利用淤泥制备建筑陶瓷外墙自保温材料的研究

2014-11-25 16:38况学成陈宗玲胡丽芳李思乐张明珠殷敏
佛山陶瓷 2014年3期
关键词:抗压强度发泡剂保温材料

况学成+陈宗玲+胡丽芳+李思乐+张明珠+殷敏

摘 要:本实验选用来源广泛的河道淤泥取代常用的陶瓷原料粘土,利用发泡工艺制备新型烧结陶瓷自保温砖,此烧结陶瓷保温砖具有密度小、导热系数小、抗压强度大等特点。利用废料开发自保温体系承重和保温相结合的墙体材料,既做到废物利用又满足了节能要求。

关键词:淤泥;保温材料;导热系数;抗压强度;发泡剂

1 引言

随着世界能源的逐渐紧缺,以及保护环境的日益重视,废物利用与节能将成为未来发展的主导,节约能源范围较广,其中建筑节能是节能减排的重要组成部分。开发新型的保温墙体砌砖,完全符合这一发展趋势。

目前,我国建筑节能方面采用外墙外保温技术。但外墙外保温体系受材料的限制,其设计寿命一般不超过25年,难以实现与建筑物同寿命,外墙装饰也具有一定的局限性,此外,还需定期维护和维修。而外墙自保温技术则是将建筑主体和围护结构的隔热保温融为一体,与外墙外保温体系相比,具有造价低廉、维护费用低、外装饰多样化,与建筑主体同寿命等优势。

传统的实心粘土砖由于质量重、大量消耗资源、保温性能差,将逐渐被新型的墙体保温材料所取代。外墙自保温体系由于其材料密度小,只有普通实心粘土砖的1/5~1/3重,保温隔热性能好、耐火性好,且施工技术成熟简单,很适合节能市场的需求。

本试验选用来源广泛的河道淤泥取代常用的陶瓷原料粘土,通过高温发泡剂的发泡原理,在烧制过程中形成一定形状和大小的空洞,达到降低导热系数目的,从而获得建筑陶瓷外墙自保温材料。

2 实验内容

2.1 实验原料及设备

佛山某河道淤泥、Na2CO3、CaCO3、Na2SiO3·5H2O, 数显抗压强度试验机,导热系数测试仪,电炉,手动压片机等。

2.2 实验方法

本课题选择用正交实验法,使用Na2CO3为助熔剂来调节淤泥的烧结温度。取淤泥、碳酸钠、碳酸钙和烧成温度为四个因素、选取三个水平,并以导热系数,抗压强度为测量考察指标,按配方设计表1进行实验。然后用Na2SiO3·5H2O取代最优配方E10里面的Na2CO3做助熔剂,按照表2进行实验。最后对助熔剂Na2SiO3·5H2O进行单因素实验,按照表3进行实验。

2.3 性能测试

本实验所测试的产品性能主要有真密度、体积密度、显气孔率、真气孔率以及闭口气孔率、导热系数、抗压强度,以及SEM扫描分析。

3 实验结果与分析

3.1 正交实验的结果与分析

本文选取淤泥、碳酸钠、碳酸钙和烧成温度为正交实验的四个因素,并选取三个水平,以导热系数,抗压强度为测量考察指标,进行正交优化实验。实验结果如表4所示。 综合上面分析,得到材料的最优配方为:A3B3C2D2,即淤泥90 g、Na2CO3 15 g、CaCO3 10g,烧成温度为1050℃。所以我们定此优化配方编号为E10(淤泥78%、Na2CO3 13%、CaCO3 9%、烧成温度1050 ℃,此时导热系数为0.5352 W/m·k、抗压强度为20MPa。)。

3.2 用五水硅酸钠取代碳酸钠

从正交实验优化出最优配方为E10,为了进一步改善保温材料的性能,在此优化配方上,选用Na2SiO3·5H2O取代Na2CO3来做助熔剂进行实验,实验结果如表5所示。

