發(fā)泡陶瓷保溫隔熱復(fù)合板的應(yīng)用研究進(jìn)展

　　摘要:針對(duì)一種具有保溫性能好、性能優(yōu)良、制備方便、成本低廉、便于推廣等優(yōu)點(diǎn)的輕質(zhì)隔熱保溫多孔陶瓷材料進(jìn)行了綜述。重點(diǎn)對(duì)發(fā)泡陶瓷復(fù)合板目前存在的問(wèn)題進(jìn)行了總結(jié)和分析，并與現(xiàn)有的常用保溫隔熱材料進(jìn)行了對(duì)比，以期為建筑節(jié)能提供一種用于外墻隔熱保溫的多孔陶瓷復(fù)合板，為實(shí)現(xiàn)建筑陶瓷工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供新的技術(shù)途徑。

　　關(guān)鍵詞:發(fā)泡陶瓷,復(fù)合板,隔熱保溫,研究進(jìn)展

　　建材論文投稿刊物：《河南建材》(雙月刊)創(chuàng)刊于1980年，是由河南建筑材料研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司、河南省硅酸鹽學(xué)會(huì)主辦，河南省散裝水泥辦公室、河南省墻體材料改革辦公室協(xié)辦的全國(guó)性建材科技期刊。

　　0引言

　　目前，我國(guó)正沿著中國(guó)夢(mèng)的宏偉藍(lán)圖迅猛地發(fā)展著，現(xiàn)代化進(jìn)程蒸蒸日上。繁榮景象的背后，我們也應(yīng)該清醒地認(rèn)識(shí)到，我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展正面臨著三大考驗(yàn)[1]，即資源、能源和環(huán)境問(wèn)題。據(jù)資料顯示，在我國(guó)的能源消耗結(jié)構(gòu)中，建筑能耗是一個(gè)重要組成部分[2]。建筑能耗日趨緊張，建筑節(jié)能問(wèn)題受到了越來(lái)越多的重視[3]。

　　時(shí)至今日，我國(guó)的城市化進(jìn)程如火如荼，全國(guó)各大中小城市都呈現(xiàn)出一片欣欣向榮的景象。城市化過(guò)程中，建筑能耗已成為一個(gè)不可避免的主題，引起了全社會(huì)的高度重視。實(shí)踐證明，使用保溫隔熱材料是建筑節(jié)能最直接有效的方法之一。日本的節(jié)能實(shí)踐報(bào)告表明，每使用1t保溫隔熱材料，便可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤3t/a，所帶來(lái)的節(jié)能效益是材料生產(chǎn)成本的10倍[4]。

　　為了最大程度地節(jié)約能源，降低建筑能耗，人們對(duì)建筑裝飾材料保溫性能的要求越來(lái)越高。目前，世界上廣泛使用的外墻保溫材料大多數(shù)是有機(jī)材料，如聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)、聚氨酯(PU)等[5]。但是這些材料普遍存在易燃、易老化等缺點(diǎn)[6]，發(fā)生火災(zāi)時(shí)它們便成為助燃劑，會(huì)加快火焰的傳播和擴(kuò)散，加重火災(zāi)危害性后果;有機(jī)類的外墻保溫材料受到風(fēng)吹雨打、暴曬暴寒等惡劣環(huán)境的侵蝕氧化之后容易老化，會(huì)大大縮短使用壽命。基于此，開(kāi)發(fā)一種具備保溫隔熱防火性能的外墻保溫材料，用以替代傳統(tǒng)的墻體材料，對(duì)建筑節(jié)能和建筑裝飾具有重大意義。

　　高溫發(fā)泡陶瓷是在陶瓷主要生產(chǎn)原料的基礎(chǔ)上，通過(guò)添加適量發(fā)泡劑，采用先進(jìn)制備工藝經(jīng)高溫?zé)�制而成的一種多孔陶瓷[7]。高溫發(fā)泡陶瓷經(jīng)高溫發(fā)泡而成，內(nèi)部均勻分布著大量的閉口氣孔，氣孔之間互相不連通，不吸水。其體積密度小，孔隙率大，具有質(zhì)輕、保溫隔熱、防火防潮、不燃等優(yōu)良特點(diǎn)。發(fā)泡陶瓷材料防火等級(jí)為A1級(jí)，有效克服了有機(jī)保溫材料易燃易老化的弱點(diǎn)，在建筑外墻保溫領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，是一種新型綠色環(huán)保的建筑節(jié)能材料。

