山西工程技術(shù)學(xué)院，山西 陽(yáng)泉 045000

伴隨著世界和我國(guó)近年來(lái)工業(yè)化和新一代城市化進(jìn)程的加速，建筑行業(yè)異軍突起，在能源消耗結(jié)構(gòu)中，建筑能耗是一個(gè)非常重要的組成部分，因此通過(guò)改良現(xiàn)有的建筑材料實(shí)現(xiàn)節(jié)能和綠色環(huán)保是解決此問(wèn)題的一個(gè)有效途徑，其中外墻保溫隔熱材料就是一個(gè)備受關(guān)注的研究領(lǐng)域。

目前，世界上在房屋外墻保溫材料中大量使用的都是有機(jī)類(lèi)材料，如聚苯乙烯泡沫塑料和聚氨酯等。然而有機(jī)材料易燃，易老化，發(fā)生火災(zāi)后便成為了可怕的助燃劑，造成更大人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)其易老化的特性更是限制了其應(yīng)用的范圍。利用煤矸石制備的泡沫保溫陶瓷因其兼具陶瓷材料及多孔材料的優(yōu)良性能，可以很好地克服有機(jī)材料的缺點(diǎn)，因而發(fā)展迅速。

1 泡沫陶瓷簡(jiǎn)介

泡沫陶瓷是一種三維空間呈現(xiàn)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的陶瓷材料，根據(jù)孔結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)可以分為開(kāi)孔和閉孔。泡沫陶瓷憑借高的比表面積和低的熱傳導(dǎo)率被應(yīng)用于環(huán)境材料，吸聲材料及建筑外墻的保溫材料上。

2 泡沫陶瓷的制備工藝

2.1 發(fā)泡法

在體系內(nèi)加入發(fā)泡劑，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生泡沫，再經(jīng)干燥后燒結(jié)可制成泡沫陶瓷。常用的發(fā)泡物質(zhì)有碳化鈣，氫氧化鈣，鋁粉，硫酸鋁，雙氧水等無(wú)機(jī)材料和親水性聚氨酯塑料等有機(jī)材料。該制備方法制得的材料具有形狀，成分和密度容易控制的優(yōu)點(diǎn)，因此特別適合于閉氣孔陶瓷材料的制造。不足之處在于工藝復(fù)雜，制備出的陶瓷粉化剝落現(xiàn)象嚴(yán)重。呂瑞芳［1］等利用煤矸石和玻璃粉，采用發(fā)泡法制備出了多孔泡沫陶瓷材料，該研究發(fā)現(xiàn)燒結(jié)溫度對(duì)材料的表觀密度，抗壓強(qiáng)度及吸水率有顯著的影響。同時(shí)熱導(dǎo)率隨表觀密度的降低而減小。Wang 等以十二烷基硫酸鈉為發(fā)泡劑，利用煤矸石和氧化鋁在1400～1500下燒結(jié)出孔隙率為71.8%～88.2%，抗壓強(qiáng)度介于0.21～8.7MPa，導(dǎo)熱系數(shù)為0.1056～0.3848W/（m·K）的莫來(lái)石泡沫陶瓷。

2.2 溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法的作用機(jī)理大致來(lái)說(shuō)就是：在所需的原料中加入有機(jī)單體，催化劑及引發(fā)劑，充分球磨制得陶瓷漿料，之后將有機(jī)泡沫塑料緩慢放入漿料中浸泡，在其上漿料及其混合物發(fā)生原位聚合，附著在有機(jī)泡沫塑料上的漿料被凝固即得到多孔陶瓷。該方法主要應(yīng)用于制備納米級(jí)孔徑且氣孔分布均勻的陶瓷材料，但是制品的形狀受有機(jī)泡沫材料的限制。

