范玲玲,劉 鵬,賈 凱

(信陽師范學(xué)院化學(xué)化工系,河南省珍珠巖制品工程技術(shù)研究中心,河南信陽 464000）

利用珍珠巖尾粉制備發(fā)泡材料

范玲玲,劉 鵬＊,賈 凱

(信陽師范學(xué)院化學(xué)化工系,河南省珍珠巖制品工程技術(shù)研究中心,河南信陽 464000）

以信陽珍珠巖尾粉、凝灰?guī)r為主要原料,石墨為發(fā)泡劑,添加適量廢玻璃粉、添加劑,在不同的溫度下燒制成發(fā)泡材料.利用熱分析儀分析了混合料的發(fā)泡溫度,用X射線衍射儀、壓力試驗(yàn)機(jī)等對樣品進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征和性能測試.結(jié)果表明:珍珠巖尾粉-凝灰?guī)r發(fā)泡材料合適的發(fā)泡溫度為930℃,保溫時(shí)間為30 min,樣品密度為0.43 g/cm3,抗壓強(qiáng)度為4.00 MPa.

珍珠巖尾粉;凝灰?guī)r;發(fā)泡材料;制備

Abstract:Foaming materials were prepared at different baking temperatures in the presence of a proper amount of waste glass powder and other additives,using tailings of perlite and tuff from Xinyang as raw materials and graphite as foaming agent.The foaming temperature of the mixed raw materials and additives was analyzed using a differential thermal analyzer(DTA).The structure and performance of as-prepared foaming materials were analyzed by means of X-ray diffraction and pressure testing.Results show that the mixed raw materials and additives can be readily prepared into foaming materials by baking at 930℃for 30 min.Resultant foaming material has an apparent density of about 0.43 g/cm3and compressive strength of 4.00 MPa.

Keywords:tailings of perlite;tuff;foaming material;preparation

無機(jī)發(fā)泡材料具有良好的隔熱、吸聲和耐火特性,是較高級的保溫隔熱或隔音材料,其不僅可作為輕質(zhì)建筑材料,還可廣泛用于石油、化工、冷藏、船舶、電力等工業(yè)領(lǐng)域.目前,國內(nèi)外無機(jī)發(fā)泡材料主要有石膏、菱苦土、石灰、水泥類常溫發(fā)泡材料和泡沫玻璃類高溫發(fā)泡材料.泡沫玻璃主要是以玻璃粉、工業(yè)礦渣、礦山廢棄物等為原料,按照一定比例添加發(fā)泡劑、促進(jìn)劑、穩(wěn)泡劑等,混合均勻后置入模具中,經(jīng)過低溫預(yù)熱、高溫熔融發(fā)泡、冷卻、退火等工序而制成.

信陽上天梯地區(qū)有豐富的珍珠巖礦產(chǎn)資源,其儲量、品位、易開采條件均居“亞洲第一”,已成為我國珍珠巖礦砂加工和產(chǎn)(制)品生產(chǎn)的集散地.每年眾多的珍珠巖生產(chǎn)企業(yè)在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量的尾粉,目前這些尾粉還未得到有效利用,不僅造成資源浪費(fèi),而且污染環(huán)境[1].珍珠巖的主要礦物組成是SiO2玻璃質(zhì),它是很好的無機(jī)發(fā)泡材料制備原料.另外,信陽上天梯地區(qū)還有大量的凝灰?guī)r資源未得到有效利用[2],凝灰?guī)r又稱含堿玻璃原料,也是制備無機(jī)發(fā)泡材料的很好原料.

本文作者以珍珠巖尾粉和凝灰?guī)r為主要原料,添加發(fā)泡劑,經(jīng)焙燒發(fā)泡和退火冷卻加工處理后,制得具有均勻氣孔結(jié)構(gòu)的無機(jī)發(fā)泡材料.因發(fā)泡材料基體內(nèi)含有大量氣泡,所以具有密度低、導(dǎo)熱系數(shù)小等物理性質(zhì),而基體獨(dú)特的氣孔結(jié)構(gòu)又使其在沖擊強(qiáng)度、韌性和抗疲勞等方面具有優(yōu)良的性能,從而可廣泛應(yīng)用于隔熱保溫、保冷、吸聲等領(lǐng)域.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器

SSJ-I高溫箱式電爐:洛陽市新奇實(shí)驗(yàn)電爐廠;XP204S電子天平:瑞士Mettler-Toledo公司;D8 Advance X射線粉末衍射儀:德國Bruker公司;HCT-1微機(jī)差熱天平:北京恒久科學(xué)儀器廠;WE-100液壓式萬能實(shí)驗(yàn)機(jī):濟(jì)南實(shí)驗(yàn)機(jī)廠;KM-Ⅰ型快速研磨機(jī):湘潭湘儀儀器有限公司;8411型電動(dòng)振篩機(jī):湘潭湘儀儀器有限公司.

1.2 原料及試劑

珍珠巖微粉(160目):信陽上天梯地區(qū)某廠制砂收塵粉;凝灰?guī)r(160目):信陽上天梯地區(qū)某廠生產(chǎn);石墨、Na3PO4、Na2B4O7·10H2O 等均為市售分析純.

