂、聚苯乙烯泡沫混合均匀，得到混合物料；将所述混合物依次进行注塑成型、烘干和烧结，得到吸音泡沫陶瓷。
吸音泡沫陶瓷的吸音性能主要由陶瓷的微孔数量和大小决定，一般微孔数量越多，显孔率越高，孔均匀性越好，吸音性能越高，本发明中的原料聚苯乙烯泡沫作为造孔剂，本发明通过调控原料的比例来调控陶瓷的孔隙率、孔径大小及孔均匀性。
本发明通过优化原料的组分配比和烧结制度，得到的吸音泡沫陶瓷具有轻质、高强、孔径小且均匀、低成本等特点，体积密度为1.19～2.07g/cm3，抗压强度为3.5～10MPa，孔径大小为2～450μm，显气孔率为25％～60％，1h吸水率为10％～50％。
本发明的吸音泡沫陶瓷中，90％以上的原料为工业固废或建筑固废，制备成本低，而且高效利用赤泥，工业固废利用率可达95％以上，不仅大量减少工业固废的堆存量，而且实现了工业固废的高附加值利用。
本发明的吸音泡沫陶瓷吸音性能优异，可制作吸音陶瓷砖，为工业固废和建筑废料的资源化利用提供了有效途径。
具体实施方式
本发明采用有机物造孔剂燃失法制备吸音泡沫陶瓷，主要原料包括：
赤泥为主要原料，石英砂为辅料，聚苯乙烯泡沫为造孔剂；
本发明采用有机物造孔剂燃失法原理制备吸音泡沫陶瓷制品，采用注塑成型法对陶瓷坯体成型。赤泥与石英砂配比采用70wt％：30wt％进行配料，烧结温度设置为1100℃，实验添加水的质量为18g。赤泥熔点一般在1200℃～1250℃，故烧结温度符合要求。吸音泡沫陶瓷样品的工艺流程如下:
原料制备→原料称量→混匀→造粒→成型→干燥→脱模→继续干燥→烧结
以上所述吸音泡沫陶瓷制备方法，包括以下步骤:
将赤泥、石英砂等原料球磨、过200目标准筛处理，以达到实验要求。
将处理过的赤泥、石英砂、聚苯乙烯泡沫按照实验配比进行称量(结果精确到0.01g)，并手动搅拌赤泥、石英砂至混合均匀；
将水加入赤泥和石英砂的混合料进行造粒并充分搅拌，然后将造孔剂与泥料混合，并搅拌至均匀状态。模具内壁均匀涂抹凡士林后，将含有造孔剂的混合料注入模具中，并用玻璃棒对混合料振实，用光滑玻璃片对坯体上表面刮平，使得坯体上表面尽可能平整且与下表面平行，依次完成4～5个坯体。紧接着将陶瓷坯体连同模具一同放入70℃电热恒温鼓风干燥箱中干燥2.5h，此时坯体发生收缩可进行脱模，脱模后将陶瓷坯体放入70℃鼓风干燥箱中继续干燥18h～20h。干燥完成后将陶瓷坯体放入箱式高温烧结炉中进行烧结(烧结炉内下表面需铺一层氧化铝粉，以防止制品烧结过程中对炉壁损坏)，烧结制度为：升温速率3℃/min，其中在200℃保温5min，最高温度1100℃，并在1100℃保温2h，烧结结束后随炉冷却。
将试样进行上、下表面研磨，使试样上、下表面尽可能平整及相互平行，然后对样品进行表面清洁，并放入70℃恒温干燥箱干燥24h，干燥完成后将试样装袋备用，待后续进行各项性能检测。
(1)通过添加0.3～0.5mm、0.5～0.8mm、1.0～2.0mm、2.0～3.0mm粒径的聚苯乙烯泡沫进行造孔，研究在相同聚苯乙烯泡沫配比的条件下，不同粒径的泡沫颗粒对泡沫陶瓷各性能的影响。
(2)通过添加0.2wt％、0.4wt％、0.6wt％、0.8wt％、1.0wt％配比的聚苯乙烯泡沫进行造孔，研究在相同聚苯乙烯泡沫粒径的条件下，不同配比的泡沫颗粒对吸音泡沫陶瓷各性能的影响。
在赤泥、石英砂配比和烧结制度相同的条件下，添加四种不同粒径范围的聚苯乙烯泡沫作为造孔剂，试样体积密度随造孔剂的添加量变化趋势如下：
