發泡陶瓷保溫隔熱復合板的應用研究進展

　　摘要:針對一種具有保溫性能好、性能優良、制備方便、成本低廉、便于推廣等優點的輕質隔熱保溫多孔陶瓷材料進行了綜述。重點對發泡陶瓷復合板目前存在的問題進行了總結和分析，并與現有的常用保溫隔熱材料進行了對比，以期為建筑節能提供一種用于外墻隔熱保溫的多孔陶瓷復合板，為實現建筑陶瓷工業的可持續發展提供新的技術途徑。

　　關鍵詞:發泡陶瓷,復合板,隔熱保溫,研究進展

　　建材論文投稿刊物：《河南建材》(雙月刊)創刊于1980年，是由河南建筑材料研究設計院有限責任公司、河南省硅酸鹽學會主辦，河南省散裝水泥辦公室、河南省墻體材料改革辦公室協辦的全國性建材科技期刊。

　　0引言

　　目前，我國正沿著中國夢的宏偉藍圖迅猛地發展著，現代化進程蒸蒸日上。繁榮景象的背后，我們也應該清醒地認識到，我國經濟和社會發展正面臨著三大考驗[1]，即資源、能源和環境問題。據資料顯示，在我國的能源消耗結構中，建筑能耗是一個重要組成部分[2]。建筑能耗日趨緊張，建筑節能問題受到了越來越多的重視[3]。

　　時至今日，我國的城市化進程如火如荼，全國各大中小城市都呈現出一片欣欣向榮的景象。城市化過程中，建筑能耗已成為一個不可避免的主題，引起了全社會的高度重視。實踐證明，使用保溫隔熱材料是建筑節能最直接有效的方法之一。日本的節能實踐報告表明，每使用1t保溫隔熱材料，便可節約標準煤3t/a，所帶來的節能效益是材料生產成本的10倍[4]。

　　為了最大程度地節約能源，降低建筑能耗，人們對建筑裝飾材料保溫性能的要求越來越高。目前，世界上廣泛使用的外墻保溫材料大多數是有機材料，如聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)、聚氨酯(PU)等[5]。但是這些材料普遍存在易燃、易老化等缺點[6]，發生火災時它們便成為助燃劑，會加快火焰的傳播和擴散，加重火災危害性后果;有機類的外墻保溫材料受到風吹雨打、暴曬暴寒等惡劣環境的侵蝕氧化之后容易老化，會大大縮短使用壽命�；�于此，開發一種具備保溫隔熱防火性能的外墻保溫材料，用以替代傳統的墻體材料，對建筑節能和建筑裝飾具有重大意義。

　　高溫發泡陶瓷是在陶瓷主要生產原料的基礎上，通過添加適量發泡劑，采用先進制備工藝經高溫燒制而成的一種多孔陶瓷[7]。高溫發泡陶瓷經高溫發泡而成，內部均勻分布著大量的閉口氣孔，氣孔之間互相不連通，不吸水。其體積密度小，孔隙率大，具有質輕、保溫隔熱、防火防潮、不燃等優良特點。發泡陶瓷材料防火等級為A1級，有效克服了有機保溫材料易燃易老化的弱點，在建筑外墻保溫領域具有廣泛的應用前景，是一種新型綠色環保的建筑節能材料。

　　1發泡陶瓷的應用研究進展

　　關于發泡陶瓷的研究，國內外眾多學者都進行了各自的探索。張留生等[8]論述了制備高溫發泡陶瓷的基本原理，并研究總結了高溫發泡陶瓷燒成所需的原料組成以及化學成分。王國梅等[9]采用鐘祥瓷砂為主要原料，碎玻璃為助熔劑，少量的Fe2O3和碳粉為發泡劑，制備了具備良好防水、保溫性能的高溫發泡陶瓷，最佳樣品經1160℃燒成后體積密度為0.767g/cm3，吸水率為0.49%，熱導率為0.067W/(m·K)，抗壓強度為3.67MPa，抗折強度為2.60MPa。張小鋒等[10]以高嶺土、石英、工業氧化鋁、鉀長石為主要原料，廢石膏為發泡劑，經1300～1400℃燒成制備出了中鋁質閉孔發泡陶瓷磚，主要探討了助熔劑和燒成制度等因素對閉孔發泡陶瓷磚性能的影響。

　　實驗研究表明，閉孔泡沫陶瓷磚的閉氣孔率隨著鉀長石含量增加而增大，隨燒結溫度升高先增大后降低，抗壓強度和熱導率隨燒結溫度升高而降低。在1360℃，保溫時間為60min的條件下燒成后，高溫發泡陶瓷的體積密度為1.324g/cm3，抗壓強度為4.82MPa，熱導率為0.173W/(m·K)，閉氣孔率為57.2%。

