摘要:以硅酸鋁活性粉體為膠結(jié)料，以二氧化硅為礦物質(zhì)添加物，經(jīng)物理發(fā)泡形成多孔泡沫型坯，干燥后高溫煅燒，制備一種耐高溫的輕質(zhì)保溫隔熱材料。設(shè)計(jì)干密度為260kg/m?，材料基本配比及工藝為200g高鋁耐火水泥，60g二氧化硅粉體，100mL水，水灰比0.5，定容體積1L，燒結(jié)溫度1180℃，燒結(jié)時(shí)間2h。對(duì)燒結(jié)體進(jìn)行了性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，燒結(jié)體干密度268kg/m?，抗壓強(qiáng)度4.2MPa，1000℃下導(dǎo)熱系數(shù)0.06W/(m·K)，吸水率3%，作為工業(yè)窯爐保溫隔熱材料性能優(yōu)良。
耐火保溫隔熱材料一般用于工業(yè)爐窯、冶金、管道和熱工設(shè)備中，以減緩熱量的散失。目前，保溫隔熱材料主要有巖礦棉、玻璃棉、泡沫塑料、膨脹珍珠巖、硅酸鋁纖維等5大類，除了泡沫塑料用于包裝、建筑保溫等領(lǐng)域，其他4類保溫隔熱材料均可用于工業(yè)窯爐，但基于這些材料普遍具有連通孔隙的微觀組織特性，高溫條件下的保溫隔熱性能并不十分理想。巖礦棉的最高使用溫度為500℃，玻璃棉的最高使用溫度為200℃，膨脹珍珠巖的最高使用溫度為800℃。硅酸鋁耐火纖維是目前發(fā)展最快，高溫工業(yè)爐窯上應(yīng)用最多的耐火纖維，其具有高溫隔熱、保溫、耐火、降噪、絕緣及輕質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)，其最高使用溫度為1260℃，長(zhǎng)期使用溫度為950～1050℃，但抗壓抗折力比較差，易產(chǎn)生粉塵，防水性能不太好，吸水率大，其連通孔隙不利于保溫。
針對(duì)以上問(wèn)題，本研究以硅酸鋁活性粉體為膠結(jié)料，添加其他礦物原料，經(jīng)物理發(fā)泡形成多孔泡沫型坯，高溫煅燒后獲得具有一定強(qiáng)度、干密度和吸水率低的耐高溫輕質(zhì)保溫隔熱材料。與其他材料體系相比，本試驗(yàn)所涉及的方法其優(yōu)勢(shì)在于:①窯爐耐熱保溫層可以一體成型，最大限度降低拼接縫的熱能耗散;②與硅酸鋁纖維相比，內(nèi)部氣孔為閉氣孔，表現(xiàn)為吸水率低。
試驗(yàn)材料與方法
1.1原材料
硅酸鋁活性粉體，800號(hào)高鋁耐火水泥;二氧化硅粉體，粒徑1μm;物理發(fā)泡劑，自制。
1.2試驗(yàn)方法
1.2.1材料制備
本試驗(yàn)采用最基礎(chǔ)配比，具體制作步驟:①稱取200g高鋁耐火水泥，60g二氧化硅粉體，置于2000mL不銹鋼容器中，加入100mL水，攪拌成漿體待用;②用壓縮空氣將物理發(fā)泡劑吹成細(xì)小泡沫待用;③逐次加入泡沫至水泥漿體，同時(shí)攪拌均勻，直至定容到1L的體積;④將攪拌好的泡沫漿體倒入模型中，用塑料薄膜密閉包裹，放入養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，溫度設(shè)定為37℃，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28天;⑤取出型坯自然晾干3天后，90℃烘干24h，再升溫到120℃烘干24h;⑥烘干后型坯留部分樣品待測(cè)，其余樣品于1180℃煅燒2h，升溫速率為2℃/min，降溫為隨爐冷卻。
1.2.2測(cè)試方法
