宋晚玉，王慧賢（通信作者），王今華，張 冰

（1華北水利水電大學(xué) 河南 鄭州 450045）

（2鄭州大學(xué) 河南 鄭州 450001）

0 引言

發(fā)泡陶瓷內(nèi)部是由固相與互不連通的氣相所填充，其骨架呈現(xiàn)三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因此質(zhì)輕高強(qiáng)、防火阻燃、保溫隔熱、安全環(huán)保。因其原料來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)，深受生產(chǎn)和應(yīng)用企業(yè)的廣泛青睞。發(fā)泡陶瓷這一概念在19世紀(jì)70年代由美國(guó)提出，最早用來(lái)過(guò)濾和提純材料。隨著發(fā)泡陶瓷的其他優(yōu)勢(shì)不斷被科研人員發(fā)現(xiàn)，在隔熱、吸音、光電、防震、化工及環(huán)境生物等其他領(lǐng)域也有著廣泛的發(fā)展前景[1-2]，對(duì)于絕熱緣型發(fā)泡陶瓷，更是涉及了航空航天領(lǐng)域，其廣泛的應(yīng)用掀起了全世界材料行業(yè)制備發(fā)泡陶瓷這股浪潮。

目前固體廢棄物是我國(guó)亟需解決的一大難題，在我國(guó)大力倡導(dǎo)“推動(dòng)建筑節(jié)能減排，加快綠色建筑發(fā)展”的政策指引下，利用發(fā)泡陶瓷消納固體廢棄物也成了近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。由于固體廢棄物種類繁雜，傳統(tǒng)的發(fā)泡陶瓷配方設(shè)計(jì)主要從原材料入手，通過(guò)多次試驗(yàn)優(yōu)化而來(lái)，這就會(huì)造成試驗(yàn)周期長(zhǎng)，造價(jià)成本過(guò)高，給發(fā)泡陶瓷配方設(shè)計(jì)帶來(lái)了一定的困難。本文通過(guò)發(fā)泡陶瓷國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，基于坯料化學(xué)組分的設(shè)計(jì)觀點(diǎn)，提出了發(fā)泡陶瓷坯料化學(xué)組分與發(fā)泡陶瓷性能的關(guān)系，為今后發(fā)泡陶瓷配方設(shè)計(jì)提供一種新思路。

1 發(fā)泡陶瓷的研究現(xiàn)狀

為了發(fā)泡陶瓷綠色化、低成本制備，眾多研究人員發(fā)現(xiàn)可以利用不同固體廢棄物作為發(fā)泡陶瓷的主要原料來(lái)源，其中主要原料來(lái)源包括各種尾礦、煤矸石、粉煤灰、花崗巖廢料以及廢渣等[3]。

周明凱等[4]以粉煤灰作為主要原料，長(zhǎng)石、碎玻璃充當(dāng)助熔劑。利用鉻渣代替部分粉煤灰，碎玻璃替換部分長(zhǎng)石，討論鉻渣與碎玻璃對(duì)發(fā)泡陶瓷性能的影響。研究結(jié)果表明：適當(dāng)?shù)你t渣摻量有利于發(fā)泡陶瓷性能的提高，當(dāng)鉻渣摻量為10%時(shí)，抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到8.11 MPa，體積密度達(dá)到368.54 kg/m3；摻加碎玻璃對(duì)發(fā)泡陶瓷性能影響不明顯。

譚洪波等[5]使用黃姜廢渣為基料，利用麻城石粉去調(diào)節(jié)整個(gè)配方體系中硅含量占比，SiC為發(fā)泡劑，探討制備工藝、材料組成對(duì)發(fā)泡陶瓷性能的影響。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)得到最優(yōu)的升溫速率（5 ℃/min）、燒成溫度（1 130 ℃）、成型壓力（1 MPa）、發(fā)泡劑摻量（0.5%）、石粉摻量（40%），以此將會(huì)得到性能優(yōu)良的發(fā)泡陶瓷。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)石粉摻量與孔徑大小及均勻性有較密關(guān)系。

趙威等[6]利用鉬尾礦作為主要原料，鉀鈉石粉、粘土為輔助原料，制備了輕質(zhì)保溫發(fā)泡陶瓷墻體材料，研究了原料不同摻量的配比、發(fā)泡劑的添加量以及燒成溫度等因素對(duì)發(fā)泡陶瓷性能的影響規(guī)律。研究表明：鉬尾礦的最佳摻量為40%，SiC最佳外摻量為0.4%；在燒成溫度為1 150 ℃，保溫30 min條件下，制得了抗壓強(qiáng)度為6.5 MPa，體積密度為0.67 g/cm3，吸水率為8.7%，導(dǎo)熱系數(shù)為0.13 W/(m K)的發(fā)泡陶瓷保溫墻體材料。