吸音泡沫陶瓷显气孔率和吸水率均随造孔剂添加量的增加而增大。造孔剂添加量增加导致泡沫颗粒的总体积增加，吸音泡沫陶瓷中的气孔总体积随之增加，且气孔数量的增加更容易形成贯通气孔，吸音泡沫陶瓷的显气孔率上升，使陶瓷的贯通气孔增加，进而在煮沸过程中陶瓷的吸水能力增强。实验得到在添加量为1.0wt％的0.3～0.6mm粒径的聚苯乙烯泡沫作为造孔剂时得到吸音泡沫陶瓷显气孔率最大，为57.99％，此时的吸水率也达到最大，为 47.64％，而在赤泥、石英砂配比与烧结制度不变的情况下，不添加造孔剂的陶瓷试样显气孔率为25.84％，吸水率为12.19％。以造孔剂添加量为0.6wt％观察各粒径造孔剂对试样体积密度、显气孔率及吸水率的影响，可以知道，试样体积密度随造孔剂粒径增大而增大，显气孔率和吸水率随造孔剂粒径增大而减小。这是因为泡沫颗粒粒径越小，在相同配比下颗粒数量越多，造孔剂的总体积增大，因此在陶瓷坯体中留下的孔洞也会增多，表现为体积密度降低，显气孔率、吸水率增大。
吸音泡沫陶瓷试样的抗压强度随聚苯乙烯泡沫造孔剂粒径的增加呈正态分布，其中在造孔剂粒径为0.5～0.8mm时，各个吸音泡沫陶瓷试样的抗压强度较高。气孔数量、孔径及分布情况是影响试样抗压强度的重要因素，从试样的形貌分析可以看到0.5～0.8mm粒径的造孔剂制备的试样中的气孔分布密集程度和大气孔间的平均孔壁厚度较为适中，有利于提高试样的力学性能，而随着造孔剂粒径的增大，吸音泡沫陶瓷中的大气孔径也增大，不利于提高试样的力学性能。在造孔剂配比为1.0wt％的试样抗压强度上增加误差棒，可以发现同一组试样的抗压强度变化范围较小，具有良好力学稳定性。
根据《GB/T16533-1996多孔陶瓷产品通用技术条件》中规定，多孔陶瓷产品的压缩强度平均值应大于8MPa；对于陶土质产品或气孔率大于70％的产品，压缩强度平均值应不低于3.5MPa。本实验试样的显气孔率均小于70％，且综合上述各组试样的体积密度、显气孔率及抗压强度性能，分析得出B5组(聚苯乙烯泡沫粒径为0.5～0.8mm，添加量为1.0％)试样满足通用技术条件且性能最优异，即体积密度为1.19g/cm3，显气孔率为57.99％，抗压强度为9.70MPa。
在本发明中，所述赤泥中还包括其它组分0～10％，其中其它组分包括钠和钾的氧化物、部分重金属氧化物、部分稀土氧化物及部分有机物等。赤泥是制铝工业提取氧化铝时排放的强碱性废渣，本发明利用赤泥作为吸音泡沫陶瓷的原料，可以提高吸音泡沫陶瓷的强度；此外，利用赤泥不仅可以有效利用工业固废，减少天然原料的消耗，且具有非常广阔的社会效益和经济价值。
此外利用赤泥作为主要成分，固废利用率高，不仅能够大量减少工业固废的堆存量，而且能够实现工业固废的高附加值利用。
本发明提供了上述技术方案所述吸音泡沫陶瓷或上述技术方案所述制备方法制备得到的吸音泡沫陶瓷在建筑主体材料、公路隔音墙、铁路噪音防护中的应用。本发明对所述应用的方法没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方法即可。
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。
以下实施例中所用赤泥采用广西平果铝业有限公司的赤泥，经过常规的分离、烘干和均匀化处理后，对其化学成分进行鉴定分析，赤泥中的氧化物的主要组分(包括烧失量)的质量百分比为：SiO2 5～40％，Al2O3 5～30％，CaO 1～50％，Fe2O3 5～30％，MgO 0.01～10％，TiO2 0.01～20％。
以下实施例中所用煤矸石采用广西、云南或山西产的石英砂，经过常规的分离、烘干和均匀化处理后，对其化学成分进行鉴定分析，石英砂中的氧化物的主要组分(包括烧失量) 的质量百分比为：SiO2 30～90％，Al2O3 0.01～0.1％，MgO 1～1.5％。
实施例1
将赤泥、石英砂等原料球磨、过200目标准筛处理，以达到实验要求。将处理过的赤泥、石英砂、聚苯乙烯泡沫按照实验配比进行称量(结果精确到0.01g)，并手动搅拌赤泥、石英砂至混合均匀；
