李子恒

摘 要：以鈦白粉廠中間產(chǎn)物制備了TiO2微粒，在發(fā)泡陶瓷中分別和同時添加錳泥和TiO2微粒，進行燒結。通過SEM表征微觀形態(tài);抗壓抗折儀測定抗壓抗折強度，并進行了耐火極限性能的的測定。結果表明：成功合成了一種發(fā)泡陶瓷。添加錳泥、TiO2微粒對發(fā)泡陶瓷的溫度、微觀結構會有比較大的影響，并隨著發(fā)泡陶瓷的微觀結構變化會對發(fā)泡陶瓷的耐火極限和抗壓抗折性能產(chǎn)生影響。經(jīng)過改性的發(fā)泡陶瓷耐火極限性能最高達到3.47 h，抗壓強度達到10.1 MPa和3.7 MPa。

關鍵詞：發(fā)泡陶瓷;耐火極限;錳泥;TiO2微粒

1 前 言

發(fā)泡陶瓷是陶瓷原料添加發(fā)泡劑后經(jīng)過高溫燒結而得到的一種閉孔的多孔陶瓷[1]。其閉孔直徑為0.1 ～ 5 mm左右，孔之間互不連通[2，3]。發(fā)泡陶瓷有諸多優(yōu)點[4-6]：燒結后的發(fā)泡陶瓷孔的表面玻璃化，所以發(fā)泡陶瓷不吸水;因發(fā)泡陶瓷含有大量的閉合氣孔，其導熱系數(shù)小，保溫性能比較好;同樣大量的閉合氣孔也為發(fā)泡陶瓷帶來了優(yōu)異的隔音性能;發(fā)泡陶瓷是在1200℃左右燒結的陶瓷材料，故有較好的抗壓抗折強度，且其防火等級達到了A1級。發(fā)泡陶瓷以其諸多的優(yōu)點廣泛應用在建筑保溫及室內(nèi)隔墻等工程中[6，7]，成為了節(jié)能技術及產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的熱點，先后出現(xiàn)了尾礦、拋光磚廢渣、陶瓷廢渣等為原料的生產(chǎn)工藝[8-11]。

但是也正是由于發(fā)泡陶瓷大量的閉合氣孔的存在，在接觸持續(xù)的火焰時，閉合氣孔內(nèi)的氣體膨脹，對閉孔產(chǎn)生應力，達到其極限時就會開裂，整個發(fā)泡陶瓷四分五裂，失去完整性，失去其隔墻的效果，同時也失去了防火的作用。因此，如何提高發(fā)泡陶瓷耐火極限性能也是目前發(fā)泡陶瓷所要解決的問題。

本文通過添加錳泥及TiO2微粒實現(xiàn)了一種提高發(fā)泡陶瓷耐火極限性能的方法，并研究了其微觀形態(tài)及物理性能，以期為提高發(fā)泡陶瓷耐火極限性能提供參考，更好地 改進發(fā)泡陶瓷工藝，完善發(fā)泡陶瓷并使其得到更廣的應用。

