張曉宇 陳延東 吳長泉 李玉峰 王永威

摘 要：本文介紹了一種發(fā)泡陶瓷用復合發(fā)泡劑及其制備過程。實驗通過調整碳化硅收塵粉與碳化硅池泥勾兌比例，穩(wěn)定粒徑中值D50后，作為發(fā)泡劑主體。另引入助氧化劑含高鐵赤泥[2]，一定量的螢石為穩(wěn)泡劑，按適當比例混勻，得到一種效果優(yōu)異的復合發(fā)泡劑。總質量按100份計算，取2#碳化硅粉15-25份，7#碳化硅池泥30-50份，碳化硅粉預混勾兌，備用，另取拜耳法赤泥15-40份，螢石粉20-30份，輔料每100g干法球磨時間5min，按比例混合得到復合發(fā)泡劑。配合后的復合發(fā)泡劑，其摻量占發(fā)泡陶瓷基體材料總質量的0.5%～3.0%，使用發(fā)泡溫度范圍在1050～1230℃達到良好的發(fā)泡效果。

關鍵詞：發(fā)泡陶瓷;復合;發(fā)泡劑;碳化硅

1 引 言

發(fā)泡陶瓷作為一種陶瓷新材料，早在90年代已在我國登上市場舞臺，但由于其推廣難度大，市場定位不明確等因素，很長時間不能產生規(guī)模經濟效益，也制約著其技術研究及工業(yè)化發(fā)展。隨著國家十三五、十四五規(guī)劃對固體廢棄物等綜合利用及新材料的重視，發(fā)泡陶瓷行業(yè)自2017年以來出現井噴式發(fā)展。各廠家在發(fā)泡陶瓷這種性能優(yōu)異，功能復合的新材料的目光吸引下，紛紛入場預備大施拳腳。

據業(yè)內人士不完全統計，我國大概有31家企業(yè)從事發(fā)泡陶瓷生產。受限于目前各廠家技術背景參差不齊，其產品質量及生產合格率堪憂。筆者從業(yè)內獲知，這些發(fā)泡陶瓷廠家也大多數處于停工停產或半開半閉的狀態(tài)。究其原因，能源成本高，成品率低是限制其發(fā)展主要問題。而對于提高其成品率和產品質量，發(fā)泡劑是一個非常重要的因素。本文通過多次實驗論證，提供一種發(fā)泡效果比較穩(wěn)定的發(fā)泡陶瓷復合發(fā)泡劑，希望能對行業(yè)生產有所幫助。

2 實驗內容

2.1實驗原料

目前閉氣孔發(fā)泡陶瓷主要發(fā)泡劑原料是磨料碳化硅及陶瓷磚切削磨拋過程中產生的含有磨料碳化硅的拋光廢渣[1]。本實驗主要選用磨料碳化硅廠的收塵微粉和處理池池泥（干）混合勾兌，輔以含鐵赤泥，螢石等原料，以一定量配比為復合專用發(fā)泡劑。

實驗碳化硅微粉選用開封某磨料廠碳化硅收塵粉2#，碳化硅池泥渣7#，其組分和粒度如表1和表2所示。

所用輔料為焦作某鋁廠拜耳法赤泥，其化學成分如表3所示;螢石為信陽本地螢石礦浮選礦粉，CaF2含量≥40%，其他礦物成分為石英、黑云母、絹云母、方解石、角閃石成分也比較穩(wěn)定。

2.2 實驗過程

（1）將上述原料準備齊全后，按下面所示工藝流程操作：

（2）實驗參數

實驗發(fā)泡陶瓷基體配方材料選用科美工廠噴霧料基體配方TC-1#，其化學成分如表4所示。

總質量按100份計算，取2#碳化硅粉15-25份，7#碳化硅池泥30-50份，碳化硅粉預混勾兌，備用，另赤泥15-40份，螢石粉20-30份，輔料每100g干法球磨時間5min，作為成品復合發(fā)泡劑。配合后的復合發(fā)泡劑，其摻量占發(fā)泡陶瓷基體材料TC-1#總質量的0.5%～3.0%。

按百分比質量分數1.5%帶入TC-1#配方，燒成成品外觀膨脹倍數適中，尺寸規(guī)整，閉氣孔率大于90%，孔徑均勻。其實際使用發(fā)泡溫度范圍在1050～1230℃，燒成時間為3-4h，電爐升溫曲線如圖2所示。

2.3 探索性實驗

通過查找相關文獻資料，磨料碳化硅微粉是一種比較優(yōu)異的泡沫陶瓷（玻璃）用發(fā)泡劑，但因其粒度越細價格越高，純度越高，發(fā)生氧化反應的溫度也越高。因此本文采用的是碳化硅廠的收塵尾粉，處理池泥等尾料，降低成本。

實驗通過引入助氧化劑含高鐵赤泥[2]，摻入一定量的螢石為穩(wěn)泡劑。限定的實驗條件下，調整2#碳化硅收塵粉與7#碳化硅池泥勾兌比例，穩(wěn)定粒徑中值D50，將干磨處理后的上述氧化劑，助泡劑，穩(wěn)泡劑，按適當比例混勻，通過調整混合配比來優(yōu)化復合發(fā)泡劑的配方成分。

