发泡剂在发泡陶瓷保温板中发泡原理的研究

邓坚勇　胡丽芳　罗淑芬　林志江

摘 要：本文通过研究发泡陶瓷保温板的TG-DSC曲线，分析SiC-MgCO3-Li2CO3系发泡剂在烧结过程中的发泡原理，得出发泡剂主要是在高温时通过发生分解和氧化等化学反应放出大量气体，此时坯体产生部分液相，在气体的表面张力作用下形成均匀封闭的微细气孔，最终形成了具有低导热系数的发泡陶瓷保温材料。

关键词：SiC-MgCO3-Li2CO3系发泡剂；TG-DSC曲线；发泡原理；化学反应

1 引言

近年来，发生了多起与保温材料有关的重大火灾，备受各界人士的关注，起火的主要原因是所用保温材料为有机材料，防火等级低。于是绿岛科技研发出了A1级防火的发泡陶瓷保温板，它特有的A1级防火，隔热保温，隔声，防潮等性能，用于建筑屋面隔热和外墙外保温系统中，广受好评，甚至被专家认为可以取代现有的有机保温材料EPS，XPS等。发泡陶瓷保温板是以陶土尾矿、陶瓷碎片、掺加料等作为主要原料，添加少量的矿化剂及发泡剂，采用先进的生产工艺和发泡成型技术，经1180～1200℃高温焙烧而成的高气孔率的闭孔陶瓷材料。产品之所以具有好的隔热保温性能，主要原因是发泡剂在烧制过程中产生大量气体，留下了大量气孔在产品中。本文通过研究发泡陶瓷保温板的TG-DSC曲线，分析发泡陶瓷保温板烧结过程中发泡剂的发泡原理。

2 试验

2.1试验原料及配比

陶土尾矿、陶瓷碎片、掺加料、矿化剂、组合发泡剂（SiC、MgCO3、Li2CO3）。具体配比见表1

2.2试验方法

2.2.1热重分析法

热重分析法（TG）是在程序控制温度下，测量物质的质量随温度变化的一种技术方法。由热重分析仪记录的质量变化对应温度的曲线称为热重曲线（TG曲线）。TG曲线纵坐标为质量，横坐标为温度。通过分析TG曲线的变化，可以得出试样发生物理化学反应的起始温度、终止温度、最终失去质量的多少等。用在无机材料中应用中，通过分析TG曲线，可以对陶瓷矿物原料进行定性和定量分析，吸水和脱水的测定，蒸发和升华速度的测量等。

2.2.2差示扫描量热分析法

差示扫描量热分析法（DSC）是在程序控制温度下，测量待测试样和参比物的能量差（功率差或者热流差）随温度或者时间变化的一种技术方法。有差热扫描量热仪测量和记录的反应热量对应温度的曲线称为DSC曲线，纵坐标表示热量差，横坐标为温度。在无机材料应用中，通过分析DSC曲线出峰温度、峰谷的数目、形状和大小，并结合试样的来源及其他分析资料，可鉴定出原料或产品中的矿物、相变，进而找出吸热或放热效应的原因。

3 结果与分析

对发泡陶瓷保温板的配方进行了TG-DSC试验测试，测试结果曲线如图1。

（1）发泡陶瓷保温板的TG曲线分析

从图1的TG曲线中可以看出，随着温度的升高，伴随着质量的减少，主要发生在三个阶段。第一阶段发生在20～320℃之间，失重为0.51%，这是由于原料中的吸附水随着温度升高而脱水引起的失重；第二阶段发生在320～800℃之间，失重为2.11%，此阶段主要是原料杂质的烧蚀及低温发泡剂MgCO3分解放出CO2而引起的失重；第三阶段发生在800～1190℃之间，失重为0.55%，此阶段主要是高温发泡剂SiC的氧化及Li2CO3高温分解放出CO2气体而引起的失重过程。

从总的TG曲线中可以看出，整个烧结过程中，失重为3.17%，整个烧结过程，实际的失重要比按照理论计算的失重少，这主要是因为发泡陶瓷保温板气孔率高，而且多為闭口气孔，在烧结过程中，发泡剂产生的气体并没有完全排出，大部分被包裹在这些闭口气孔中。在矿化剂MgO及MgCO3分解出的MgO共同作用下，试样的熔融程度增加，液相量增加，包裹的气体量增多，而且此时液相量的粘度和表面张力较大，气体不易跑出，被牢牢的包裹形成气泡，最终形成密闭气孔保留在发泡陶瓷保温板。

（2）发泡陶瓷保温板的DSC曲线分析

从图1的DSC曲线中，随着温度的升高，整个烧结反应过程中主要有5个吸热峰和一个放热峰。第一个吸热峰发生在20～320℃之间，吸热峰温度为77.5℃，主要原因是吸附水吸热脱水的物理反应过程；第二个吸热峰发生在320～550℃之间，吸热峰温度为491.1℃，这主要试样夹带杂质的一个烧蚀吸热过程；第三个吸热峰发生在550～800℃之间，吸热峰温度为575.7℃，在这个吸热过程中，可能原因是发泡剂MgCO3的发生了分解反应：MgCO3→MgO+CO2↑，放出了气体，从而在曲线中变现为吸热的过程；第四个吸热峰发生在800～950℃之间，吸热峰温度为911.5℃，根据查阅的相关资料，此吸热过程可能是发泡剂Li2CO3一个熔化过程而引起的吸热；第五个吸热峰发生在1100～1190℃之间，吸热峰温度为1189.5℃，此阶段峰值比较大，吸收的热量较多，其一原因可能是Li2CO3（Li2CO3→Li2O+CO2↑）受热分解放出CO2气体的一个化学反应过程而引起的吸热，其二原因是晶相转变而引起的吸热；而唯一的放热峰发生在950～1100℃之间，放热峰温度为990℃，这可能是发泡剂SiC（SiC+2O2→SiO2+CO2↑）被氧化的一个化学反应过程而引起的放热。

综合TG-DSC曲线分析可以发现，发泡陶瓷保温板的整个烧结过程中发泡剂的发泡原理是氧化反应或者分解反应而产生大量气体，虽然反应有部分质量的损失，但是却远比理论计算的失重量要小，不难发现大部分气体被包裹起来形成气泡。

4 结论

（1）SiC-MgCO3-Li2CO3系发泡剂在发泡陶瓷保温板的发泡原理是通过氧化和分解等化学反应来释放大量气体。

（2）整个烧结过程中失重小于理论计算失重，从而得出发泡剂发生化学反应放出的气体大部分被包裹起来，最后形成密闭的气孔保留在发泡陶瓷保温板中。

（3）配方在烧成过程中1189℃有一个明显峰值，因此在1180～1200℃进行20 min保温，会大大提高产品的各种理化性能。

参考文献

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