硅藻土制备无机装饰板材的研究进展

童军 韦华 刘蕊蕊 冀志江 王静

（1湖北格林森绿色环保材料股份有限公司，湖北 武汉 430200；2中国建筑材料科学研究总院 绿色建筑材料国家重点实验室，北京 100024）

0 前言

在人们日益增长对美好生活的需求的今天，社会和消费者对于居住环境已经不满足于片瓦遮头的原始概念，而是提出了更高的标准，人性化、适应性、艺术感以及健康、绿色、环保如今成为消费者考量的指标。现有的室内墙面装饰装修大部分采用乳胶漆、壁纸墙布等，然而存在不具环保性、易释放有害气体的问题。目前具有环保型、功能性和艺术性的内墙装饰板成为关注的亮点，以硅藻土为主要原料开发的矿物生态板材以其具有轻质、保温、调湿、吸附有害气体、抗菌等多功能性被人们认可与关注，解决了现有板材环保安全使用的问题，还增加了功能性和立体装饰效果。

硅藻土是一种生物成因的硅质沉积岩，其主要成分为非晶质的二氧化硅，并伴有少量的金属氧化物、盐类和有机质等[1]。硅藻土质地轻软、耐酸耐碱，具有独特的多孔结构，孔隙率达90%以上，比表面积达65m2/g，展现较强的吸附性能，可作为硅质材料生产硅酸盐制品。将硅藻土制成硅藻土基板材，是充分利用硅藻土的多孔结构特性制备多功能的环保型建筑材料。

目前硅藻土制备的无机装饰板材种类较多，包括硅藻保温板、硅藻土消音板、硅藻石膏板、硅藻生态板、硅藻装饰板、藻钙板等[2-3]，但这些板材的形成机理绝大多数和硅酸钙板的形成机理相似，因此本文重点介绍硅藻土制备的硅酸钙板的形成机理以及生产制备工艺，阐述硅藻土制备无机装饰板材的研究现状，探讨无机装饰板材物理化学性能的影响因素，并对其应用及存在的问题进行展望。

1 硅酸钙板的形成机理与生产制备工艺

以硅质（硅藻土）、钙质材料为主要胶结材料，无机矿物纤维或纤维素纤维等纤维为增强材料，经成型、加压（或非加压）、蒸压养护制成的板材称硅酸钙板。与传统的建筑板材相比，硅酸钙板具有的优越性能主要是由于托贝莫来石的产生，其属于CaO-SiO2-H2O系统中合成的一种结晶性的硅酸钙水化物。目前，实际生产中常用水泥或石膏代替熟石灰，作为胶凝材料促进板材的成型，因此可能形成CaOSiO2-Al2O3-H2O四元反应系统或CaO-SiO2-Al2O3-CaSO4-H2O五元反应系统，最终形成托贝莫来石、硅酸钙水合物CSH以及铝的硅酸钙水合物等成分，从而保证了硅酸钙板良好的物理和力学性能。

据文献调研，托贝莫来石型硅酸钙板的生产工艺主要有两种[4]，国内一般采用的是静态压制法，日本主要采用的是三菱化合成法，相应的生产工艺流程图见图1所示。

硅酸钙板在进蒸压釜之前先要进行预养护阶段，紧接着将板材放入蒸压釜中，此时硅酸钙板中含有30%的水分，这些水分在氢氧化钙和二氧化硅颗粒表面形成一层水薄膜，该薄膜主要是由氢氧化钙和二氧化硅的饱和溶液组成。因此氢氧化钙和二氧化硅的反应主要是在该水相中进行的，其反应的特点是在固定的液相中进行。在蒸压养护的初期，氢氧化钙和二氧化硅反应生成高碱度的水化硅酸钙C2SH，随着反应的进行，生成了大量的C2SH凝胶，因此氢氧化钙和二氧化硅不断地溶解，最终氢氧化钙被二氧化硅全部反应，由于高碱度的水化硅酸钙不稳定，会继续与二氧化硅反应生成低碱度的硅酸钙水合物CSH，因此只要有氢氧化钙存在，C2SH凝胶就会不断析出，从而不断转变成低碱度CSH凝胶，最终生成托贝莫来石型硅酸钙水合物。随着反应的进一步进行，硅酸钙水合物凝胶之间出现接触点，使不同地方的晶粒连接成一个骨架，填充于基料间，由此形成了具有一定强度的硅酸钙板。