　　黃潔寧等[11]研究了不同原料組成、燒成制度等對發泡陶瓷樣品的體積、密度、孔隙率、吸水率等性能的影響。以頁巖為主要原料，添加拋光渣中殘留的SiC為造孔劑，滑石為助熔劑，在燒成溫度為1250℃、滑石含量為10%、拋光渣含量為25%時制備出體積密度為0.80～0.90g/cm3，孔隙率>50%，吸水率<2%的具有均勻分布閉氣孔的泡沫隔熱陶瓷。

　　丁力等[12]以內蒙古包頭珍珠巖尾礦為主要原料，添加膨潤土、白云石、長石、紫砂、高溫砂等為熔劑，使用碳化硅和螢石為發泡劑，制備了導熱系數較低的發泡陶瓷，主要研究了尾礦的添加量、燒成制度和配方對發泡陶瓷的熱導率、抗壓強度、理化性能的影響。研究表明，珍珠巖尾砂可以用來制備發泡陶瓷，最大添加量為85%，獲得的發泡陶瓷熱導率≤0.09W/(m·K)，符合外墻保溫系統的要求。

　　孫國梁等[13]以石英為主要原料，鉀長石為助熔劑，CaSO4作為發泡劑，PVA作為粘結劑，經干壓成型后于1580～1164℃燒成，制備了高溫閉孔發泡陶瓷。利用SEM，XRD等測試手段分析了樣品的微觀結構與性能。結果表明，經1160℃燒成后，高溫發泡陶瓷具備優異的性能，其氣孔率高達63.29%(開口氣孔率為5.22%、閉口氣孔率為58.07%);體積密度為0.176g/cm3;熱導率為0.137W/(m·K);抗壓強度為4.56MPa。

　　氣孔率和孔徑隨著保溫時間延長以及燒成溫度升高而增大，氣孔率越高，熱導率越小，發泡陶瓷的抗壓強度也越小。李家科等[14]以稀土尾砂為主要原料，以拋光磚廢料為發泡劑，低溫砂、黑泥和滑石等為熔劑制備了輕質發泡陶瓷，研究了燒成溫度、稀土尾砂的添加量、發泡劑的添加量以及保溫時間等諸多因素對發泡陶瓷的結構與性能的影響規律。研究結果表明:稀土尾砂的最佳添加量為60wt%，低溫砂為20wt%，黑泥為15wt%，燒滑石為5wt%，拋光磚廢料最佳外加量為15wt%。

　　在1150℃，保溫時間為30min的條件下燒成后，制備了性能良好的輕質發泡陶瓷，樣品的體積密度為0.31g/cm3、抗壓強度為5.63MPa。Bernardin等[15]利用建筑拋光磚為基礎原料，SiC作為發泡劑，對發泡過程進行研究。研究表明，在1000℃時SiC氧化分解釋放氣體，同時坯體在高溫下生成大量的玻璃相，將氣體包裹從而形成孔結構。該文討論了SiC的添加量對發泡陶瓷的體積密度和抗壓強度的影響。

　　外國學者Bernardo等[16]采用廢棄的鈉鈣玻璃作為主要原料，利用藝術玻璃拋光廢料中的SiC作為發泡劑，并添加少量的MnO2促進SiC氧化分解，討論了SiC的添加量和MnO2在添加劑中的比例對泡沫玻璃的顯微結構和力學性能的影響。Vereshagin等[17]采用沸石作為主要原料，添加少量的堿金屬礦物制備泡沫微晶陶瓷材料，討論了原料的粒度和堿金屬礦物含量對泡沫微晶陶瓷的體積密度、吸水率和抗壓強度的影響，最后對樣品的相組成進行了分析。經850℃燒成后的發泡玻璃的體積密度為0.34g/cm3、抗折強度為1.6MPa、吸水率為13%。

　　2發泡陶瓷保溫隔熱復合板存在的問題

　　發泡陶瓷復合板的防火防潮、保溫、隔熱性能優良。國內外許多學者和單位先后進行了相關的研究，但其在實際生產和生活中的應用卻鮮有報道[18]。目前生產制備發泡陶瓷復合板主要存在如下問題。1)發泡陶瓷復合板對氣孔結構要求嚴格，要獲得良好的保溫隔熱、防水防潮性能，必須保證其內部的氣孔封閉不連通，氣孔大小適中而均勻。如此一來，就對制備工藝要求苛刻[19]。目前為止還沒有形成成熟的制備工藝。2)由于對制備工藝的要求苛刻，實際生產中往往需要考慮多種工藝參數，增加了人力物力的投入，從而導致生產成本較高，難以形成規模化生產[20]。