从表5中可以得出,Na2SiO3·5H2O比Na2CO3做助熔剂效果更好,主要原因如下:(1) Na2O引入可以降低烧结温度,增加玻璃相,玻璃相的增加会使得气泡的溶解度增大,气孔率下降。Na2SiO3·5H2O和Na2CO3两者都引入了Na2O,但是后者引入Na2O的量更多,所以相同质量的Na2SiO3·5H2O和Na2CO3所起到的助熔效果不一样,明显Na2CO3的助熔效果更好,烧结温度更低,产生的玻璃相也更多,从而气泡被消除的比较多,气孔率比较低。(2) 相同量的Na2CO3和Na2SiO3·5H2O引入的Na+的量不同,Na2CO3引入的Na+比Na2SiO3·5H2O引入的Na+量多,所以Na2CO3的降粘作用更大。Na2SiO3·5H2O做助熔剂比Na2CO3做助熔剂的熔体粘度大,从而导致气体难以排出,提高气孔率。(3)气孔率的高低与导热系数的成反比的关系,气孔率越高的保温材料,导热系数也越低,Na2SiO3·5H2O做助熔剂时,气孔率明显比较高,而且多为闭口气孔,使得导热系数更低。(4)气孔率高的材料密度也比较小,Na2SiO3·5H2O做助熔剂时的气孔率更高,所以密度相应更小。(5)选Na2SiO3·5H2O做助熔剂时,不仅气孔率高,而且多为闭口气孔,所以材料的吸水率远远低于Na2CO3做助熔剂的吸水率。(6)气孔率越低的材料,抗压强度越大,Na2SiO3·5H2O做助熔剂时,气孔率比较高,相应的抗压强度本应该越小,但是Na2SiO3·5H2O做助熔剂时引入了大量的SiO2,使得反应CaCO3+SiO2→CaSiO3+CO2↑向右边移动,生成了大量强度比较大的CaSiO3晶体。因此,Na2SiO3·5H2O做助熔剂时的抗压强度大于Na2CO3做助熔剂的抗压强度。所以,Na2SiO3·5H2O取代Na2CO3做助熔剂时,保温材料的各项性能更好。

通过SEM扫描图(见图1)(E10和F1的扫描图)可以得出,用Na2SiO3·5H2O取代Na2CO3做助熔剂,并加入适当的量,气孔率较E10明显增多,气孔孔径也从10-20 μm增大到150 μm左右,气孔呈圆球状,且气孔大小较均匀。

3.3 Na2SiO3·5H2O加入量的影响

根据前面的对比结果,得出Na2SiO3·5H2O做助熔剂时,保温材料的各项性能更好。所以选用Na2SiO3·5H2O做助熔剂,然后考虑助熔剂不同加入量对各项性能的影响。各项性能的测试结果如表6所示。

综合考虑保温材料的性能要求,从表6中可以看出,当Na2SiO3·5H2O加入量为30 g时,保温材料的总体性能比较好。优化配方为F4:淤泥 69.2%、Na2SiO3·5H2O 23.1%、CaCO3 7.7%。

4 结论

(1) 在淤泥、碳酸钠、碳酸钙、烧成温度的四因素三水平的实验中,通过分析四因素对两个性能指标导热系数和抗压强度的影响,得到最优配方为E10:淤泥78%、Na2CO3 13%、CaCO3 9%,烧成温度为1050 ℃。此时,导热系数为0.5352 W/ m·k、抗压强度为20 MPa。

(2) 在本试验条件下,用NaSiO3·5H2O做助熔剂保温材料的各项性能明显好于Na2CO3做助熔剂保温材料。此时,导热系数为0.4986 W/ m·k、抗压强度为 25MPa。

(3) 在NaSiO3·5H2O单因素实验结果中,得出最佳配方为F4:淤泥 69.2%、NaSiO3·5H2O 23.1%、CaCO3 7.7%。此时,各项性能指标分别为:真气孔率为83%、密度为0.75 g/cm3、导热系数为0.1123 W/m·k、抗压强度为19MPa、吸水率为4.5%。

参考文献

[1] 赵毅,朱振峰等.多孔陶瓷材料的研究现状及应用.陶瓷.2008

(11):27~30.

[2] 田杰谟,李信勇,张勇等.浸浆法制备生物多孔陶瓷[J ] .功能材

料. 2002 ,33 (6) :656~657.