所用礦物原材料的化學(xué)成分見表1.

表1 礦物原材料的化學(xué)組成Table 1 The chemical composition of mineral raw materials %

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

發(fā)泡材料的制備流程見圖1.制備過程主要包括以下步驟:①發(fā)泡材料配合料的制備;②發(fā)泡材料配合坯體的制備;③發(fā)泡材料配合坯體的焙燒發(fā)泡、退火冷卻.

圖1 發(fā)泡材料制備工藝流程Fig.1 Foaming material preparation process

1.4 配比設(shè)計(jì)

因珍珠巖和凝灰?guī)r的熔融軟化溫度較高,為降低發(fā)泡溫度,在配合料中加入適量廢玻璃粉.根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果及原料的化學(xué)成分和各添加劑的作用機(jī)理,以L9(34)正交表設(shè)計(jì)珍珠巖尾粉發(fā)泡材料的配比.前期實(shí)驗(yàn)證明,相同實(shí)驗(yàn)條件下,手工混合原料、制備坯體,也能制得較小密度的發(fā)泡材料,但發(fā)泡效果整體較差,泡孔均勻性欠佳.因此,本實(shí)驗(yàn)選擇球磨的方式混合原料,加入適量水后加壓成型.根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,合適的球磨混合時(shí)間為10 min,坯體成型壓力為3.75 MPa,固定發(fā)泡時(shí)間為30 min.實(shí)驗(yàn)的四因子三水平設(shè)計(jì)見表2.

表2 發(fā)泡材料配比實(shí)驗(yàn)水平表Table 2 Foaming material ratio test level tables

其中,凝灰?guī)r與珍珠巖比例為1∶1,各種添加劑是在基礎(chǔ)原料外另外添加,且固定磷酸鈉和硼砂(1∶1)的摻量為5%.

1.5 發(fā)泡材料的燒制

本實(shí)驗(yàn)中發(fā)泡材料的燒制包括預(yù)熱、發(fā)泡和退火.

1.5.1 預(yù)熱

由于坯體的導(dǎo)熱性較差,升溫速率不宜過快,而且要保溫一定的時(shí)間[3],直接高溫焙燒、發(fā)泡,會(huì)造成表面層玻璃粉過早地熔融,造成坯體內(nèi)外層產(chǎn)生較大溫差應(yīng)力,使發(fā)泡不均勻.為此,從室溫以15℃/min的升溫速率升溫至300℃,保溫20 min.

1.5.2 發(fā)泡

預(yù)熱后將坯體以約20℃/min的升溫速度快速加熱到發(fā)泡溫度進(jìn)行發(fā)泡,快速升溫的目的是為了防止發(fā)泡劑在配合料低于軟化溫度時(shí)過多地分解.配合料達(dá)到軟化溫度時(shí),形成的熔融體包覆發(fā)泡劑分解釋放出的氣泡,從而使樣品的體積膨脹起來[4].

1.5.3 穩(wěn)泡與退火

當(dāng)發(fā)泡結(jié)束時(shí),迅速將試樣冷卻至600℃左右,其目的是將產(chǎn)生的氣孔結(jié)構(gòu)迅速固定下來,否則就會(huì)形成越來越大的孔穴,氣孔的分布也不均勻,而且會(huì)出現(xiàn)連通孔.由于試樣迅速冷卻,將產(chǎn)生應(yīng)力,為了消除應(yīng)力,在600℃左右進(jìn)行保溫退火,保溫20 min,然后緩慢冷卻到室溫,測定發(fā)泡材料的性能.

2 結(jié)果和討論

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按L9(34)正交表設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),得到不同的發(fā)泡材料.試樣的性能測試結(jié)果見表3.

表3 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析Table 3 Orthogonal experimental results

從表3結(jié)果分析可知,發(fā)泡溫度對發(fā)泡材料密度、抗壓強(qiáng)度均有較大影響;玻璃粉摻量對制品的密度影響較大,但對抗壓強(qiáng)度的影響最小;而珍珠巖和凝灰?guī)r摻量、石墨摻量對發(fā)泡材料密度影響程度相同,同時(shí)石墨摻量對制品抗壓強(qiáng)度也有較大影響.隨著玻璃粉摻量的增加或發(fā)泡溫度的升高,制品密度降低,但升高溫度會(huì)使泡的均勻性變差,增加連通孔.因發(fā)泡溫度對制品密度和抗壓強(qiáng)度均有較大影響,而實(shí)驗(yàn)?zāi)康闹饕钦渲閹r尾粉廢物利用,綜合考慮樣品密度、抗壓強(qiáng)度、發(fā)泡情況及能耗等方面的因素,選擇正交實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化條件為:玻璃粉摻量45%,凝灰?guī)r和珍珠巖摻量55%,石墨摻量0.5%,發(fā)泡溫度930℃.