2 原料、試劑和儀器

2.1原料

（1）鉀鈉長石：產(chǎn)自廣西桂林，其化學成分見表1。

（2）錳泥：來自廣西桂林，為錳鐵礦的礦物尾泥，其化學成分見表1。

（3）黃泥：來自廣西桂林，其化學成分見表1。

（4）硫酸鈦和硫酸氧鈦：來自廣西某鈦白粉廠中間產(chǎn)物，為沉降、過濾、濃縮后的溶液。

（5）尿素：產(chǎn)自廣西某化工廠，含氮量大于46.4%。

（6）熟石灰：來自廣西某石灰加工廠。

（7）Span80：工業(yè)級，產(chǎn)自廣東某化工廠。

（8）Tween40：工業(yè)級，產(chǎn)自廣東某化工廠。

（9）氫氧化鈉：工業(yè)級，購于廣西。

（10）鹽酸：工業(yè)級，購于廣西。

（11）滑石：來自廣西上林，其化學成分見表1。

（12）碳化硅：購于佛山，150目。

（13）其它化學輔料。

2.2 TiO2微粒的制備

將90 g尿素溶解到1L水中，稱取260 g熟石灰緩緩加入到溶有尿素的水中，攪拌2 ～ 6 h，放置待澄清后過濾，得到溶液A。將硫酸鈦和硫酸氧鈦的濃縮溶液與水按照1：10的比例混合均勻，得到溶液B。將Span80和Tween40按照一定比例加入到環(huán)己烷中，攪拌30 min，混合均勻，得到乳化液。將乳化液均勻分成兩份，其中一份加入溶液A攪拌均勻制成乳液A;另一份加入溶液B攪拌均勻制成乳液B。劇烈攪拌下將乳液A緩慢地加入到乳液B中，得到白色的TiO2微粒的乳液，該溶液抽濾后得到白色TiO2微粒粉末。

2.3 發(fā)泡陶瓷的制備

按照配方（表2）分別稱取鉀鈉長石、錳泥、黃泥、滑石、碳化硅和TiO2微粒粉末，用快速球磨機將原料混合20 min，使原料各組分充分混合。將混合好的原料噴霧造粒、陳腐一段時間后，放入磨具，在臺式快速全自動爐中進行燒結處理，燒結制度見圖1。

3 實驗結果與分析

3.1 TiO2微粒的表征

采用SEM和激光粒度分析儀對TiO2微粒進行表征，結果見圖2。

從圖2（1）中可以看到制備的TiO2微粒多呈準球形，部分TiO2微粒團聚在一起生成較大的粒子。粒度分布相對均勻，通過粒度分析可以得到納米粒子的粒徑多在0.6 ～ 1.0 μm之間。掃描電鏡結果說明，得到了較為均勻的準球形的TiO2微粒，其粒徑大于100 nm，由于該粒徑較小，其TiO2微粒在燒結時的燒結溫度比普通的TiO2粉末要低的多。

3.2 改性發(fā)泡陶瓷的微觀形貌分析

為觀察發(fā)泡陶瓷及改性發(fā)泡陶瓷的形貌，對燒結完成后的發(fā)泡陶瓷及改性發(fā)泡陶瓷拍照，見圖3;為觀察發(fā)泡陶瓷及改性發(fā)泡陶瓷的微觀形貌，采用SEM進行表征，結果見圖2。

從圖3（3）可以看到，普通發(fā)泡陶瓷的顏色為青白色，其孔徑在0.1 ～ 0.2 cm之間，觀察孔內(nèi)有明顯的玻璃化現(xiàn)象，說明該燒成制度適合該原料制備的發(fā)泡陶瓷的燒成。在此燒成基礎上，添加錳泥、TiO2微粒后的發(fā)泡陶瓷也出現(xiàn)了明顯的玻璃化現(xiàn)象（圖1、2、4）。其中添加錳泥的發(fā)泡陶瓷（圖1）為紫黑色，說明錳和鐵的添加導致發(fā)泡陶瓷的顏色明顯加深，其孔徑在0.1 ～ 0.2 cm之間，說明錳和鐵的添加對發(fā)泡陶瓷燒成溫度的影響不明顯。添加TiO2微粒的發(fā)泡陶瓷（圖4）為雪白色，說明鈦的添加導致發(fā)泡陶瓷的顏色變白，其孔徑在0.2 ～ 0.3 cm之間，但并沒有出現(xiàn)過燒現(xiàn)象，說明加入1%粒徑較小的TiO2微粒，對發(fā)泡陶瓷燒成溫度降低大概3 ～ 7℃。同時添加了TiO2微粒與錳泥的發(fā)泡陶瓷（圖2）為灰白色，其孔徑在0.1 ～ 0.25 cm之間，說明添加少量粒徑較小的TiO2微粒，對發(fā)泡陶瓷燒成溫度降低大概1 ～ 3℃。

