利用珍珠岩尾粉制备发泡材料

范玲玲,刘 鹏,贾 凯

(信阳师范学院化学化工系,河南省珍珠岩制品工程技术研究中心,河南信阳 464000）

利用珍珠岩尾粉制备发泡材料

范玲玲,刘 鹏＊,贾 凯

(信阳师范学院化学化工系,河南省珍珠岩制品工程技术研究中心,河南信阳 464000）

以信阳珍珠岩尾粉、凝灰岩为主要原料,石墨为发泡剂,添加适量废玻璃粉、添加剂,在不同的温度下烧制成发泡材料.利用热分析仪分析了混合料的发泡温度,用X射线衍射仪、压力试验机等对样品进行结构表征和性能测试.结果表明:珍珠岩尾粉-凝灰岩发泡材料合适的发泡温度为930℃,保温时间为30 min,样品密度为0.43 g/cm3,抗压强度为4.00 MPa.

珍珠岩尾粉;凝灰岩;发泡材料;制备

Abstract:Foaming materials were prepared at different baking temperatures in the presence of a proper amount of waste glass powder and other additives,using tailings of perlite and tuff from Xinyang as raw materials and graphite as foaming agent.The foaming temperature of the mixed raw materials and additives was analyzed using a differential thermal analyzer(DTA).The structure and performance of as-prepared foaming materials were analyzed by means of X-ray diffraction and pressure testing.Results show that the mixed raw materials and additives can be readily prepared into foaming materials by baking at 930℃for 30 min.Resultant foaming material has an apparent density of about 0.43 g/cm3and compressive strength of 4.00 MPa.

Keywords:tailings of perlite;tuff;foaming material;preparation

无机发泡材料具有良好的隔热、吸声和耐火特性,是较高级的保温隔热或隔音材料,其不仅可作为轻质建筑材料,还可广泛用于石油、化工、冷藏、船舶、电力等工业领域.目前,国内外无机发泡材料主要有石膏、菱苦土、石灰、水泥类常温发泡材料和泡沫玻璃类高温发泡材料.泡沫玻璃主要是以玻璃粉、工业矿渣、矿山废弃物等为原料,按照一定比例添加发泡剂、促进剂、稳泡剂等,混合均匀后置入模具中,经过低温预热、高温熔融发泡、冷却、退火等工序而制成.

信阳上天梯地区有丰富的珍珠岩矿产资源,其储量、品位、易开采条件均居“亚洲第一”,已成为我国珍珠岩矿砂加工和产(制)品生产的集散地.每年众多的珍珠岩生产企业在生产过程中产生大量的尾粉,目前这些尾粉还未得到有效利用,不仅造成资源浪费,而且污染环境[1].珍珠岩的主要矿物组成是SiO2玻璃质,它是很好的无机发泡材料制备原料.另外,信阳上天梯地区还有大量的凝灰岩资源未得到有效利用[2],凝灰岩又称含碱玻璃原料,也是制备无机发泡材料的很好原料.

本文作者以珍珠岩尾粉和凝灰岩为主要原料,添加发泡剂,经焙烧发泡和退火冷却加工处理后,制得具有均匀气孔结构的无机发泡材料.因发泡材料基体内含有大量气泡,所以具有密度低、导热系数小等物理性质,而基体独特的气孔结构又使其在冲击强度、韧性和抗疲劳等方面具有优良的性能,从而可广泛应用于隔热保温、保冷、吸声等领域.

1 实验部分

1.1 主要仪器

SSJ-I高温箱式电炉:洛阳市新奇实验电炉厂;XP204S电子天平:瑞士Mettler-Toledo公司;D8 Advance X射线粉末衍射仪:德国Bruker公司;HCT-1微机差热天平:北京恒久科学仪器厂;WE-100液压式万能实验机:济南实验机厂;KM-Ⅰ型快速研磨机:湘潭湘仪仪器有限公司;8411型电动振筛机:湘潭湘仪仪器有限公司.