按照優(yōu)選配方與工藝條件制得的發(fā)泡材料的密度為:0.43 g/cm3,抗壓強(qiáng)度為4.00 MPa,實(shí)物照片見圖2.按照優(yōu)選工藝條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn),樣品的密度沒有明顯降低,但樣品孔徑結(jié)構(gòu)、孔的均勻性有較大改觀,且樣品的抗壓強(qiáng)度較大.為了制得低密度、高抗壓強(qiáng)度且孔徑均勻的發(fā)泡材料,需要做進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究,優(yōu)化相關(guān)工藝條件.

2.2 樣品的XRD表征

圖3為樣品的X射線衍射圖,其中A為優(yōu)選配方樣品,B為6號樣品.由圖3可知:在發(fā)泡材料制品的X射線衍射圖中,絕大部分為非晶質(zhì)相物質(zhì),但含有少量的石英特征峰,這主要是由于珍珠巖和凝灰?guī)r中含有的石英在發(fā)泡溫度下未能完全熔融,非晶質(zhì)相物質(zhì)將導(dǎo)致發(fā)泡材料表觀密度增大.適當(dāng)提高制品的發(fā)泡溫度或延長發(fā)泡時(shí)間有利于改善這種狀況.

圖2 優(yōu)選工藝條件下制得的發(fā)泡材料的實(shí)物圖Fig.2 The photo of foaming material prepared at optimum condition

圖3 樣品的XRD圖Fig.3 XRD diagram of the samples

2.3 石墨及配合料的熱分析

為保證配合料坯體軟化溫度與發(fā)泡劑生成氣體時(shí)的溫度相匹配,使坯體內(nèi)形成均勻分布的封閉氣孔,必須探明配合料的軟化溫度,為選擇合適的發(fā)泡劑提供依據(jù).因此對發(fā)泡劑石墨及優(yōu)選配合料做熱分析,熱分析結(jié)果見圖4與圖5.

由圖4和圖5可知:空氣氣氛下,石墨在650℃開始氧化生成氣體,900℃左右生成氣體量最大,而配合料在900℃左右失重達(dá)最大,因此,石墨適合作為該配合料的發(fā)泡劑.

圖4 空氣氣氛中石墨的 TG-DTA曲線Fig.4 The TG-DTA curve of graphite in air atmosphere

圖5 空氣氣氛中優(yōu)選配合料的 TG-DTA曲線Fig.5 The TG-DTA curve of preferred materials in air atmosphere

結(jié)論:1)以信陽珍珠巖尾粉和凝灰?guī)r為主要原料,加入部分廢玻璃粉和適量的發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑、助熔劑等,經(jīng)球磨混合、壓制成型、燒成發(fā)泡工序,制備出密度0.32～0.45 g/cm3,抗壓強(qiáng)度1.25～5.00 MPa的發(fā)泡材料.2)影響發(fā)泡材料性能的因素主要是發(fā)泡溫度和玻璃粉摻量.其中,玻璃粉摻量主要影響樣品坯體的熔融軟化溫度,發(fā)泡溫度對發(fā)泡材料的抗壓強(qiáng)度和密度都有較大影響.3)從節(jié)約原料成本和能耗等方面綜合考慮,珍珠巖尾粉和凝灰?guī)r的添加量不宜太多,實(shí)驗(yàn)表明:珍珠巖尾粉和凝灰?guī)r(二者比例為1∶1)摻量為55%較為合適,且合適的發(fā)泡溫度為930℃,保溫時(shí)間是30 min.4)本實(shí)驗(yàn)以石墨為發(fā)泡劑制備的珍珠巖尾粉發(fā)泡材料密度小、抗壓強(qiáng)度高,但泡孔均勻性欠佳,孔徑偏大,有部分連通孔出現(xiàn),因此需要進(jìn)一步優(yōu)化有關(guān)工藝條件.

[1]李培啟.關(guān)注“亞洲第一礦”的生態(tài)安全—信陽上天梯非金屬礦生態(tài)環(huán)境問題調(diào)查[J].環(huán)境保護(hù),2006(13):66-70.

[2]木士春.凝灰?guī)r的物理化學(xué)性質(zhì)及其開發(fā)利用[J].中國礦業(yè),2000,9(3):17-20.

[3]馮宗玉,薛向新,李勇.利用油頁巖渣制備微晶泡沫玻璃的研究[J].材料導(dǎo)報(bào),2008,22(3):131-133.

[4]沈琪,陳克榮,吳義軍,等.泡沫玻璃與微晶泡沫玻璃的研制[J].南京大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,1999,35(3):373—377.

Preparation of foaming material from tailings of perlite

FAN Ling-ling,LIU Peng＊,J IA Kai

(Henan Engineering Research Center f or Perlite Products,College of Chemistry and Chemical Engineering,Xinyang Normal University,Xinyang464000,Henan,China)

TQ 171.9

A

1008-1011(2011)01-0092-04

2010-09-20.

河南省工程技術(shù)研究中心專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(102102313101).

范玲玲(1985-),女,碩士生,研究方向?yàn)闊o機(jī)非金屬材料.通訊聯(lián)系人.E-mail:liupeng1621@163.com.