[3] 任雪潭,曾令可等.泡沫陶瓷制备工艺的探讨.材料科学与工程.

2001 ,19 (1) :102~103.

[4] 王慧,曾令可,张海文等.多孔陶瓷- 绿色功能材料[J ] .中国陶

瓷. 2002 ,38 (3) :6~8.

[6] Kin YW,Kim SH,Park CB. Processing of closedcell silicon

oxycarbide foams from a preceramic polymer[J]. Jounal of Materials

Science,2004,39(18):p5647~5652

[7] Colombo P,Scheffler M,ect.Conductive ceramic foams from a

preceramic polymer[J].Journal of the American Ceramic Society,

2001,84(10):2265~2268.

[8] Colombo P. Engineering porosity in polymer-derived ceramics[J].

Journal of the European Ceramic Society,2008,28(7):1389~1395 . [9] 艾凡荣.泡沫注凝法制备多孔陶瓷的研究[D].景德镇:景德镇陶

瓷学院,2007.

[10] 张晓飞.发泡一胶凝法制备多孔陶瓷小球的研究[D].长沙:中

南大学,2006.

[11] Ilker Bekir Topcu,Burak Islkdag,Manufacture of high heat con

ductivity resistant clay bricks containing perlite[J],Building and

Environment,2007,42(10).

[12] 薛世浩,汪竹茂.利用淤泥制砖的半工业性试验.砖瓦,1999,

(3):21~25

[13] 李彬,金玲巧等.发泡剂对钼渣多孔玻璃性能的影响.中国陶

瓷,2009(45):28~30.

综合考虑保温材料的性能要求,从表6中可以看出,当Na2SiO3·5H2O加入量为30 g时,保温材料的总体性能比较好。优化配方为F4:淤泥 69.2%、Na2SiO3·5H2O 23.1%、CaCO3 7.7%。

4 结论

(1) 在淤泥、碳酸钠、碳酸钙、烧成温度的四因素三水平的实验中,通过分析四因素对两个性能指标导热系数和抗压强度的影响,得到最优配方为E10:淤泥78%、Na2CO3 13%、CaCO3 9%,烧成温度为1050 ℃。此时,导热系数为0.5352 W/ m·k、抗压强度为20 MPa。

(2) 在本试验条件下,用NaSiO3·5H2O做助熔剂保温材料的各项性能明显好于Na2CO3做助熔剂保温材料。此时,导热系数为0.4986 W/ m·k、抗压强度为 25MPa。

(3) 在NaSiO3·5H2O单因素实验结果中,得出最佳配方为F4:淤泥 69.2%、NaSiO3·5H2O 23.1%、CaCO3 7.7%。此时,各项性能指标分别为:真气孔率为83%、密度为0.75 g/cm3、导热系数为0.1123 W/m·k、抗压强度为19MPa、吸水率为4.5%。

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综合考虑保温材料的性能要求,从表6中可以看出,当Na2SiO3·5H2O加入量为30 g时,保温材料的总体性能比较好。优化配方为F4:淤泥 69.2%、Na2SiO3·5H2O 23.1%、CaCO3 7.7%。

4 结论

(1) 在淤泥、碳酸钠、碳酸钙、烧成温度的四因素三水平的实验中,通过分析四因素对两个性能指标导热系数和抗压强度的影响,得到最优配方为E10:淤泥78%、Na2CO3 13%、CaCO3 9%,烧成温度为1050 ℃。此时,导热系数为0.5352 W/ m·k、抗压强度为20 MPa。

(2) 在本试验条件下,用NaSiO3·5H2O做助熔剂保温材料的各项性能明显好于Na2CO3做助熔剂保温材料。此时,导热系数为0.4986 W/ m·k、抗压强度为 25MPa。

(3) 在NaSiO3·5H2O单因素实验结果中,得出最佳配方为F4:淤泥 69.2%、NaSiO3·5H2O 23.1%、CaCO3 7.7%。此时,各项性能指标分别为:真气孔率为83%、密度为0.75 g/cm3、导热系数为0.1123 W/m·k、抗压强度为19MPa、吸水率为4.5%。

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