将水加入赤泥和石英砂的混合料进行造粒并充分搅拌，然后将造孔剂与泥料混合，并搅拌至均匀状态。模具内壁均匀涂抹凡士林后，将含有造孔剂的混合料注入模具中，并用玻璃棒对混合料振实，用光滑玻璃片对坯体上表面刮平，使得坯体上表面尽可能平整且与下表面平行，依次完成4～5个坯体。紧接着将陶瓷坯体连同模具一同放入70℃电热恒温鼓风干燥箱中干燥2.5h，此时坯体发生收缩可进行脱模，脱模后将陶瓷坯体放入70℃鼓风干燥箱中继续干燥18h～20h。干燥完成后将陶瓷坯体放入箱式高温烧结炉中进行烧结(烧结炉内下表面需铺一层氧化铝粉，以防止制品烧结过程中对炉壁损坏)，烧结制度为：升温速率3℃/min，其中在200℃保温5min，最高温度1100℃，并在1100℃保温2h，烧结结束后随炉冷却。将试样进行上、下表面研磨，使试样上、下表面尽可能平整及相互平行，然后对样品进行表面清洁，并放入70℃恒温干燥箱干燥24h。
根据《GB/T16533-1996多孔陶瓷产品通用技术条件》中规定，多孔陶瓷产品的压缩强度平均值应大于8MPa；对于陶土质产品或气孔率大于70％的产品，压缩强度平均值应不低于3.5MPa。本实验试样的显气孔率均小于70％，且综合上述各组试样的体积密度、显气孔率及抗压强度性能，分析得出即体积密度为2.07g/cm3，显气孔率为25.84％，抗压强度为49.72MPa,满足吸音泡沫陶瓷的使用要求，且拥有较好的气孔结构。
实施例2
将赤泥、石英砂等原料球磨、过200目标准筛处理，以达到实验要求。将处理过的赤泥、石英砂、聚苯乙烯泡沫按照实验配比进行称量(结果精确到0.01g)，并手动搅拌赤泥、石英砂至混合均匀；
将水加入赤泥和石英砂的混合料进行造粒并充分搅拌，然后将造孔剂与泥料混合，并搅拌至均匀状态。模具内壁均匀涂抹凡士林后，将含有造孔剂的混合料注入模具中，并用玻璃棒对混合料振实，用光滑玻璃片对坯体上表面刮平，使得坯体上表面尽可能平整且与下表面平行，依次完成4～5个坯体。紧接着将陶瓷坯体连同模具一同放入70℃电热恒温鼓风干燥箱中干燥2.5h，此时坯体发生收缩可进行脱模，脱模后将陶瓷坯体放入70℃鼓风干燥箱中继续干燥18h～20h。干燥完成后将陶瓷坯体放入箱式高温烧结炉中进行烧结(烧结炉内下表面需铺一层氧化铝粉，以防止制品烧结过程中对炉壁损坏)，烧结制度为：升温速率3℃/min，其中在200℃保温5min，最高温度1100℃，并在1100℃保温2h，烧结结束后随炉冷却。将试样进行上、下表面研磨，使试样上、下表面尽可能平整及相互平行，然后对样品进行表面清洁，并放入70℃恒温干燥箱干燥24h。
根据《GB/T16533-1996多孔陶瓷产品通用技术条件》中规定，多孔陶瓷产品的压缩强度平均值应大于8MPa；对于陶土质产品或气孔率大于70％的产品，压缩强度平均值应不低于3.5MPa。本实验试样的显气孔率均小于70％，且综合上述各组试样的体积密度、显气孔率及抗压强度性能，分析得出即体积密度为1.57g/cm3，显气孔率为43.48％，抗压强度为16.78MPa,满足吸音泡沫陶瓷的使用要求，且拥有较好的气孔结构。
实施例3
将赤泥、石英砂等原料球磨、过200目标准筛处理，以达到实验要求。将处理过的赤泥、石英砂、聚苯乙烯泡沫按照实验配比进行称量(结果精确到0.01g)，并手动搅拌赤泥、石英砂至混合均匀；
将水加入赤泥和石英砂的混合料进行造粒并充分搅拌，然后将造孔剂与泥料混合，并搅拌至均匀状态。模具内壁均匀涂抹凡士林后，将含有造孔剂的混合料注入模具中，并用玻璃棒对混合料振实，用光滑玻璃片对坯体上表面刮平，使得坯体上表面尽可能平整且与下表面平行，依次完成4～5个坯体。紧接着将陶瓷坯体连同模具一同放入70℃电热恒温鼓风干燥箱中干燥2.5h，此时坯体发生收缩可进行脱模，脱模后将陶瓷坯体放入70℃鼓风干燥箱中继续干燥18h～20h。干燥完成后将陶瓷坯体放入箱式高温烧结炉中进行烧结(烧结炉内下表面需铺一层氧化铝粉，以防止制品烧结过程中对炉壁损坏)，烧结制度为：升温速率3℃/min，其中在200℃保温5min，最高温度1100℃，并在1100℃保温2h，烧结结束后随炉冷却。将试样进行上、下表面研磨，使试样上、下表面尽可能平整及相互平行，然后对样品进行表面清洁，并放入70℃恒温干燥箱干燥24h。