图1 硅酸钙板生产工艺流程图

2 硅藻土制备无机装饰板的研究现状

水热合成方法是硅藻土制备硅酸钙板常用的制备方法。Hirotaka Maeda等人[5]以硅藻土、熟石灰和磷酸三钙（比例为50：40：10）为原料，在压制压力为5MPa、水热温度180oC、水热时间10h条件下制备了硅酸钙板，XRD检测结果证明了托贝莫来石峰的存在，SEM结果表明产品呈现断面形貌，不仅有片状，还有柱状，进一步证明了托贝莫来石型硅酸钙水合物的形成，获得的板材强度可达到9MPa，且比表面积较大。

白涛等人[6]以硅藻土、消石灰和水为主要原料，通过模压成型与水热固化等工艺结合，制备了一种以硅藻土为功能组分的轻质建筑板材，在表观密度为0.85g/cm3时，硅藻土基多功能板材的抗折强度可达1.62MPa，即使在0.50g/cm3左右密度下的力学强度也可与石膏天花板相当，相应的导热系数可低至0.0671W/（m·K）；进一步分析测试表明，该板材由于硅藻土的多孔结构，同时具备显著的吸/放湿容量及甲醛吸附能力。说明以硅藻土为功能组分，采用适当生产工艺可以得到轻质、高强、保温、调湿、吸附甲醛等功能一体化的新型建筑板材，满足建筑室内装饰装修需要。

李清海等人[7]在水热合成条件下研究了不同硅质材料（主要是石英砂和硅藻土）对硅酸钙板性能的影响及其产生微观结构的差异，对制成的无增强材料的硅酸钙板的组成、性能以及微观结构等方面进行了系统研究，得出结论如下：1）以硅藻土为硅质材料制得的硅酸钙板材的抗折强度优于以石英砂为硅质材料制得的板材，然而前者热收缩性能比后者差；2）不同硅质材料所含SiO2活性不同，硅藻土最佳钙硅比为0.6-0.7，而石英砂最佳钙硅比为0.65-0.8；3）以石英砂为硅质材料水热反应有托贝莫来石形成，而以硅藻土为硅质材料水热反应后没有形成托贝莫来石。

韦华等人[8]以硅藻粉（硅藻土、TiO2、无机矿物）、石膏类钙质材料为原料在液态介质（由无机内掺型硅醇钾、柠檬酸钠、硫酸铝钾、水复配而成）下，加入玻璃纤维增强剂，采用浇注成型的方法制备了一种能净化空气的藻钙生态板，通过设计正交试验确定藻钙复合材料优化方案及表面处理工艺，获得最佳板材的断裂荷载大于300N，甲醛净化率达95%，藻钙生态板的高强度归因于玻璃纤维的添加。

梁兴荣等人[9]以硅藻土为原料制备硅酸钙板，并对其进行性能的研究，发现可以通过硅藻土加入量的不同制备出容重小于0.95g/cm3、导热系数小于0.16W/（m·K）的板材产品，并证明了木纤维掺量的增加能够明显降低导热系数，但是硅酸钙板抗折强度明显降低，影响力学性能。

夏惠凤等人[10]将硅藻土作为主要硅质材料用于纤维增强硅酸钙板的生产，并且分别以砂和硅藻土作为主要硅质材料生产纤维增强硅酸钙板，分析对比了产品性能的差异，研究表明硅藻土和砂制板工艺没有明显差异，但是硅藻土在制板成型时真空脱水参数应有所提高；硅藻土的加入会降低板材的强度，板材的含水率、吸水率和孔隙率都会增加。该研究中产品的最佳硅藻土掺入量为50%。