婁廣輝等[7]采用煤矸石、赤泥和廢玻璃為原料，MnO2為發(fā)泡劑，硼砂為助熔劑，Na3PO4為穩(wěn)泡劑，得到的最佳配方為煤矸石占38.10%、赤泥占21.90%、廢玻璃占40%，再加上3%的MnO2，2%的Na3PO4、2%的硼砂，最佳燒成溫度為950 ℃，保溫30 min條件下，發(fā)泡陶瓷的吸水率為2.95%、表觀密度為0.589 g/cm3。

李嘉昊等[8]用紫色頁(yè)巖、含鈦高爐渣作為主要原料，硼砂為助熔性物質(zhì)，碳化硅為發(fā)泡劑，討論原料配方、助熔劑摻量與發(fā)泡陶瓷氣孔率、閉孔率、孔徑分布、表觀密度、抗壓強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)之間的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：當(dāng)含鈦高爐渣占比增加時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致平均氣孔孔徑增大，呈現(xiàn)氣孔不均勻性，這是由于含鈦高爐渣的增加使SO2含量下降，破壞了［SO4］骨架，以及MgO、TiO2含量的上升，破壞了整體的黏性。因此，含鈦高爐渣摻量為30%，硼砂添加量為4%，SiC為0.2%，將會(huì)得到2.59 MPa的抗壓之間的關(guān)系，并以此為基礎(chǔ)制備出了孔隙率為35%的發(fā)泡陶瓷磚。

Hasheminia等[9]利用廢玻璃為主要原料，SiC為發(fā)泡劑，探討不同摻量的PbO與陶瓷性能之間的關(guān)系，在基礎(chǔ)配方上，外摻2 wt%的SiC，15 wt%的PbO。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：PbO可以拓展液相產(chǎn)生溫度區(qū)間，并且提高SiC產(chǎn)生氣泡的能力，增強(qiáng)粘結(jié)性，制備出泡沫玻璃，樣品表觀密度為0.5 g/cm3。

2 發(fā)泡陶瓷坯料的化學(xué)組分研究現(xiàn)狀

發(fā)泡陶瓷坯料的化學(xué)組分影響高溫液相量、液相粘度、燒成溫度、表面張力等，從而影響發(fā)泡陶瓷的性能，各文獻(xiàn)中不同發(fā)泡陶瓷的配方體系化學(xué)組分含量如表1所示。

由上表1可知，可用于制備發(fā)泡陶瓷的主要氧化物組分大多數(shù)為SiO2、Al2O3，并含有少量的熔劑性堿金屬氧化物等，但不同文獻(xiàn)中涉及的化學(xué)組成含量卻大相徑庭。目前關(guān)于發(fā)泡陶瓷化學(xué)組分與性能關(guān)系的研究主要針對(duì)上述7種化學(xué)組分。

2.1 SiO2

SiO2含量約占到整個(gè)發(fā)泡陶瓷組分含量的一半，甚至?xí)?，并且晶相結(jié)構(gòu)能夠作為整個(gè)玻璃相中的骨架結(jié)構(gòu)。一般來(lái)說(shuō)，含量占比約為40%～75%。李偉光等[10]研究發(fā)現(xiàn)隨著SiO2含量的遞增，將會(huì)整體提高產(chǎn)生液相的溫度和粘度，進(jìn)而導(dǎo)致增強(qiáng)影響發(fā)泡的阻力，產(chǎn)生很多大小不一的氣孔，致使發(fā)泡陶瓷的表觀密度增加，抗壓強(qiáng)度降低。因此，SiO2的含量不宜過(guò)多。

2.2 Al2O3

在整個(gè)發(fā)泡陶瓷化學(xué)組分中Al2O3含量排在第二位，不少研究人員發(fā)現(xiàn)Al2O3會(huì)顯著提高燒成溫度，表面張力以及液相黏度。彭麗芬等[11]在考慮Al2O3摻量與孔結(jié)構(gòu)的關(guān)系時(shí)，發(fā)現(xiàn)Al2O3可以減少燒成溫度對(duì)孔徑的影響，表明Al2O3具有穩(wěn)定氣孔孔徑的作用，并且指出Al2O3對(duì)于發(fā)泡陶瓷的強(qiáng)度也有一定的增強(qiáng)作用。葛雪祥等[3]研究了Al2O3/SiO2比值與發(fā)泡陶瓷性能之間的關(guān)系，通過(guò)大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著Al2O3/SiO2比值增大，對(duì)發(fā)泡溫度起到了提高的作用，并且擴(kuò)大了發(fā)泡溫度的范圍，提高了發(fā)泡陶瓷的比強(qiáng)度，當(dāng)Al2O3含量處于22～26 wt%時(shí)，有助于制備出高強(qiáng)微孔的發(fā)泡陶瓷。