根据《GB/T16533-1996多孔陶瓷产品通用技术条件》中规定，多孔陶瓷产品的压缩强度平均值应大于8MPa；对于陶土质产品或气孔率大于70％的产品，压缩强度平均值应不低于 3.5MPa。本实验试样的显气孔率均小于70％，且综合上述各组试样的体积密度、显气孔率及抗压强度性能，分析得出即体积密度为1.19g/cm3，显气孔率为57.99％，抗压强度为9.7MPa, 满足吸音泡沫陶瓷的使用要求，且拥有较好的气孔结构。
将由以上实施例可知，本发明的吸音泡沫陶瓷中存在许多分布较均匀的小气孔，吸音泡沫陶瓷的物相组成不随造孔剂添加量的改变而改变，添加1.0wt％的0.5-0.8mm粒径的造孔剂时性能最优，此时吸音泡沫陶瓷的体积密度为1.19g/cm3，显气孔率为57.99％，抗压强度为 9.70MPa吸水率为47.64％，满足吸音泡沫陶瓷的使用要求，且拥有较好的气孔结构。
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 (8)
1.一种吸音泡沫陶瓷，其特征在于，包括以下质量百分含量的制备原料：赤泥60～70％，石英砂30～40％，聚苯乙烯泡沫0.1～1％；
所述吸音泡沫陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
将处理过的赤泥、石英砂、聚苯乙烯泡沫混合均匀，得到混合物料；
将所述混合物依次进行注塑成型、烘干和烧结，得到吸音泡沫陶瓷；
所述烧结包括：自室温第一次升温至200～300℃，恒温5～10min，再第二次升温至1000～1100℃，恒温100～120min。
2.根据权利要求1所述的吸音泡沫陶瓷，其特征在于，所述赤泥中的氧化物包括以下质量百分含量的组分：SiO2 5～40％，Al2O3 5～30％，CaO 1～50％，Fe2O3 5～30％，MgO 0.01～10％，TiO2 0.01～20％。
3.根据权利要求1所述的吸音泡沫陶瓷，其特征在于，所述石英砂中的氧化物包括以下质量百分含量的组分：SiO2 30～90％，Al2O3 0.01～0.1％，MgO 1～1.5％。
4.根据权利要求1所述的吸音泡沫陶瓷，其特征在于，所述聚苯乙烯泡沫为0.3～0.6mm、0.5～0.8mm、1.0～2.0mm、2.0～3.0mm中的一种或多种。
5.权利要求1～4任一项所述吸音泡沫陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将处理过的赤泥、石英砂、聚苯乙烯泡沫混合均匀，得到混合物料；
将所述混合物依次进行注塑成型、烘干和烧结，得到吸音泡沫陶瓷；
所述烧结包括：自室温第一次升温至200～300℃，恒温5～10min，再第二次升温至1000～1100℃，恒温100～120min。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，注塑成型后，所得物料的孔径大小为2～450μm。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述第一升温、第二升温的升温速率独立为3～8℃/min。
8.权利要求1～4任一项所述吸音泡沫陶瓷或权利要求5～7任一项所述制备方法制备得到的吸音泡沫陶瓷在陶瓷隔音砖的应用。
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