　　1發(fā)泡陶瓷的應(yīng)用研究進(jìn)展

　　關(guān)于發(fā)泡陶瓷的研究，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者都進(jìn)行了各自的探索。張留生等[8]論述了制備高溫發(fā)泡陶瓷的基本原理，并研究總結(jié)了高溫發(fā)泡陶瓷燒成所需的原料組成以及化學(xué)成分。王國(guó)梅等[9]采用鐘祥瓷砂為主要原料，碎玻璃為助熔劑，少量的Fe2O3和碳粉為發(fā)泡劑，制備了具備良好防水、保溫性能的高溫發(fā)泡陶瓷，最佳樣品經(jīng)1160℃燒成后體積密度為0.767g/cm3，吸水率為0.49%，熱導(dǎo)率為0.067W/(m·K)，抗壓強(qiáng)度為3.67MPa，抗折強(qiáng)度為2.60MPa。張小鋒等[10]以高嶺土、石英、工業(yè)氧化鋁、鉀長(zhǎng)石為主要原料，廢石膏為發(fā)泡劑，經(jīng)1300～1400℃燒成制備出了中鋁質(zhì)閉孔發(fā)泡陶瓷磚，主要探討了助熔劑和燒成制度等因素對(duì)閉孔發(fā)泡陶瓷磚性能的影響。

　　實(shí)驗(yàn)研究表明，閉孔泡沫陶瓷磚的閉氣孔率隨著鉀長(zhǎng)石含量增加而增大，隨燒結(jié)溫度升高先增大后降低，抗壓強(qiáng)度和熱導(dǎo)率隨燒結(jié)溫度升高而降低。在1360℃，保溫時(shí)間為60min的條件下燒成后，高溫發(fā)泡陶瓷的體積密度為1.324g/cm3，抗壓強(qiáng)度為4.82MPa，熱導(dǎo)率為0.173W/(m·K)，閉氣孔率為57.2%。

　　黃潔寧等[11]研究了不同原料組成、燒成制度等對(duì)發(fā)泡陶瓷樣品的體積、密度、孔隙率、吸水率等性能的影響。以頁(yè)巖為主要原料，添加拋光渣中殘留的SiC為造孔劑，滑石為助熔劑，在燒成溫度為1250℃、滑石含量為10%、拋光渣含量為25%時(shí)制備出體積密度為0.80～0.90g/cm3，孔隙率>50%，吸水率<2%的具有均勻分布閉氣孔的泡沫隔熱陶瓷。

　　丁力等[12]以內(nèi)蒙古包頭珍珠巖尾礦為主要原料，添加膨潤(rùn)土、白云石、長(zhǎng)石、紫砂、高溫砂等為熔劑，使用碳化硅和螢石為發(fā)泡劑，制備了導(dǎo)熱系數(shù)較低的發(fā)泡陶瓷，主要研究了尾礦的添加量、燒成制度和配方對(duì)發(fā)泡陶瓷的熱導(dǎo)率、抗壓強(qiáng)度、理化性能的影響。研究表明，珍珠巖尾砂可以用來(lái)制備發(fā)泡陶瓷，最大添加量為85%，獲得的發(fā)泡陶瓷熱導(dǎo)率≤0.09W/(m·K)，符合外墻保溫系統(tǒng)的要求。

　　孫國(guó)梁等[13]以石英為主要原料，鉀長(zhǎng)石為助熔劑，CaSO4作為發(fā)泡劑，PVA作為粘結(jié)劑，經(jīng)干壓成型后于1580～1164℃燒成，制備了高溫閉孔發(fā)泡陶瓷。利用SEM，XRD等測(cè)試手段分析了樣品的微觀結(jié)構(gòu)與性能。結(jié)果表明，經(jīng)1160℃燒成后，高溫發(fā)泡陶瓷具備優(yōu)異的性能，其氣孔率高達(dá)63.29%(開(kāi)口氣孔率為5.22%、閉口氣孔率為58.07%);體積密度為0.176g/cm3;熱導(dǎo)率為0.137W/(m·K);抗壓強(qiáng)度為4.56MPa。

　　氣孔率和孔徑隨著保溫時(shí)間延長(zhǎng)以及燒成溫度升高而增大，氣孔率越高，熱導(dǎo)率越小，發(fā)泡陶瓷的抗壓強(qiáng)度也越小。李家科等[14]以稀土尾砂為主要原料，以拋光磚廢料為發(fā)泡劑，低溫砂、黑泥和滑石等為熔劑制備了輕質(zhì)發(fā)泡陶瓷，研究了燒成溫度、稀土尾砂的添加量、發(fā)泡劑的添加量以及保溫時(shí)間等諸多因素對(duì)發(fā)泡陶瓷的結(jié)構(gòu)與性能的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明:稀土尾砂的最佳添加量為60wt%，低溫砂為20wt%，黑泥為15wt%，燒滑石為5wt%，拋光磚廢料最佳外加量為15wt%。

