17年專注硅酸鋁（陶瓷）耐火纖維的研發(fā)、制造、
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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)計干密度為260kg/m3，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)時間2h。對燒結(jié)體進(jìn)行了性能測試，測試結(jié)果表明，燒結(jié)體干密度268kg/m3，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。
針對以上問題，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，本試驗所涉及的方法其優(yōu)勢在于: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。
試驗材料與方法
1.1原材料
硅酸鋁活性粉體，800號高鋁耐火水泥;二氧化硅粉體，粒徑1μm;物理發(fā)泡劑，自制。
1.2試驗方法
1.2.1材料制備
本試驗采用最基礎(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，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測試方法
分別測定試塊28d齡期和煅燒后的抗壓強(qiáng)度和干密度，試驗方法參照GB/T11969—2008《蒸壓加氣混凝土性能試驗方法》。導(dǎo)熱系數(shù)測試方法參照GB/T10294—2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測定防護(hù)熱板法》，采用設(shè)備為Dre-2C導(dǎo)熱系數(shù)測試儀。吸水率具體試驗方法參照GB/T11969—2008《蒸壓加氣混凝土性能試驗方法》，體積吸水率采用公式(1)計算，精確到0.1%。
式中:W為試件的體積吸水率，%;M為試件吸水后質(zhì)量，M0為試件吸水前質(zhì)量，kg;ρ為水的密度，ρ=1000kg/m3;V為試塊的體積，m3。
采用XL-30EMSE型環(huán)境電子掃描顯微鏡對型坯和燒結(jié)體進(jìn)行微觀形貌的觀察。采用DX-2700型X射線衍射儀對型坯和燒結(jié)體的組成進(jìn)行物相分析。
結(jié)果與討論
結(jié)果與討論結(jié)果與討論
經(jīng)測試，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)計干密度的方法，即膠結(jié)料與礦物料在定容至1L時，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。
試驗結(jié)果顯示，型坯的干密度為285kg/m3，燒結(jié)體的干密度為268kg/m3，均高于其理論干密度260kg/m3，原因在于，膠結(jié)料在膠凝過程中發(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)過程中的質(zhì)量損失和體積收縮的綜合結(jié)果。
本次試驗采用的礦物質(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，理論干密度可達(dá)到200kg/m3以下。
2.2抗壓強(qiáng)度
作為高溫保溫隔熱材料，對抗壓強(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，對于密實塊體，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)。
圖1型坯(a)與燒結(jié)體(b)的斷口形貌
圖2型坯(a)與燒結(jié)體(b)的X-ray衍射結(jié)果
圖1所示為工業(yè)窯爐硅酸鋁輕質(zhì)高溫保溫隔熱材料型坯和燒結(jié)體的斷口顯微照片，圖2所示為工業(yè)窯爐硅酸鋁輕質(zhì)高溫保溫隔熱材料型坯和燒結(jié)體的Xray衍射結(jié)果。從圖1(b)中可以看出，相對于型坯，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)沒有發(fā)現(xiàn)變化。
型坯在燒結(jié)過程中，發(fā)生一定程度的體積收縮，同時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，相對于型坯，燒結(jié)體具有較高的抗壓強(qiáng)度。
需要說明的是，這種細(xì)密氣孔的存在，對裂紋擴(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)
試驗測得型坯吸水率為50%，燒結(jié)體吸水率為3%，從吸水率的測定可以看出，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，致使測試樣品在浸泡水時，始終漂浮于水面，外部水分無法進(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℃時導(dǎo)熱系數(shù)為0.159W/(m·K))是顯而易見的。
試驗測得型坯和燒結(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)膠加入量過大時，膠結(jié)料甚至無法凝結(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
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，其工藝操作比較簡單，理論干密度與實際測試值非常接近，工藝過程易于控制，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)時間2h，設(shè)計干密度260kg/m3。
3)所制備的材料燒結(jié)體干密度268kg/m3，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。
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