從圖2（2）可以看到，普通發(fā)泡陶瓷在SEM下有很多細小的裂痕，并出現(xiàn)了一些褶皺的現(xiàn)象。在普通發(fā)泡陶瓷接觸火焰時，氣泡內(nèi)的氣體受熱膨脹，這些細小的裂痕以及褶皺導致發(fā)泡陶瓷上的氣孔受力不均勻，隨著持續(xù)接觸火焰，氣孔受應力越來越大，最終破碎，導致發(fā)泡陶瓷的耐火極限性能的時間并不長。而添加錳泥后（圖2（3）），出現(xiàn)了層狀結構，每個層的表面上不存在裂痕，并且褶皺消失。這種結構在持續(xù)接觸到火焰后，會在層和層之間的位置出現(xiàn)應力不均勻的現(xiàn)象。添加TiO2微粒后（圖2（4）），發(fā)泡陶瓷表面幾乎變?yōu)橐粋€整體，不存在裂痕，并且褶皺消失。這種結構持續(xù)接觸火焰，氣孔受應力整體幾乎一致，要比普通發(fā)泡陶瓷的耐火極限性能時間會長得多。同時添加錳泥和TiO2微粒后（圖2（5）），發(fā)泡陶瓷表面變?yōu)橐粋€整體，不存在裂痕，并且褶皺消失，也不存在分層的現(xiàn)象。這種結構與實驗中其它組的耐火極限性能時間相比，會長很多。

3.3 改性發(fā)泡陶瓷的耐火極限性能

普通發(fā)泡陶瓷耐火極限性能時長為1.13 h，添加錳泥發(fā)泡陶瓷耐火極限性能時長為1.75 h，添加TiO2微粒發(fā)泡陶瓷耐火極限性能時長為2.55 h，添加TiO2微粒與錳泥發(fā)泡陶瓷耐火極限性能時長為3.47 h。從實際測量的耐火極限性能來看，材料的微觀結構對耐火極限性能影響比較大，當材料存在很多細小的裂痕，并出現(xiàn)一些褶皺時，其耐火極限性能最差。發(fā)泡陶瓷表面成為一個整體，不存在裂痕，褶皺消失，也不存在分層時，其耐火性能最好。根據(jù)GB 50016-2014《建筑設計防火規(guī)范》：民用建筑中墻體耐火極限性能最高要求達到3 h。其中添加TiO2微粒與錳泥發(fā)泡陶瓷顯然可以滿足該要求。

2.4 改性發(fā)泡陶瓷的抗壓抗折強度

材料的微觀結構對抗壓抗折性能影響同樣比較大，為研究材料的微觀結構對抗壓抗折性能的影響，進行了抗壓抗折實驗。具體數(shù)據(jù)見表3。

當材料存在很多細小的裂痕，并出現(xiàn)一些褶皺時，其抗壓強度和抗折強度在幾個樣品中最差。隨著微觀結構中的細小裂痕、褶皺的消失，其抗壓強度和抗折強度明顯增加。發(fā)泡陶瓷表面不存在裂痕，褶皺消失，也不存在分層時，其抗壓強度和抗折強度最好。這是由于細小的裂痕、褶皺存在時，發(fā)泡陶瓷受到外力后，其裂痕、褶皺的位置會逐漸擴大，直至斷裂;當裂痕、褶皺消失后，其整個面受力，直至表面出現(xiàn)裂痕后才會被破壞。因此添加TiO2微粒與錳泥的發(fā)泡陶瓷的抗壓強度和抗折強度最好。

4 結 論

（1）使用鉀鈉長石、黃泥、滑石合成了一種白色的發(fā)泡陶瓷，并且添加錳泥、TiO2微粒對其改性，其發(fā)泡陶瓷孔徑均在0.1 ～ 0.3 cm之間，并且均有玻璃化現(xiàn)象。

（2）添加錳泥、TiO2微粒對發(fā)泡陶瓷的性質(zhì)會有比較大的影響。其中，添加了TiO2微粒會對發(fā)泡陶瓷的燒成溫度有所降低;添加錳泥、TiO2微粒會對發(fā)泡陶瓷的微觀結構產(chǎn)生影響，發(fā)泡陶瓷原有的褶皺、裂痕消失。

（3）發(fā)泡陶瓷的微觀結構變化會對發(fā)泡陶瓷的性質(zhì)產(chǎn)生影響，隨著發(fā)泡陶瓷原有的裂痕、褶皺消失，其耐火極限性能提高，并達到民用建筑中墻體耐火極限性能最高要求;抗壓抗折性能也有所增加。

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