1.2 原料及试剂

珍珠岩微粉(160目):信阳上天梯地区某厂制砂收尘粉;凝灰岩(160目):信阳上天梯地区某厂生产;石墨、Na3PO4、Na2B4O7·10H2O 等均为市售分析纯.

所用矿物原材料的化学成分见表1.

表1 矿物原材料的化学组成Table 1 The chemical composition of mineral raw materials %

1.3 实验步骤

发泡材料的制备流程见图1.制备过程主要包括以下步骤:①发泡材料配合料的制备;②发泡材料配合坯体的制备;③发泡材料配合坯体的焙烧发泡、退火冷却.

图1 发泡材料制备工艺流程Fig.1 Foaming material preparation process

1.4 配比设计

因珍珠岩和凝灰岩的熔融软化温度较高,为降低发泡温度,在配合料中加入适量废玻璃粉.根据单因素实验结果及原料的化学成分和各添加剂的作用机理,以L9(34)正交表设计珍珠岩尾粉发泡材料的配比.前期实验证明,相同实验条件下,手工混合原料、制备坯体,也能制得较小密度的发泡材料,但发泡效果整体较差,泡孔均匀性欠佳.因此,本实验选择球磨的方式混合原料,加入适量水后加压成型.根据单因素实验的结果,合适的球磨混合时间为10 min,坯体成型压力为3.75 MPa,固定发泡时间为30 min.实验的四因子三水平设计见表2.

表2 发泡材料配比实验水平表Table 2 Foaming material ratio test level tables

其中,凝灰岩与珍珠岩比例为1∶1,各种添加剂是在基础原料外另外添加,且固定磷酸钠和硼砂(1∶1)的掺量为5%.

1.5 发泡材料的烧制

本实验中发泡材料的烧制包括预热、发泡和退火.

1.5.1 预热

由于坯体的导热性较差,升温速率不宜过快,而且要保温一定的时间[3],直接高温焙烧、发泡,会造成表面层玻璃粉过早地熔融,造成坯体内外层产生较大温差应力,使发泡不均匀.为此,从室温以15℃/min的升温速率升温至300℃,保温20 min.

1.5.2 发泡

预热后将坯体以约20℃/min的升温速度快速加热到发泡温度进行发泡,快速升温的目的是为了防止发泡剂在配合料低于软化温度时过多地分解.配合料达到软化温度时,形成的熔融体包覆发泡剂分解释放出的气泡,从而使样品的体积膨胀起来[4].

1.5.3 稳泡与退火

当发泡结束时,迅速将试样冷却至600℃左右,其目的是将产生的气孔结构迅速固定下来,否则就会形成越来越大的孔穴,气孔的分布也不均匀,而且会出现连通孔.由于试样迅速冷却,将产生应力,为了消除应力,在600℃左右进行保温退火,保温20 min,然后缓慢冷却到室温,测定发泡材料的性能.

2 结果和讨论

2.1 实验结果

按L9(34)正交表设计的实验点进行实验,得到不同的发泡材料.试样的性能测试结果见表3.

表3 正交实验结果分析Table 3 Orthogonal experimental results

从表3结果分析可知,发泡温度对发泡材料密度、抗压强度均有较大影响;玻璃粉掺量对制品的密度影响较大,但对抗压强度的影响最小;而珍珠岩和凝灰岩掺量、石墨掺量对发泡材料密度影响程度相同,同时石墨掺量对制品抗压强度也有较大影响.随着玻璃粉掺量的增加或发泡温度的升高,制品密度降低,但升高温度会使泡的均匀性变差,增加连通孔.因发泡温度对制品密度和抗压强度均有较大影响,而实验目的主要是珍珠岩尾粉废物利用,综合考虑样品密度、抗压强度、发泡情况及能耗等方面的因素,选择正交实验的优化条件为:玻璃粉掺量45%,凝灰岩和珍珠岩掺量55%,石墨掺量0.5%,发泡温度930℃.