2.3 造孔劑

在陶瓷配料中加入一定量的造孔劑，經(jīng)燒結(jié)后造孔劑氣化消失，在陶瓷中留下孔隙。常用的造孔劑有炭粉，木屑，淀粉糊精，聚乙烯醇（PVA），聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），硫酸鈉，硫酸鈣，氯化鈉，氯化鈣，碳酸胺，碳酸鈣，氯化銨等。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于通過(guò)設(shè)計(jì)造孔劑的形狀和大小可以獲得不同結(jié)構(gòu)的孔隙，同時(shí)工藝簡(jiǎn)單，成本較低。不足之處是受造孔劑本身影響，難以獲得氣孔率高的陶瓷制品。楊濤［2］等利用煤矸石為主要原料，活性炭粉充當(dāng)造孔劑，聚乙烯醇溶液為結(jié)合劑，在1400℃下燒結(jié)制備堇青石多孔陶瓷。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)造孔劑加入量為5%時(shí)，抗折強(qiáng)度達(dá)到29.1MPa。胡明玉［3］等以煤矸石和其他煤炭伴生頁(yè)巖為主要原料，陶瓷廠生產(chǎn)的廢棄拋光渣為造孔劑，滑石為助熔劑，在1200℃下燒結(jié)制備出孔抗壓強(qiáng)度大于12MPa 的多孔陶瓷。谷玲鈺［4］等用煤矸石，粉煤灰和木屑制備出了多孔陶瓷，研究表明木屑含量會(huì)影響孔隙率，隨著燒結(jié)溫度的增加，最大抗壓強(qiáng)度可達(dá)55.13MPa。甄強(qiáng)［5］等以煤矸石作主料，以丙烯酸樹(shù)脂為造孔劑合成多孔陶瓷，研究發(fā)現(xiàn)造孔劑用量為10%～40%時(shí)得到的多孔陶瓷符合外墻保溫材料的標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 有機(jī)泡沫浸漬法

有機(jī)泡沫浸漬法被視為用來(lái)生產(chǎn)高性能泡沫陶瓷的有效方法，在三維開(kāi)孔的聚氨酯泡沫塑料上涂敷陶瓷泥漿，干燥后高溫?zé)Y(jié)，在燒結(jié)過(guò)程中聚氨酯塑料會(huì)被充分燃燒盡，同時(shí)高溫下漿料得到致密化處理，從而得到與聚氨酯泡沫塑料同樣結(jié)構(gòu)的多孔泡沫陶瓷。該方法可以通過(guò)控制每個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)制備出高性能泡沫陶瓷，但有機(jī)泡沫體種類(lèi)有限，所以制備的泡沫陶瓷種類(lèi)受限。吳國(guó)天在煤矸石中加入鋁礬土和碳酸鎂制備出了堇青石多孔陶瓷，抗壓強(qiáng)度為3.68MPa。

3 煤矸石的來(lái)源及危害

煤矸石是采煤和洗煤過(guò)程中大量排放的一種碳含量較低的固體廢棄物，主要成分為氧化鋁和少量二氧化硅，其中還含有少量的鎵，釩，鈦，鈷等稀有元素。由于煤矸石的大量堆放不僅占用土地面積，而且這些有害物質(zhì)一旦進(jìn)入地下水會(huì)引起水源和土壤的污染。若引發(fā)自燃還會(huì)造成嚴(yán)重的空氣污染。

4 泡沫保溫陶瓷存在問(wèn)題及研究方向

4.1 存在問(wèn)題

煤矸石泡沫保溫陶瓷雖然一定程度上解決了一部分煤礦固體廢棄物，對(duì)建筑保溫節(jié)能方面有很大幫助，但也存在一些問(wèn)題：

（1）泡沫陶瓷用在建筑外墻保溫材料上對(duì)其保溫性能要求嚴(yán)格，要獲得好的保溫性能就需要內(nèi)部孔隙封閉不連通，大小適中且分布均勻，因此制備工藝要求嚴(yán)格；

（2）泡沫保溫陶瓷雖然具有抗老化，強(qiáng)度高，不燃等優(yōu)勢(shì)，但其加工性卻不如有機(jī)材料，因此極大地限制了其使用范圍；

（3）利用煤矸石等制備泡沫保溫陶瓷雖然節(jié)能環(huán)保，但是生產(chǎn)出的陶瓷材料顏色灰暗，色澤單調(diào)，在美觀性上需要提高和改進(jìn)。

4.2 研究方向

基于此，未來(lái)該方面的發(fā)展應(yīng)符合如下趨勢(shì)：

（1）基于化學(xué)成分建立相關(guān)配方設(shè)計(jì)體系，如利用模擬計(jì)算及三維相圖，建立多化學(xué)組元模型，實(shí)現(xiàn)可控制備；

（2）盡可能多地利用安全可靠的固體廢棄物作原料，在解決固廢環(huán)境問(wèn)題的同時(shí)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價(jià)值，發(fā)揮固體廢棄物的再利用價(jià)值；同時(shí)煤礦固體廢棄物成分復(fù)雜，其物理性能及燒結(jié)活性需進(jìn)一步研究；

（3）盡可能降低燒結(jié)溫度，研發(fā)低溫快燒配方體系，在生產(chǎn)工藝上真正做到節(jié)能；

（4）加強(qiáng)上下游產(chǎn)業(yè)銜接，實(shí)現(xiàn)協(xié)同增效。