分別測(cè)定試塊28d齡期和煅燒后的抗壓強(qiáng)度和干密度，試驗(yàn)方法參照GB/T11969—2008《蒸壓加氣混凝土性能試驗(yàn)方法》。導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試方法參照GB/T10294—2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測(cè)定防護(hù)熱板法》，采用設(shè)備為Dre-2C導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀。吸水率具體試驗(yàn)方法參照GB/T11969—2008《蒸壓加氣混凝土性能試驗(yàn)方法》，體積吸水率采用公式(1)計(jì)算，精確到0.1%。
采用XL-30EMSE型環(huán)境電子掃描顯微鏡對(duì)型坯和燒結(jié)體進(jìn)行微觀形貌的觀察。采用DX-2700型X射線衍射儀對(duì)型坯和燒結(jié)體的組成進(jìn)行物相分析。
結(jié)果與討論
經(jīng)測(cè)試，硅酸鋁輕質(zhì)高溫保溫隔熱材料的干密度、抗壓強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)和吸水率測(cè)試結(jié)果列于表1。
表1硅酸鋁輕質(zhì)高溫保溫隔熱材料的干密度、抗壓強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)和吸水率測(cè)試數(shù)據(jù)2.1干密度
影響干密度的因素有兩點(diǎn):固相物質(zhì)質(zhì)量和定容體積。這也是獲得近似設(shè)計(jì)干密度的方法，即膠結(jié)料與礦物料在定容至1L時(shí)，理論上，其型坯或燒結(jié)體的干密度，數(shù)值上等于膠結(jié)料與礦物料的質(zhì)量之和。
試驗(yàn)結(jié)果顯示，型坯的干密度為285kg/m?，燒結(jié)體的干密度為268kg/m?，均高于其理論干密度260kg/m?，原因在于，膠結(jié)料在膠凝過(guò)程中發(fā)生水化反應(yīng)，部分水成為固相的組成構(gòu)成，使型坯的干密度高于理論干密度。高溫?zé)Y(jié)后，由于原料的純度所限，原料中的水分和揮發(fā)物質(zhì)、膠凝過(guò)程形成的結(jié)構(gòu)水均被燒失，燒結(jié)體的干密度應(yīng)低于理論干密度，但在燒結(jié)過(guò)程中發(fā)生一定的體積收縮，使得干密度增大，燒結(jié)體的干密度將取決于燒結(jié)過(guò)程中的質(zhì)量損失和體積收縮的綜合結(jié)果。
本次試驗(yàn)采用的礦物質(zhì)輔助材料為二氧化硅，可被石墨、高嶺土、玻璃微珠等取代或補(bǔ)充。當(dāng)被石墨或玻璃微珠取代時(shí)，理論干密度可達(dá)到200kg/m?以下。
2.2抗壓強(qiáng)度
作為高溫保溫隔熱材料，對(duì)抗壓強(qiáng)度的要求不似結(jié)構(gòu)承重件的要求高，但具有一定的抗壓強(qiáng)度是必要的。
型坯抗壓強(qiáng)度主要來(lái)源于膠結(jié)料水化反應(yīng)所產(chǎn)生的、以分子鍵為主形成的膠結(jié)強(qiáng)度，對(duì)于密實(shí)塊體，其28d終凝強(qiáng)度可達(dá)43MPa，發(fā)泡后，由于大量氣孔隔斷了膠結(jié)料的分子聯(lián)結(jié)，其抗壓強(qiáng)度大為降低，換言之，型坯的抗壓強(qiáng)度與干密度具有理論意義上的正相關(guān)。
相對(duì)于型坯，燒結(jié)體孔壁鈍化光滑，呈現(xiàn)明顯的玻璃化現(xiàn)象，微細(xì)孔尺寸減小，數(shù)量減少。衍射結(jié)果表明，燒結(jié)體中，二氧化硅衍射峰消失，推斷應(yīng)為二氧化硅由晶體轉(zhuǎn)為玻璃相所致，但主要物相結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)變化。
