发泡陶瓷保温隔热复合板的应用研究进展

发泡陶瓷保温隔热复合板的应用研究进展
龚婷; 赵鑫; 肖宏凯; 陈浩波; 张银凤
【期刊名称】《《湖北理工学院学报》》
【年(卷),期】2019(035)005
【总页数】5页(P19-23)
【关键词】发泡陶瓷; 复合板; 隔热保温; 研究进展
【作者】龚婷; 赵鑫; 肖宏凯; 陈浩波; 张银凤
【作者单位】湖北理工学院环境科学与工程学院湖北黄石 435003
【正文语种】中文
【中图分类】X705; TB321
0 引言
目前，我国正沿着中国梦的宏伟蓝图迅猛地发展着，现代化进程蒸蒸日上。

繁荣景象的背后，我们也应该清醒地认识到，我国经济和社会发展正面临着三大考验[1]，即资源、能源和环境问题。

据资料显示，在我国的能源消耗结构中，建筑能耗是一个重要组成部分[2]。

建筑能耗日趋紧张，建筑节能问题受到了越来越多的重视[3]。

时至今日，我国的城市化进程如火如荼，全国各大中小城市都呈现出一片欣欣向荣的景象。

城市化过程中，建筑能耗已成为一个不可避免的主题，引起了全社会的高度重视。

实践证明，使用保温隔热材料是建筑节能最直接有效的方法之一。

日本的节能实践报告表明，每使用1t保温隔热材料，便可节约标准煤3 t/a，所带来的节
能效益是材料生产成本的10倍[4]。

为了最大程度地节约能源，降低建筑能耗，人们对建筑装饰材料保温性能的要求越来越高。

目前，世界上广泛使用的外墙保温材料大多数是有机材料，如聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)、聚氨酯(PU)等[5]。

但是这些材料普遍存在易燃、易老化等缺点[6]，发生火灾时它们便成为助燃剂，会加快火焰的传播和扩散，加重火灾危害性后果；有机类的外墙保温材料受到风吹雨打、暴晒暴寒等恶劣环境的侵蚀氧化之后容易老化，会大大缩短使用寿命。

基于此，开发一种具备保温隔热防火性能的外墙保温材料，用以替代传统的墙体材料，对建筑节能和建筑装饰具有重大意义。

高温发泡陶瓷是在陶瓷主要生产原料的基础上，通过添加适量发泡剂，采用先进制备工艺经高温烧制而成的一种多孔陶瓷[7]。

高温发泡陶瓷经高温发泡而成，内部均匀分布着大量的闭口气孔，气孔之间互相不连通，不吸水。

其体积密度小，孔隙率大，具有质轻、保温隔热、防火防潮、不燃等优良特点。

发泡陶瓷材料防火等级为A1级，有效克服了有机保温材料易燃易老化的弱点，在建筑外墙保温领域具有广泛的应用前景，是一种新型绿色环保的建筑节能材料。

1 发泡陶瓷的应用研究进展
关于发泡陶瓷的研究，国内外众多学者都进行了各自的探索。

张留生等[8]论述了制备高温发泡陶瓷的基本原理，并研究总结了高温发泡陶瓷烧成所需的原料组成以及化学成分，见表1和表2。

表1 高温发泡陶瓷原料组成 wt%塑性原料熔剂性原料低熔点原料助熔性原料15～2050～6015～203～5
表2 高温发泡陶瓷原料的化学组成 wt%SiO2Al2O3MgO+CaONa2O+K2O65～8012～222～44～10
王国梅等[9]采用钟祥瓷砂为主要原料，碎玻璃为助熔剂，少量的Fe2O3和碳粉为发泡剂，制备了具备良好防水、保温性能的高温发泡陶瓷，最佳样品经1 160 ℃
烧成后体积密度为0.767 g/cm3，吸水率为 0.49%，热导率为0.067 W/(m·K)，
抗压强度为3.67 MPa，抗折强度为2.60 MPa。

张小锋等[10]以高岭土、石英、工业氧化铝、钾长石为主要原料，废石膏为发泡剂，经1 300～1 400 ℃烧成制备出了中铝质闭孔发泡陶瓷砖,主要探讨了助熔剂和烧
成制度等因素对闭孔发泡陶瓷砖性能的影响。

实验研究表明，闭孔泡沫陶瓷砖的闭气孔率随着钾长石含量增加而增大，随烧结温度升高先增大后降低，抗压强度和热导率随烧结温度升高而降低。

在1 360 ℃，保温时间为60 min的条件下烧成后，高温发泡陶瓷的体积密度为1.324 g/cm3，抗压强度为4.82 MPa，热导率为
0.173 W/(m·K)，闭气孔率为57.2%。

