硅藻土制备多孔保温材料

摘要
随着我国工业化进程的不断深化，资源能源危机日益严重，作为能源匮乏国，特别要求我们对能源的合理利用及对新能源产品的发掘。硅藻土作为一种纯天然单细胞硅藻植物遗骸沉积而成的矿石，在中国的远景储量达到20亿之多，且分布广泛，是近几年备受关注的新型材料。对于硅藻土的关注开始于20世纪50年代，由于硅藻土具有多孔且质轻，无毒且易吸附等特性被广泛应用于制备新型环保建材，对开发建筑材料领域和推进现代建筑装饰产业节能环保的发展具有深远意义。而且近年来，随着人们环境保护意识的增强，固体废弃物的再利用也成为人们瞩目的焦点。
于是近年来，国内外逐渐兴起了一种新型原料—具有微孔结构的硅藻土制备的优良的环保型建筑材料。由于硅藻土特殊的理化特性，使得用硅藻土制备的这类产品除了具有质轻、隔热、隔音、防水、不燃的特点外，还不含有害的化学物质，甚至可以起到净化空气的作用。因此，本研究基于我国具有丰富的硅藻土资源，对以硅藻土为主要原料制备多孔保温材料进行了研究。
本文参照CaO-Al2O3-SiO2 CaO-MgO-SiO2三元相图，通过对原料的合理选择，引入能够在较低温度烧成，且烧成收缩率较小的白云石等原料，粉煤灰、处理过的熟污泥为添加剂，废玻璃为助熔剂制备多孔保温材料，再参照一些经验配方，利用正交、对比等实验设计方法，经过XRD、扫描电镜等分析手段，初步确定了以硅藻土为基础原料的多孔保温材料坯体化学组成范围以及坯体烧成的最佳配方。烧结前对坯料配方进行差热曲线测试分析，用以确定坯料的烧结制度为分段升温、快慢升温相结合的烧结方式，才能保证坯料烧结过程中气体的排出及烧结完成后制品外观形貌的完好，避免出现针孔和开裂。另外，实验过程中还选择了合理的添加剂及适当的制备工艺过程，以在保证制品性能的同时，尽可能的降低能耗。最后对烧结制品进行扫描电镜、XRD进行微观分析，烧结制品的主要晶相为莫来石与钙长石及透辉石，坯料在烧成过程中有大量的液相形成，通过扫描电镜照片看到硅藻土本身的孔隙结构大部分并没有在烧成过程中遭到破坏。通过阿基米德原理、万能试验仪等对保温砖的孔隙率、抗折强度等进行了表征。讨论了烧结温度、保温时间、成型压力及原料中硅藻土和白云石含量对保温砖性能的影响，对加入不同的固废物作为成孔剂时所设计的保温材料配方进行了研究。
实验结果表明：硅藻土52%白云石26.5%粉煤灰为9.5%城市熟污泥6%玻璃粉6%时，外加20%蛋壳，成型压力为15MPa，烧结温度为1020℃，保温时间为30min，制得的保温材料的吸水率为28.6%孔隙率为56%密度为1.01 g/cm3，抗折强度为10.03MPa，导热系数0.056 w/m•k。
关键词：多孔保温材料，硅藻土，烧结性能，导热系数
第一章引言
随着生态环境的进一步恶化，能源危机已经成为世界性问题，正因为这样，建筑保温节能工作越来越引起业内人士的热切关注，科学技术的发展以及人们生活水平提高的同时，人们对环境保护的意识也逐渐增加，对建筑材料的内在质量、品质、功能的要求也越来越高，同时对“绿色建材”的祈盼也更加强烈。因此，国内外对保温材料工业的环保问题都开始越来越重视，为了减少对环境的危害，并最大程度上减少资源浪费，要求从原材料的开采和、运输到产品生产、产出后的使用，以及使用后的如何处理的问题，都要遵循发展“绿色”环保保温材料制品的原则。也就是说，我们必须要对保温材料的工艺可靠性、保温隔热性能、保温材料的稳定性、实用价值及使用寿命、是否具有生态环保性和可循环利用价值等方面进行重点研究。
近几年，我国北京、沈阳等多地相继发生建筑物外墙起火的大型火灾事故，造成巨大的损失，这和建筑物外墙所使用的传统保温材料易燃的缺点不无关系。
相关部门已经深刻意识到传统保温材料存在诸多的弊端，要采取措施从根本上解决这个问题，就要寻求性能稳定，不易燃的原料来制备新型保温材料来替代传统的保温材料。加上近两年来雾霾的出现，使得人们对城市环境保护日益关注，因此，如何生产节能环保绿色安全建材成为建筑材料发展的热门方向。
保温隔热材料与制品是否可靠是能否做到建筑节能中的重要环节。世界各国对建筑保温材料的研制与应用也越来越重视。保温材料的生产和在建筑中的应用，能大大减少能源的消耗量，从而达到减少环境污染和温室效应的作用。当今建筑要求具有既能保温隔热，又能防火的两大功能，无机保温材料作为A级保温材料很好的满足了保温隔热、防火的要求。
第二章文献综述