型坯在燒結(jié)過(guò)程中，發(fā)生一定程度的體積收縮，同時(shí)二氧化硅與部分膠結(jié)料反應(yīng)形成玻璃相，從化學(xué)鍵的角度，物料組成成分之間部分分子鍵和氫鍵轉(zhuǎn)化為陶瓷體所具有的離子鍵，相對(duì)于型坯，燒結(jié)體具有較高的抗壓強(qiáng)度。
需要說(shuō)明的是，這種細(xì)密氣孔的存在，對(duì)裂紋擴(kuò)展具有鈍化作用，因此，此類材料具有良好的機(jī)械可加工性能。
2.3 吸水率與導(dǎo)熱系數(shù)
試驗(yàn)測(cè)得型坯吸水率為50%，燒結(jié)體吸水率為3%，從吸水率的測(cè)定可以看出，燒結(jié)體的內(nèi)部氣孔，基本上為閉氣孔，或者氣孔之間為極細(xì)的通道，以至于毛細(xì)管力大于外部進(jìn)入的水的壓力，致使測(cè)試樣品在浸泡水時(shí)，始終漂浮于水面，外部水分無(wú)法進(jìn)入樣品內(nèi)部，不妨將這樣的氣孔形態(tài)稱之為“類閉氣孔”，這種“類閉氣孔”形態(tài)相比連通氣孔形態(tài)(硅酸鋁纖維)具有更低的導(dǎo)熱系數(shù)(硅酸鋁纖維800℃時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)為0.159W/(m·K))是顯而易見的。
試驗(yàn)測(cè)得型坯和燒結(jié)體導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.08和0.06W/(m·K)，結(jié)合吸水率，燒結(jié)體導(dǎo)熱系數(shù)的降低主要是由于氣孔形態(tài)由型坯的開氣孔轉(zhuǎn)變?yōu)闊Y(jié)體的閉氣孔所致。
氣孔的大小由氣態(tài)膠泡沫大小決定，數(shù)量由氣態(tài)膠的加入量決定，而氣態(tài)膠加入量直接與干密度和抗壓強(qiáng)度負(fù)相關(guān)，即氣態(tài)膠加入量越大，干密度越低，抗壓強(qiáng)度也越低，當(dāng)氣態(tài)膠加入量過(guò)大時(shí)，膠結(jié)料甚至無(wú)法凝結(jié)為固體。
泡沫材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響因素主要有兩個(gè)方面:①固相物質(zhì)(骨架)的導(dǎo)熱系數(shù);②氣孔的特性(形態(tài)、數(shù)量、大小和分布)。為了降低導(dǎo)熱系數(shù)，還應(yīng)該合理選擇礦物質(zhì)添加物作為固相物質(zhì)(骨架)的組成成分。此外，在滿足干密度和導(dǎo)熱系數(shù)的前提下，為了提高抗壓強(qiáng)度，添加一些纖維增強(qiáng)材料也是可以考慮的。
結(jié) 論
1)用物理發(fā)泡方法制備一種硅酸鋁輕質(zhì)高溫保溫隔熱材料，其工藝操作比較簡(jiǎn)單，理論干密度與實(shí)際測(cè)試值非常接近，工藝過(guò)程易于控制，生產(chǎn)重復(fù)性好，成本低。應(yīng)用于工業(yè)窯爐可以整體澆注成形，減低了保溫隔熱磚堆砌必然存在的堆砌縫對(duì)保溫隔熱性能的可能影響。
2)材料物料基本配比及工藝為200g高鋁耐火水泥，60g二氧化硅粉體，100mL水，定容體積1L，燒結(jié)溫度1180℃，燒結(jié)時(shí)間2h，設(shè)計(jì)干密度260kg/m?。
3)所制備的材料燒結(jié)體干密度268kg/m?，抗壓強(qiáng)度4.2MPa，導(dǎo)熱系數(shù)0.06W/(m·K)，吸水率3%，作為工業(yè)窯爐保溫隔熱材料性能優(yōu)良。