基于以上讨论可知，硅藻土含量、增强纤维、Ca/Si比、反应工艺条件、表面处理等参数都影响着无机装饰板材的结构以及物理化学性能，尤其是硅藻土含量不仅影响力学性能（抗折强度），硅藻土的加入还会影响产品的吸水性、含水性、净化性等性能；还有不同成型压力、蒸氧时间和蒸氧压力也影响硅酸钙板的力学性能。因此，合理设计工艺路径对于无机装饰板材性能的提升具有重要的意义。

3 硅藻土制备的无机装饰板的应用及展望

3.1 公共建筑空间集成系统

公共建筑空间集成系统应用主要包括吊顶、墙面、墙顶集成、隔断、玄关、背景墙，广泛应用于大型办公、医院、酒店、商场、学校、文物保护所、大剧院、专业厂房等场所。硅藻土制备的无机装饰板的肌理纹设计、丰富的工艺塑造以及镂花（镂空）造型、配套龙骨与集成照明、暖通、安防等集成组件为公共建筑空间开创集成新时代，其特有的功能性诠释了人、空间、生活的健康主题。

1）公共办公场所：创造一个舒适、清洁、安全、高效的工作环境，硅藻土制备的无机装饰板材将从温湿度调节、有害气体捕捉及持续净化、负离子释放等方面改善和提高室内空气质量，显著沉降空间内微小粉尘并起到抗菌抑菌作用。

2）酒店与商场：从古老的元素符号、镂空花雕装饰、现代简约组合吸音，结合色彩、灯光、采暖等集成技术，无限表达特定的文化内涵，实现设计的隐喻性、暗示性和叙述性，以饱满、对称、平衡、安详的特色，以凝重而流畅，精致而典雅风格，实现以空间为载体带给感官视觉冲击效果，营造顾客置身其中的氛围体验。

3）对于教室、多媒体厅、图书馆、试验室等学校室内空间，内在的呼吸性、捕捉性、空气净化性、负离子仿生性、吸音降噪性改善室内空间的空气质量。

4）在博物馆、历史资料馆、纪念馆、寺庙、图书馆、美术馆以及书库等建筑中，藻钙材料呼吸功能带来的自调湿性对古物、古建筑、古书籍的保护起到积极的贡献。

5）在音乐厅、影剧院、演播厅、会议室、报告厅、体育馆、KTV包房等声学场所和噪声超标准的厂房，硅藻吸音天花板与硅藻吸音墙板具有吸音降噪的作用。

图2 格林森墙板

3.2 家装集成系统

1）入门玄关以呼应为主的第一道风景线过渡到以主题视区的沙发背景墙、电视背景墙、客厅集成叠级吊顶。

2）厨卫集成吊顶：其具备的防潮透气、消除甲醛、释放负氧离子、去除异味等特点，给家庭创造一个良好生活环境起到重要作用。

3）应用于起居的卧室背景墙、婚房背景墙、儿童背景墙、老人背景墙等。

3.3 展望及存在的问题

墙体材料覆盖面广，生产使用量仅次于混凝土。随着国家墙材革新与建筑节能政策力度的加大、公众环保意识的增强，耗费资源、自重大、保温隔音差的传统墙材已日渐淡出市场。硅藻土制备的无机装饰板材具有质轻高强、保温调湿、隔音美观、可装配化施工、机械加工性能好等特点，是室内墙体材料发展的重要方向，在今后的应用中必然占有一席之地。

在实际应用过程中，硅藻土制备的无机装饰板材仍存在以下问题：1）应用性能有待进一步提升，例如经常出现表面平整度差、裂缝、起皮，吸水率过高，吸水后板材的强度急剧降低，导热系数急剧升高等缺点，使得板材的耐久性下降；2）多功能性不能集中，协同增强效果不能实现最大化，工艺设计以及材料功能性赋予仍需深入研究；3）硅藻土基板材的相关标准还没有建立。以上说明硅藻土板材从工艺设计、功能性开发到性能测试与评价等内容还需要系统研究。