按照优选配方与工艺条件制得的发泡材料的密度为:0.43 g/cm3,抗压强度为4.00 MPa,实物照片见图2.按照优选工艺条件进行实验,样品的密度没有明显降低,但样品孔径结构、孔的均匀性有较大改观,且样品的抗压强度较大.为了制得低密度、高抗压强度且孔径均匀的发泡材料,需要做进一步的实验研究,优化相关工艺条件.

2.2 样品的XRD表征

图3为样品的X射线衍射图,其中A为优选配方样品,B为6号样品.由图3可知:在发泡材料制品的X射线衍射图中,绝大部分为非晶质相物质,但含有少量的石英特征峰,这主要是由于珍珠岩和凝灰岩中含有的石英在发泡温度下未能完全熔融,非晶质相物质将导致发泡材料表观密度增大.适当提高制品的发泡温度或延长发泡时间有利于改善这种状况.

图2 优选工艺条件下制得的发泡材料的实物图Fig.2 The photo of foaming material prepared at optimum condition

图3 样品的XRD图Fig.3 XRD diagram of the samples

2.3 石墨及配合料的热分析

为保证配合料坯体软化温度与发泡剂生成气体时的温度相匹配,使坯体内形成均匀分布的封闭气孔,必须探明配合料的软化温度,为选择合适的发泡剂提供依据.因此对发泡剂石墨及优选配合料做热分析,热分析结果见图4与图5.

由图4和图5可知:空气气氛下,石墨在650℃开始氧化生成气体,900℃左右生成气体量最大,而配合料在900℃左右失重达最大,因此,石墨适合作为该配合料的发泡剂.

图4 空气气氛中石墨的 TG-DTA曲线Fig.4 The TG-DTA curve of graphite in air atmosphere

图5 空气气氛中优选配合料的 TG-DTA曲线Fig.5 The TG-DTA curve of preferred materials in air atmosphere

结论:1)以信阳珍珠岩尾粉和凝灰岩为主要原料,加入部分废玻璃粉和适量的发泡剂、稳泡剂、助熔剂等,经球磨混合、压制成型、烧成发泡工序,制备出密度0.32～0.45 g/cm3,抗压强度1.25～5.00 MPa的发泡材料.2)影响发泡材料性能的因素主要是发泡温度和玻璃粉掺量.其中,玻璃粉掺量主要影响样品坯体的熔融软化温度,发泡温度对发泡材料的抗压强度和密度都有较大影响.3)从节约原料成本和能耗等方面综合考虑,珍珠岩尾粉和凝灰岩的添加量不宜太多,实验表明:珍珠岩尾粉和凝灰岩(二者比例为1∶1)掺量为55%较为合适,且合适的发泡温度为930℃,保温时间是30 min.4)本实验以石墨为发泡剂制备的珍珠岩尾粉发泡材料密度小、抗压强度高,但泡孔均匀性欠佳,孔径偏大,有部分连通孔出现,因此需要进一步优化有关工艺条件.

[1]李培启.关注“亚洲第一矿”的生态安全—信阳上天梯非金属矿生态环境问题调查[J].环境保护,2006(13):66-70.

[2]木士春.凝灰岩的物理化学性质及其开发利用[J].中国矿业,2000,9(3):17-20.

[3]冯宗玉,薛向新,李勇.利用油页岩渣制备微晶泡沫玻璃的研究[J].材料导报,2008,22(3):131-133.

[4]沈琪,陈克荣,吴义军,等.泡沫玻璃与微晶泡沫玻璃的研制[J].南京大学学报:自然科学版,1999,35(3):373—377.

Preparation of foaming material from tailings of perlite

FAN Ling-ling,LIU Peng＊,J IA Kai

(Henan Engineering Research Center f or Perlite Products,College of Chemistry and Chemical Engineering,Xinyang Normal University,Xinyang464000,Henan,China)

TQ 171.9

A

1008-1011(2011)01-0092-04

2010-09-20.

河南省工程技术研究中心专项资金资助项目(102102313101).

范玲玲(1985-),女,硕士生,研究方向为无机非金属材料.通讯联系人.E-mail:liupeng1621@163.com.