　　在1150℃，保溫時(shí)間為30min的條件下燒成后，制備了性能良好的輕質(zhì)發(fā)泡陶瓷，樣品的體積密度為0.31g/cm3、抗壓強(qiáng)度為5.63MPa。Bernardin等[15]利用建筑拋光磚為基礎(chǔ)原料，SiC作為發(fā)泡劑，對(duì)發(fā)泡過(guò)程進(jìn)行研究。研究表明，在1000℃時(shí)SiC氧化分解釋放氣體，同時(shí)坯體在高溫下生成大量的玻璃相，將氣體包裹從而形成孔結(jié)構(gòu)。該文討論了SiC的添加量對(duì)發(fā)泡陶瓷的體積密度和抗壓強(qiáng)度的影響。

　　外國(guó)學(xué)者Bernardo等[16]采用廢棄的鈉鈣玻璃作為主要原料，利用藝術(shù)玻璃拋光廢料中的SiC作為發(fā)泡劑，并添加少量的MnO2促進(jìn)SiC氧化分解，討論了SiC的添加量和MnO2在添加劑中的比例對(duì)泡沫玻璃的顯微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。Vereshagin等[17]采用沸石作為主要原料，添加少量的堿金屬礦物制備泡沫微晶陶瓷材料，討論了原料的粒度和堿金屬礦物含量對(duì)泡沫微晶陶瓷的體積密度、吸水率和抗壓強(qiáng)度的影響，最后對(duì)樣品的相組成進(jìn)行了分析。經(jīng)850℃燒成后的發(fā)泡玻璃的體積密度為0.34g/cm3、抗折強(qiáng)度為1.6MPa、吸水率為13%。

　　2發(fā)泡陶瓷保溫隔熱復(fù)合板存在的問(wèn)題

　　發(fā)泡陶瓷復(fù)合板的防火防潮、保溫、隔熱性能優(yōu)良。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者和單位先后進(jìn)行了相關(guān)的研究，但其在實(shí)際生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用卻鮮有報(bào)道[18]。目前生產(chǎn)制備發(fā)泡陶瓷復(fù)合板主要存在如下問(wèn)題。1)發(fā)泡陶瓷復(fù)合板對(duì)氣孔結(jié)構(gòu)要求嚴(yán)格，要獲得良好的保溫隔熱、防水防潮性能，必須保證其內(nèi)部的氣孔封閉不連通，氣孔大小適中而均勻。如此一來(lái)，就對(duì)制備工藝要求苛刻[19]。目前為止還沒(méi)有形成成熟的制備工藝。2)由于對(duì)制備工藝的要求苛刻，實(shí)際生產(chǎn)中往往需要考慮多種工藝參數(shù)，增加了人力物力的投入，從而導(dǎo)致生產(chǎn)成本較高，難以形成規(guī)�；�生產(chǎn)[20]。

　　3)雖然發(fā)泡陶瓷復(fù)合板具有抗老化、強(qiáng)度高、不燃等有機(jī)保溫材料不具備的優(yōu)良品質(zhì)，但是它的可加工性和可應(yīng)用范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及有機(jī)保溫材料[21]。4)由于多以含有較多雜質(zhì)的固體廢棄物為主要原料，生產(chǎn)出的發(fā)泡陶瓷復(fù)合板產(chǎn)品往往呈現(xiàn)灰黑色，難免顯得單調(diào)暗淡�，F(xiàn)代人對(duì)建筑美學(xué)的要求較高，這樣的發(fā)泡陶瓷用于建筑外墻裝飾時(shí)，并不能滿足人們的審美需求。

　　3發(fā)泡陶瓷復(fù)合板的性能優(yōu)勢(shì)

　　一般來(lái)說(shuō)，保溫材料依據(jù)材料性質(zhì)不同可分為三大類:①有機(jī)類保溫材料，常見(jiàn)的如擠塑板、酚醛泡沫、膨脹聚苯板等，屬于可燃材料，具有引發(fā)火災(zāi)的危險(xiǎn)性;②復(fù)合型保溫材料，主要有膠粉聚苯顆粒保溫砂漿，屬難燃材料，且不具有火焰?zhèn)鞑バ裕�自身不存在防火安全�?wèn)題;③無(wú)機(jī)類保溫材料，如玻璃棉、無(wú)機(jī)保溫砂漿、巖棉、珍珠巖、發(fā)泡陶瓷等，屬不燃性材料，自身不存在防火安全問(wèn)題。無(wú)機(jī)類防火保溫材料最突出的優(yōu)勢(shì)是:①無(wú)“三廢”，對(duì)環(huán)境無(wú)危害且可回收再利用，能助力保護(hù)環(huán)境;②防火能力達(dá)到A級(jí)，具有一流的安全系數(shù);③一經(jīng)應(yīng)用，保溫性能長(zhǎng)期有效，節(jié)能效果持久;④與建筑物共生存、同壽命。在材質(zhì)結(jié)構(gòu)上完全符合既節(jié)能又環(huán)保的要求，而且其功能是伴隨著使用效果而長(zhǎng)存的。