2.3 堿金屬氧化物

Na2O、K2O在制備發(fā)泡陶瓷中充當(dāng)助熔的角色，能夠有效地降低燒成溫度，增加液相量。馬子鈞等[12]發(fā)現(xiàn)Na2O有利于玻璃相的形成，若摻量過(guò)多將導(dǎo)致氣泡從液相中逸出，從而不同氣孔融合，導(dǎo)致氣孔孔徑相差過(guò)大，對(duì)發(fā)泡陶瓷強(qiáng)度造成減弱的影響，因此Na2O的摻量最好不超過(guò)10.97 wt%。Wang等[13]利用Na3PO4分解出來(lái)的Na2O，用來(lái)充當(dāng)強(qiáng)助熔劑，研究表明Na2O可以降低液相出現(xiàn)的溫度，促進(jìn)發(fā)泡劑SiC的分解。

葛雪祥等[3]經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)K2O含量在2～8 wt%變化時(shí)，K2O含量與氣孔孔徑成正比關(guān)系，與體積密度成反比關(guān)系，在低溫狀態(tài)下可以促進(jìn)液相的產(chǎn)生；但當(dāng)K2O含量為10 wt%時(shí)，形成了高熔點(diǎn)的白榴石晶相，在低溫下液相不易形成，因此氣孔的生長(zhǎng)受到了阻礙。

2.4 堿土金屬氧化物

張勇林等[14]引入硅灰石與滑石，硅灰石是一種富含CaO的物質(zhì)，理論含量為48.25%，滑石中MgO的理論含量達(dá)到31.88%；試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著硅灰石和滑石摻量的遞增，燒結(jié)密度均出現(xiàn)了下降的趨勢(shì)。當(dāng)兩者摻量均大于3%時(shí)，滑石組燒結(jié)密度再次降低，硅灰石卻出現(xiàn)稍微上升的趨勢(shì)，這是由于CaO降低熔體粘度的能力要強(qiáng)于MgO，CaO比MgO易保持氣孔的穩(wěn)定，使氣孔生長(zhǎng)速率均勻，不易造成氣孔結(jié)構(gòu)的惡化。

2.5 Fe2O3

Fe2O3既是一種高溫助熔劑又是氧化劑，不僅可以降低液相產(chǎn)生溫度，而且可以促進(jìn)發(fā)泡劑氧化反應(yīng)。Abbasi等[15]研究發(fā)現(xiàn)Fe2O3可以減慢發(fā)泡劑分解氣體的速率，有效控制氣孔孔徑的均勻性，F(xiàn)e2O3在其中起到氧化劑的作用。劉永峰等[16]發(fā)現(xiàn)當(dāng)用SiC作為發(fā)泡劑時(shí)，F(xiàn)e2O3對(duì)于氣孔孔徑具有一定的調(diào)節(jié)作用，氣孔的大小與Fe2O3含量呈反比關(guān)系。

綜上所述，發(fā)泡陶瓷性能與發(fā)泡陶瓷坯料化學(xué)組分之間存在著密不可分的關(guān)系，在現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)之上，建立起發(fā)泡陶瓷性能與坯料化學(xué)組分的關(guān)系是今后發(fā)泡陶瓷配方設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)。

3 坯料組分設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題

3.1 化學(xué)組分復(fù)雜

傳統(tǒng)的發(fā)泡陶瓷大多數(shù)以工業(yè)固體廢棄物作為主要原料來(lái)源，然而不同固體廢棄物化學(xué)組分相差過(guò)大，因此導(dǎo)致發(fā)泡陶瓷坯料化學(xué)組分復(fù)雜，給發(fā)泡陶瓷配方設(shè)計(jì)帶來(lái)了一定的難度。

3.2 實(shí)用性差

利用坯料化學(xué)組分指導(dǎo)發(fā)泡陶瓷的配方設(shè)計(jì)具有良好的工業(yè)價(jià)值，但在生產(chǎn)實(shí)踐中存在一定的局限性，這是由于不同原料中的化學(xué)組分含量對(duì)發(fā)泡陶瓷性能的影響存在差別。

3.3 存在安全隱患

目前文獻(xiàn)中涉及的能夠制備出發(fā)泡陶瓷的原材料偏向于一些重金屬物質(zhì)，這些重金屬物質(zhì)中含有一定的放射性，對(duì)環(huán)境安全與綠色環(huán)保等均存在一定的安全隱患。

4 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)如今，我國(guó)環(huán)境倡導(dǎo)綠色生態(tài)可持續(xù)發(fā)展理念，尋求固體廢棄物的最大化研究和利用來(lái)緩解資源能耗帶來(lái)的一系列問(wèn)題，眾多國(guó)內(nèi)外研究人員發(fā)現(xiàn)將固體廢棄物應(yīng)用到發(fā)泡陶瓷中具有很大的發(fā)展前景。發(fā)泡陶瓷坯料組分設(shè)計(jì)研究一方面可以給配方設(shè)計(jì)提供一定的理論參考，另一方面也可以為發(fā)泡陶瓷原材料的選擇提供一定的理論與應(yīng)用價(jià)值。