根據實際燒成效果，發(fā)泡孔徑均勻性，閉氣孔率的表征來確認最佳配比。

3 實驗結果與分析

3.1 碳化硅粒度對復合發(fā)泡劑發(fā)泡效果的影響

保持其它原料組成不變，改變碳化硅粉2#與7#的混合比例含量，使其粒徑中值D50變動，當粒徑D50中值大約穩(wěn)定在2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、6.0時，對其外觀尺寸，孔徑狀態(tài)的影響如表5所示。

從表5可以看出，當SiC粒徑中值比較小時，其易參與高溫氧化還原反應，產生氣體多，與原料中其他物質不能同步排氣，通氣孔比較多。隨著SiC粒徑中值（D50）的增加，產品尺寸膨脹倍數降低，外觀尺寸規(guī)整，閉氣孔率高，但當D50超過6.0μm后，SiC難以參與氧化還原反應，產生氣孔反而減少。因此，當SiC的粒度中值在3.5～4.5μm之間時，效果最好。

3.2 助氧化劑對復合發(fā)泡劑發(fā)泡效果的影響

保持其它原料組成不變，改變配比組分中赤泥的含量，當其在復合發(fā)泡劑中的比例分別為10%，20%，30%，50%，60%，80%，90%對其外觀尺寸，孔徑狀態(tài)的影響如表6所示。

從表6可以看出，赤泥在高溫反應中引入Fe，Ca等元素參與氧化反應，有助熔助泡的作用，有利于復合發(fā)泡劑中氧化反應時氣泡的快速生成。但當其在復合發(fā)泡劑配比中的含量超過80%后，相關元素反而對氣泡的穩(wěn)定產生負面效果，因此，當復合發(fā)泡劑中，赤泥含量在30%～50%范圍，其發(fā)泡效果最佳。

3.3 螢石含量對復合發(fā)泡劑發(fā)泡效果的影響

保持其它原料組成不變，改變配比組分中螢石的含量，當其在復合發(fā)泡劑中的比例分別為10%，20%，30%，50%，60%，70%，對其外觀尺寸，孔徑狀態(tài)的影響如表7所示。

螢石參與配方反應，在材料高溫軟化狀態(tài)時，在發(fā)泡陶瓷表層形成一種相對硬質的殼層，保護氣泡穩(wěn)定在陶瓷材料內部，尺寸也相對規(guī)整[3]。從表7可以看出，當螢石在復合發(fā)泡劑中摻量在20%～30%（wt%）時，復合發(fā)泡劑使用效果最好。

3.4 燒成溫度制度對發(fā)泡效果的影響

在探索實驗中，按上述幾種合適配比的復合發(fā)泡劑固定組分，發(fā)泡陶瓷基體材料TC-1#不變。在圖1的溫度制度基礎上，調節(jié)1165℃保溫時間，在8～12min內，線膨脹倍數合適，尺寸規(guī)整;超過12min時，尺寸反而有所減小，孔徑開始出現部分通孔。延長1050～1165℃升溫時間，膨脹尺寸也會略有增加。調節(jié)其他溫度區(qū)間，材料尺寸、孔徑狀態(tài)均無明顯變化。因此，合理的溫度制度，也對發(fā)泡陶瓷的高溫氧化還原反應中，氣泡的生成狀態(tài)有重要影響[3]。

4 結論與探究

本文采用了碳化硅廠的固廢微粉與池泥，混合勾兌的碳化硅粒徑D50在3.0～4.5μm作為發(fā)泡劑主體，輔以鋁廠固廢赤泥30%～50%（wt%）作為助氧化劑助泡劑，螢石20%～30%作為穩(wěn)泡劑，制成復合發(fā)泡劑。將其按質量分數0.5%～2.0%（wt%）帶入發(fā)泡陶瓷基體材料中，以合適的溫度制度，燒成尺寸規(guī)整，線膨脹倍數大，孔徑均勻的發(fā)泡陶瓷材料。

從上述實驗以及相關文獻中，我們不難得出，含Fe、Ca、Ti等元素含量相對高的礦物原料，在陶瓷生產中大多屬于有害元素，而富含這些元素的礦物也大多屬于固體廢棄物。使用這些礦物原料，既節(jié)省了經濟成本，也解決了固體廢棄物。相關技術工作者應多從現實條件和政策條件出發(fā)，不局限于使用優(yōu)質高價的化工原料，不拘泥于資源有限的礦物原料。多集思廣益，變廢為寶，為行業(yè)的綠色未來及可持續(xù)發(fā)展做出一份貢獻。

參考文獻

[1] 池躍章，等.發(fā)泡劑對利用廢渣和尾礦制備閉孔發(fā)泡陶瓷的影響[J].新型建筑材料，2008（07）：80～82.

[2] 周明凱，彭麗芬，王懷德，胡開文.氧化鐵和發(fā)泡劑對煤矸石閉孔發(fā)泡陶瓷的性能影響[J].中國陶瓷，2015（51）：77～80.

[3] 張留生，邱永斌.高溫發(fā)泡陶瓷及其應用[J]. 新型建筑材料，2005（05）：58～59.