黄洁宁等[11]研究了不同原料组成、烧成制度等对发泡陶瓷样品的体积、密度、孔隙率、吸水率等性能的影响。

以页岩为主要原料，添加抛光渣中残留的SiC为造
孔剂，滑石为助熔剂，在烧成温度为1 250 ℃、滑石含量为10%、抛光渣含量为25%时制备出体积密度为0.80～0.90 g/cm3，孔隙率>50%，吸水率<2%的具有均匀分布闭气孔的泡沫隔热陶瓷。

丁力等[12]以内蒙古包头珍珠岩尾矿为主要原料，添加膨润土、白云石、长石、紫砂、高温砂等为熔剂，使用碳化硅和萤石为发泡剂，制备了导热系数较低的发泡陶瓷，主要研究了尾矿的添加量、烧成制度和配方对发泡陶瓷的热导率、抗压强度、理化性能的影响。

研究表明，珍珠岩尾砂可以用来制备发泡陶瓷，最大添加量为85%，获得的发泡陶瓷热导率≤0.09 W/(m·K)，符合外墙保温系统的要求。

孙国梁等[13]以石英为主要原料，钾长石为助熔剂，CaSO4作为发泡剂，PVA作为粘结剂，经干压成型后于1 580～1 164 ℃烧成，制备了高温闭孔发泡陶瓷。

利用SEM，XRD等测试手段分析了样品的微观结构与性能。

结果表明，经1 160 ℃烧成后，高温发泡陶瓷具备优异的性能，其气孔率高达63.29%(开口气孔率为
5.22%、闭口气孔率为58.07%)；体积密度为0.176 g/cm3；热导率为0.137
W/(m·K)；抗压强度为4.56 MPa。

气孔率和孔径随着保温时间延长以及烧成温度升高而增大，气孔率越高，热导率越小，发泡陶瓷的抗压强度也越小。

李家科等[14]以稀土尾砂为主要原料，以抛光砖废料为发泡剂，低温砂、黑泥和滑石等为熔剂制备了轻质发泡陶瓷，研究了烧成温度、稀土尾砂的添加量、发泡剂的添加量以及保温时间等诸多因素对发泡陶瓷的结构与性能的影响规律。

研究结果表明：稀土尾砂的最佳添加量为60 wt%，低温砂为 20 wt%，黑泥为15 wt%，烧滑石为5 wt%，抛光砖废料最佳外加量为15 wt%。

在1 150 ℃，保温时间为30 min的条件下烧成后，制备了性能良好的轻质发泡陶瓷，样品的体积密度为 0.31 g/cm3、抗压强度为5.63 MPa。

Bernardin等[15]利用建筑抛光砖为基础原料，SiC作为发泡剂，对发泡过程进行研究。

研究表明，在1 000 ℃时SiC氧化分解释放气体，同时坯体在高温下生成大量的玻璃相，将气体包裹从而形成孔结构。

该文讨论了SiC的添加量对发泡陶瓷的体积密度和抗压强度的影响。

外国学者Bernardo等[16]采用废弃的钠钙玻璃作为主要原料，利用艺术玻璃抛光废料中的SiC作为发泡剂，并添加少量的MnO2促进SiC氧化分解，讨论了SiC 的添加量和MnO2在添加剂中的比例对泡沫玻璃的显微结构和力学性能的影响。

Vereshagin等[17]采用沸石作为主要原料，添加少量的碱金属矿物制备泡沫微晶陶瓷材料，讨论了原料的粒度和碱金属矿物含量对泡沫微晶陶瓷的体积密度、吸水率和抗压强度的影响，最后对样品的相组成进行了分析。