　　3)雖然發泡陶瓷復合板具有抗老化、強度高、不燃等有機保溫材料不具備的優良品質，但是它的可加工性和可應用范圍遠遠不及有機保溫材料[21]。4)由于多以含有較多雜質的固體廢棄物為主要原料，生產出的發泡陶瓷復合板產品往往呈現灰黑色，難免顯得單調暗淡�，F代人對建筑美學的要求較高，這樣的發泡陶瓷用于建筑外墻裝飾時，并不能滿足人們的審美需求。

　　3發泡陶瓷復合板的性能優勢

　　一般來說，保溫材料依據材料性質不同可分為三大類:①有機類保溫材料，常見的如擠塑板、酚醛泡沫、膨脹聚苯板等，屬于可燃材料，具有引發火災的危險性;②復合型保溫材料，主要有膠粉聚苯顆粒保溫砂漿，屬難燃材料，且不具有火焰傳播性，自身不存在防火安全問題;③無機類保溫材料，如玻璃棉、無機保溫砂漿、巖棉、珍珠巖、發泡陶瓷等，屬不燃性材料，自身不存在防火安全問題。無機類防火保溫材料最突出的優勢是:①無“三廢”，對環境無危害且可回收再利用，能助力保護環境;②防火能力達到A級，具有一流的安全系數;③一經應用，保溫性能長期有效，節能效果持久;④與建筑物共生存、同壽命。在材質結構上完全符合既節能又環保的要求，而且其功能是伴隨著使用效果而長存的。

　　4發泡陶瓷保溫隔熱復合板的發展趨勢

　　近幾年國內外都非常重視對高溫發泡陶瓷的研究，主要有以下3個研究方向:①采用低成本原料制備高溫發泡陶瓷，主要是各種工業固體廢棄物;②盡可能降低發泡陶瓷燒成溫度，節約能源消耗;③優化發泡陶瓷制備成型工藝和燒成制度工藝，降低制造成本。高溫發泡陶瓷作為防水、保溫等材料具有廣泛的應用前景。而將其設計為理想的外觀形狀，并加以各種色澤裝飾又不失為家庭居室裝潢的好材料。經過國內外學者幾十年的研究和工藝改進，高溫發泡陶瓷已初步進入工業化生產階段，但仍有許多技術難題亟待解決。

　　周明凱等[22]采用發泡法，以石英為主料，鉀長石作為熔劑，并添加適量的CaSO4作為發泡劑，PVA作為粘結劑，采用半干壓成型法于1600℃下制備高溫閉孔泡沫陶瓷。結果顯示，氣孔率和孔徑隨著燒成溫度升高及保溫時間增加而增大，氣孔率越高，泡沫陶瓷的抗壓強度越小，其熱導率也越小;在相同氣孔率的條件下，氣孔孔徑越小，泡沫陶瓷的熱導率越小。

　　高碩洪等[23]以廢石膏為發泡劑，通過半干壓法成型工藝制備出中鋁質閉孔泡沫陶瓷磚，主要探討了以鉀長石為助熔劑和燒成制度等因素對閉孔泡沫陶瓷磚性能的影響。實驗研究表明，閉孔泡沫陶瓷磚的閉氣孔率隨著鉀長石含量增加而升高，隨燒結溫度升高先增加后降低，抗壓強度和熱導率隨燒結溫度升高而降低。

　　吳志敏等[24]采用發泡陶瓷保溫板作為外墻外保溫系統，對保溫材料和保溫系統的性能進行了相關的試驗探索和工程試點，開發出一種防火性能好、質量優異、與建筑同壽命的外墻外保溫技術，并開發出常規的外保溫系統的防火隔離帶技術。通過比較分析該材料及其制備技術的優點和不足，建議應更深一步加強對發泡陶瓷保溫板及相關技術的研究，提升其熱工性能及其他性能，完善相應的應用技術。

　　5結束語

　　發泡陶瓷保溫隔熱復合板是以河道淤泥、陶土尾礦、陶瓷碎片等固體廢棄物作為主要原料，引入適量無機發泡劑，采用先進的生產工藝經高溫焙燒而成的一種多孔陶瓷，其獨特的孔隙結構使高溫發泡陶瓷具有很好的隔熱保溫性能，適用于建筑外墻保溫、建筑自保溫冷熱橋處理、防火隔離帶等，因此在建筑節能領域具有廣泛的應用前景。

　　參考文獻

　　[1]羅淑芬，林志江，鄧堅勇，等.低溫快燒發泡陶瓷保溫板的性能研究[J].佛山陶瓷，2017，27(2):16-18.

　　[2]杜程，莊劍英，張彥林，等.我國發泡陶瓷保溫板發展現狀與市場前景[J].建材發展導向，2018，16(12):7-9.

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