2.1建筑保温材料
2.1.1建筑保温材料的分类及其性能
建筑材料中将导热系数小于或等于0.2的材料定义为保温材料。我国建筑材料按燃烧性能等级划分为几个等级，见表2.1。
建筑用保温材料可分为三大类：无机保温材料、有机保温材料、无机-有机复合保温材料。
1）无机保温材料
1.矿物棉。矿物棉主要指岩棉和玻璃棉。岩棉是一种绿色产品，其本质来自天然矿物且无毒无害，在满足保温隔热性能的同时还能够具有一定的隔声效果；玻璃棉与岩棉在性能上存在很多相似之处,不过其手感好于岩棉,可改善人的劳动条件,但价格较岩棉为高。但是岩棉和玻璃棉都存在固有的吸水率大，导热系数高，易粉化，耐久性差等问题，在施工中会对皮肤产生刺激，生产过程中也存在污染隐患。岩棉、玻璃棉通常应用在特定的领域，但是在常温保温领域，需要注意的问题太多[1]
2.珍珠岩保温板。珍珠岩保温板质轻、阻燃、防尘、防潮，保温性能良好，性能稳定不易变形、无毒无味憎水性能好，广泛应用于各种建筑领域，目前已占
我国保温材料的7%左右。
3.玻化微珠。玻化微珠导热系数较高，吸水率大，容易空鼓开裂，因此在北方地区被限制，其保温性能、耐久性被质疑。
4.泡沫玻璃。泡沫玻璃具有质轻却强度高、防火不燃、导热系数小、吸水率小、不霉变、耐腐蚀、无毒、物理化学性能稳定等优越特性被广泛应用在国防军工、石油、化工、地下工程等领域。又因其耐酸耐碱、防啮防蛀、无放射性、易加工且不变形，是一个既安全可靠又经久耐用的建筑节能环保材料。
5.发泡水泥板。发泡水泥板属于A级不燃无机保温材料，防火性能良好、隔热性能，轻质耐震性好，抗压强度高，粘结力强，施工方便，无毒无害寿命长。加之其克服了以往采用的泡沫隔热材料所产生的保温差，热传感率高，产生龟裂的特点，而被广泛应用于大跨度工业厂房、大型公用设施、民用住宅、活动房及住宅夹层、仓库、大型机车库、飞机场、体育场馆、展览馆的隔墙保温等各个领域的建筑工程中。
2）有机保温材料
1.聚氨酯泡沫（PU）PU的燃烧等级为B2级，属于高度易燃材料，施工难度一般，导热系数低，未添加阻燃剂时氧指数16.5%热分解以及燃烧时的产物主要有一氧化碳，氰化氢，异氰酸酯等，因此燃烧所放出的烟气毒性很大[2]
2.挤塑聚苯板(XPS)XPS的燃烧等级为B2级，由于其强度较高，使得板材较脆，进行弯曲时板上出现应力集中现象，容易使板材损坏、开裂。且透气性差，几乎不透气的性能使得当板两侧的温差较大时，如果湿度较高，则很容易结露。这种材料的伸缩性差，很容易受温度及湿度的变化的影响而起鼓，导致保温层脱落。另外其吸胶性能差，粘结后破坏面是XPS板的表面，粘结强度低。热分解和燃烧时所分解的产物毒性很大。
3.膨胀聚苯板(EPS)EPS的燃烧等级为B2级，施工难度一般，导热系数也一般，因此价格也相对低廉。未添加阻燃剂时氧指数仅为18%燃烧时的热释放量较大，受热燃烧后的收缩、熔化现象，导致外保温系统内产生空腔，轰燃状态下燃烧剧烈，燃烧时产生的滴落物还具有引燃性。
4.酚醛泡沫。酚醛泡沫的导热系数低、防火性能好、易施工。目前我国的酚醛泡沫行业整体水平低，产品质量比较不稳定，产品出现许多掉粉、吸水、强度不够等值得关注的问题，需要大力开展研究。
第五章结论
以具有特殊多孔结构的硅藻土为主要基料，白云石、粉煤灰、处理过的熟污泥为添加剂，玻璃粉为助溶剂，外加蛋壳作为成孔剂，经一定工艺过程，按照一定烧结制度，一定烧结温度进行烧成，制备出孔隙率高，密度较小，导热系数低，综合性能良好的多孔保温材料。得出以下结论：
1.硅藻土52%白云石26.5%粉煤灰为9.5%城市熟污泥6%玻璃粉6%时，外加20%蛋壳，成型压力为15MPa，烧结温度为1020℃，保温时间为30min，制得的保温材料的吸水率为28.6%孔隙率为56%密度为1.01 g/cm3，抗折强度为10.03MPa，导热系数0.056 w/m•k。
2.XRD分析表明，在最佳烧结温度1020℃下烧成，保温30min，内部生成晶相主要为莫来石、钙长石和透辉石晶相，提高了多孔保温材料的机械强度。
3.SEM分析表明，实验制得多孔保温材料中含有大量气孔。虽然制品内部所产生的气孔形状并不规则，但是熔融的玻璃相使得一些孔洞呈封闭结构，这是导致多孔保温材料抗折强度较好的重要原因之一。
4.蛋壳作为成孔剂的加入，显著降低了制品密度，同时大大提高了原始坯料配方烧结后的制品性能，最为固废物的循环再利用是非常可行的。