　　4發(fā)泡陶瓷保溫隔熱復(fù)合板的發(fā)展趨勢(shì)

　　近幾年國(guó)內(nèi)外都非常重視對(duì)高溫發(fā)泡陶瓷的研究，主要有以下3個(gè)研究方向:①采用低成本原料制備高溫發(fā)泡陶瓷，主要是各種工業(yè)固體廢棄物;②盡可能降低發(fā)泡陶瓷燒成溫度，節(jié)約能源消耗;③優(yōu)化發(fā)泡陶瓷制備成型工藝和燒成制度工藝，降低制造成本。高溫發(fā)泡陶瓷作為防水、保溫等材料具有廣泛的應(yīng)用前景。而將其設(shè)計(jì)為理想的外觀形狀，并加以各種色澤裝飾又不失為家庭居室裝潢的好材料。經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外學(xué)者幾十年的研究和工藝改進(jìn)，高溫發(fā)泡陶瓷已初步進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)階段，但仍有許多技術(shù)難題亟待解決。

　　周明凱等[22]采用發(fā)泡法，以石英為主料，鉀長(zhǎng)石作為熔劑，并添加適量的CaSO4作為發(fā)泡劑，PVA作為粘結(jié)劑，采用半干壓成型法于1600℃下制備高溫閉孔泡沫陶瓷。結(jié)果顯示，氣孔率和孔徑隨著燒成溫度升高及保溫時(shí)間增加而增大，氣孔率越高，泡沫陶瓷的抗壓強(qiáng)度越小，其熱導(dǎo)率也越小;在相同氣孔率的條件下，氣孔孔徑越小，泡沫陶瓷的熱導(dǎo)率越小。

　　高碩洪等[23]以廢石膏為發(fā)泡劑，通過(guò)半干壓法成型工藝制備出中鋁質(zhì)閉孔泡沫陶瓷磚，主要探討了以鉀長(zhǎng)石為助熔劑和燒成制度等因素對(duì)閉孔泡沫陶瓷磚性能的影響。實(shí)驗(yàn)研究表明，閉孔泡沫陶瓷磚的閉氣孔率隨著鉀長(zhǎng)石含量增加而升高，隨燒結(jié)溫度升高先增加后降低，抗壓強(qiáng)度和熱導(dǎo)率隨燒結(jié)溫度升高而降低。

　　吳志敏等[24]采用發(fā)泡陶瓷保溫板作為外墻外保溫系統(tǒng)，對(duì)保溫材料和保溫系統(tǒng)的性能進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)探索和工程試點(diǎn)，開(kāi)發(fā)出一種防火性能好、質(zhì)量?jī)?yōu)異、與建筑同壽命的外墻外保溫技術(shù)，并開(kāi)發(fā)出常規(guī)的外保溫系統(tǒng)的防火隔離帶技術(shù)。通過(guò)比較分析該材料及其制備技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和不足，建議應(yīng)更深一步加強(qiáng)對(duì)發(fā)泡陶瓷保溫板及相關(guān)技術(shù)的研究，提升其熱工性能及其他性能，完善相應(yīng)的應(yīng)用技術(shù)。

　　5結(jié)束語(yǔ)

　　發(fā)泡陶瓷保溫隔熱復(fù)合板是以河道淤泥、陶土尾礦、陶瓷碎片等固體廢棄物作為主要原料，引入適量無(wú)機(jī)發(fā)泡劑，采用先進(jìn)的生產(chǎn)工藝經(jīng)高溫焙燒而成的一種多孔陶瓷，其獨(dú)特的孔隙結(jié)構(gòu)使高溫發(fā)泡陶瓷具有很好的隔熱保溫性能，適用于建筑外墻保溫、建筑自保溫冷熱橋處理、防火隔離帶等，因此在建筑節(jié)能領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]羅淑芬，林志江，鄧堅(jiān)勇，等.低溫快燒發(fā)泡陶瓷保溫板的性能研究[J].佛山陶瓷，2017，27(2):16-18.

　　[2]杜程，莊劍英，張彥林，等.我國(guó)發(fā)泡陶瓷保溫板發(fā)展現(xiàn)狀與市場(chǎng)前景[J].建材發(fā)展導(dǎo)向，2018，16(12):7-9.

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