经850 ℃烧成后的发泡玻璃的体积密度为0.34 g/cm3、抗折强度为1.6 MPa、吸水率为13%。

2 发泡陶瓷保温隔热复合板存在的问题
发泡陶瓷复合板的防火防潮、保温、隔热性能优良。

国内外许多学者和单位先后进行了相关的研究，但其在实际生产和生活中的应用却鲜有报道[18]。

目前生产制备发泡陶瓷复合板主要存在如下问题。

1) 发泡陶瓷复合板对气孔结构要求严格，要获得良好的保温隔热、防水防潮性能，必须保证其内部的气孔封闭不连通，气孔大小适中而均匀。

如此一来，就对制备工艺要求苛刻[19]。

目前为止还没有形成成熟的制备工艺。

2) 由于对制备工艺的要求苛刻，实际生产中往往需要考虑多种工艺参数，增加了
人力物力的投入，从而导致生产成本较高，难以形成规模化生产[20]。

3)虽然发泡陶瓷复合板具有抗老化、强度高、不燃等有机保温材料不具备的优良品质，但是它的可加工性和可应用范围远远不及有机保温材料[21]。

4)由于多以含有较多杂质的固体废弃物为主要原料，生产出的发泡陶瓷复合板产品往往呈现灰黑色，难免显得单调暗淡。

现代人对建筑美学的要求较高，这样的发泡陶瓷用于建筑外墙装饰时，并不能满足人们的审美需求。

3 发泡陶瓷复合板的性能优势
一般来说，保温材料依据材料性质不同可分为三大类：①有机类保温材料，常见的如挤塑板、酚醛泡沫、膨胀聚苯板等，属于可燃材料，具有引发火灾的危险性；②复合型保温材料，主要有胶粉聚苯颗粒保温砂浆，属难燃材料，且不具有火焰传播性，自身不存在防火安全问题；③无机类保温材料，如玻璃棉、无机保温砂浆、岩棉、珍珠岩、发泡陶瓷等，属不燃性材料，自身不存在防火安全问题。

无机类防火保温材料最突出的优势是：①无“三废”，对环境无危害且可回收再利用，能助力保护环境；②防火能力达到A级，具有一流的安全系数；③一经应用，保温性能
长期有效，节能效果持久；④与建筑物共生存、同寿命。

在材质结构上完全符合既节能又环保的要求，而且其功能是伴随着使用效果而长存的。

有机保温材料和无机保温材料的主要性能见表3和表4。

表3 有机质材料主要性能性能EPS(25 mm)XPS(25 mm)聚氨脂硬质板(25 mm)胶粉聚苯颗粒系统容重/(kg/m3)15～3035～50<60180～250热导率/(W·m-1·K-1)0.031～0.0350.022<0.025≤0.06使用温度/℃-54～74-54～74-60～120-耐火
性能可燃阻燃阻燃B1级环保性能非环保产品非环保产品--热阻/(m2·K·W-
1)0.55～0.740.881.10-
表4 无机质材料主要性能性能OUO/JGN材料(板型材)无水泥型水泥型(石膏型)微珠砂浆干粉系统矿(岩)棉复合板容重/(kg/m3)≤160260～380130～170压缩强度/kPa(25%压缩变形)403--热导率/(W·m-1·K-1)0.06～0.070.07～0.080.07～0.08使用温度/℃650≥400400防火等级AAA-B1环保性能环保产品环保产品环保产品4 发泡陶瓷保温隔热复合板的发展趋势
近几年国内外都非常重视对高温发泡陶瓷的研究，主要有以下3个研究方向：①
采用低成本原料制备高温发泡陶瓷，主要是各种工业固体废弃物；②尽可能降低发泡陶瓷烧成温度，节约能源消耗；③优化发泡陶瓷制备成型工艺和烧成制度工艺，降低制造成本。

高温发泡陶瓷作为防水、保温等材料具有广泛的应用前景。

而将其设计为理想的外观形状，并加以各种色泽装饰又不失为家庭居室装潢的好材料。

经过国内外学者几十年的研究和工艺改进，高温发泡陶瓷已初步进入工业化生产阶段，但仍有许多技术难题亟待解决。

周明凯等[22]采用发泡法，以石英为主料，钾长石作为熔剂，并添加适量的
CaSO4作为发泡剂，PVA作为粘结剂，采用半干压成型法于1 600 ℃下制备高温闭孔泡沫陶瓷。

结果显示，气孔率和孔径随着烧成温度升高及保温时间增加而增大，气孔率越高，泡沫陶瓷的抗压强度越小，其热导率也越小；在相同气孔率的条件下，气孔孔径越小，泡沫陶瓷的热导率越小。

高硕洪等[23]以废石膏为发泡剂，通过半干压法成型工艺制备出中铝质闭孔泡沫陶瓷砖,主要探讨了以钾长石为助熔剂和烧成制度等因素对闭孔泡沫陶瓷砖性能的影响。

实验研究表明，闭孔泡沫陶瓷砖的闭气孔率随着钾长石含量增加而升高，随烧结温度升高先增加后降低，抗压强度和热导率随烧结温度升高而降低。

吴志敏等[24]采用发泡陶瓷保温板作为外墙外保温系统，对保温材料和保温系统的
性能进行了相关的试验探索和工程试点，开发出一种防火性能好、质量优异、与建筑同寿命的外墙外保温技术，并开发出常规的外保温系统的防火隔离带技术。

通过比较分析该材料及其制备技术的优点和不足，建议应更深一步加强对发泡陶瓷保温板及相关技术的研究，提升其热工性能及其他性能，完善相应的应用技术。

5 结束语
发泡陶瓷保温隔热复合板是以河道淤泥、陶土尾矿、陶瓷碎片等固体废弃物作为主要原料，引入适量无机发泡剂，采用先进的生产工艺经高温焙烧而成的一种多孔陶瓷，其独特的孔隙结构使高温发泡陶瓷具有很好的隔热保温性能，适用于建筑外墙保温、建筑自保温冷热桥处理、防火隔离带等，因此在建筑节能领域具有广泛的应用前景。

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