膨胀珍珠岩保温材料的制备工艺研究

膨胀珍珠岩保温材料的制备工艺研究

目前，中国每年新增建筑面积为18.2亿米。建筑能源消耗占全国能源消耗总量的27.5%，但国内建筑节能水平较低。用于建筑以外的节能材料主要是聚苯板、传统的膨胀珍珠岩板和压力混凝土。然而，聚苯板有机板的防火性能很差，燃烧过程中会产生大量的毒气体，对人类造成极大的伤害。国外禁止在建筑物中使用这些建筑材料。在中国，有机建筑材料也逐渐退出市场。传统膨胀珍珠岩板的吸水率高，安装施工中容易碎渣。由于两口气混凝土的密封性能高，干燥收缩值高，施工过程中泡沫和泡沫不会粘附在砂浆上，墙壁表面的磨损和划痕严重。迫切需要建筑材料的防水性能好、防水性能好、国防火。因此，我们必须对建筑的内壁进行进一步的研究。王小山等［2］研究了膨胀珍珠岩颗粒级配对保温板性能的影响,其未从根本上解决材料吸水严重的问题;毕晓云［3－5］研究了有机物对珍珠岩的改性方法,其工艺较为复杂,不适于大量生产应用;张宪圆等［6－8］研究了无机胶黏剂(水泥)基珍珠岩保温板的性能,对吸水率的改善并不明显,且质量较低.基于此,笔者重点针对传统珍珠岩保温材料强度低、吸水严重等问题展开相关探讨,并研究胶黏剂及工艺制度对试样性能的影响规律.1原料和方法的试验1.1原材料和设备膨胀珍珠岩:开口孔珍珠岩,选自沈阳市珍珠岩厂;无机粘结剂:以磷酸盐为主的无机盐,自制;(2)设备导热系数测定:HOTDISK导热系数测定仪1.2svc-400va液压法生产混合液料将无机粘结剂、有机粘结剂、氢氧化铝按1∶0.67∶0.27与适量的水混合均匀,然后加入膨胀珍珠岩,充分混合,静置10min左右,将混合料装入模具(见图1)中,在SVC-4500VA液压机上以10mm/min的速度模压成型,成型最大压力为4~6kPa,在室温下干燥后,在230℃的烘箱中保温2h,获得样品(工艺流程见图2).1.3试样的导热系数、生物性能测试性能测试参照文献,具体方法如下.抗压强度:加荷速度(2.0±0.5)kN/s,抗压强度为荷载与受压面积的比值.导热系数:将试样加工成50mm×50mm×20mm的长方体样品,测试样品的导热系数.憎水性:参照文献.干密度:将试样于70℃烘箱中烘干至恒重,密度为质量与体积的比值.防火性能:参照文献.2试验结果与讨论2.1无机粘结剂的研制采用胶黏剂/珍珠岩质量比研究无机胶黏剂用量对试样强度及导热系数的影响,测试结果见图3.由图3可知:随着胶黏剂掺量的增加,试样的强度及导热系数逐渐增大.制品的强度可能是由于无机粘结剂的固化产生的,自制的以磷酸盐为主要成分的无机粘结剂具有高抗折、抗压、抗水化性能;使用胶黏剂将珍珠岩粘结成板材后,胶黏剂填充于孔隙和空隙中,制品的导热系数会有所增加,并随着胶黏剂掺量的提高导热系数增大.制品的憎水性能是由粘结剂中有机粘结剂的碳化作用决定的,有机粘结剂含量越多,碳化层越厚,憎水性越高,因此憎水性随胶黏剂含量的增加而提高［15］.制品的防火性能是由有机胶黏剂与氢氧化铝的比例决定的,当其比例一定时,防火性能不变.氢氧化铝是按有机粘结剂的40%添加的,因此制品的防火性能不随胶黏剂/珍珠岩的比例变化而变化.(2)氢氧化铝在制品中的双向压力有机粘结剂用量对试样性能的影响如图4所示.由图4可知:随着有机粘结剂掺量的增加,试样的导热系数降低;试样的抗压强度有所提高,但当有机粘结剂用量超过粘结剂用量的60%时,试样的强度会显著降低.自制的有机胶黏剂可以在较低温度下成膜而形成强度,且强度随着温度的升高而增大;当温度过高时,有机粘结剂碳化,碳化层的出现会减弱胶黏剂与珍珠岩颗粒间的粘结力,此时制品的强度随温度的升高而降低.制品的导热系数随有机粘结剂掺量的增加而降低.另外,有机粘结剂在成膜固化时会包含微小气泡,也可能在一定程度上有利于制品导热系数的降低.氢氧化铝不仅可以促进聚合磷酸铝的固化,提高强度,而且能够改善制品的防火性能.在一定范围内,随着氢氧化铝含量的增加,保温板的强度略有增加,这是由于氢氧化铝与磷酸二氢铝中的组分反应,生成铝的磷酸盐,促进了磷酸盐网络的形成.当氢氧化铝掺量达到一定量时,胶黏剂的胶结能力反而下降,这是由于氢氧化铝与磷酸二氢铝生成不溶于水的盐造成的.在高温条件下,氢氧化铝会吸收热量,同时脱水,降低制品的温度,从而对苯丙乳液起到阻燃的作用［14］.按制备的膨胀珍珠岩保温板,其抗压强度为0.4MPa,密度为200kg/m3,导热系数0.06W/(m·K),憎水率为98%,不燃烧,符合GB8624-2006《建筑材料及制品燃烧性能分级》中的规定.2.2型制成系统对样品性能的影响(1)模压与讨论对试样密度的影响加荷速度对制品的尺寸稳定性有显著影响［13］,加荷速度越慢,制品的尺寸稳定性越好.膨胀珍珠岩为多孔结构,在受力时会发生弹性变形,因此在压制制品成型后会发生弹性后效,即模压成型后弹性应力的释放,压块将发生弹性膨胀,体积增大,这不仅影响制品的尺寸,还会对制品的质量产生不利影响.为避免其发生,加荷速度应保持在较低水平.若保压时间过短,压力没有传递到应有的深度外力就已消失,则会使试样的密度偏小.在模压成型过程中,备料与模具内壁在摩擦力的作用下会使应力损失,使备料内部受力不均匀,从而导致制品的密度不均匀.一般采用双面模压的方法并持荷一段时间以减小弹性后效.前期研究表明:试样高径比比值愈大,则坯体压强差也愈大,坯体密度在上方最大,下方及中心部位密度较小.这主要是由于:当压力通过压头传到坯料时,靠近压头的坏料层中比较粗的颗粒将该层的细颗粒和超细颗粒分开,使它们不仅在竖向而且在横向上彼此接近.然后压头进一步推进,压力通过靠近压头的密实层向里层传递,并逐渐减少.部分压力还由压头传到模壁上,因此坯体在不同的高度和截面上具有不同的密度.(2)密度与荷载的关系试样的密度随着荷载的增加而增大［13］.荷载大小对试样密度的影响见图5.施压后,颗粒开始滑动,成紧密状态堆积,密度逐渐提高.从而使试样具有一定的强度.其原因:1具有粗糙表面的颗粒的混合料被压实时,颗粒相互交织在一起,一些颗粒的凸出部分嵌入另一些颗粒的凹陷部分,形成机械强度,即咬合力,把颗粒胶结在一起;2胶黏剂在颗粒表面之间形成一层很薄的薄膜,对颗粒有胶结作用.试样成型过程中的加荷越大,制品的密度越大［13］.试样密度随荷载的变化为非线性关系,经线性回归分析,试样的密度与荷载呈指数增长,即式中:ρ为试样的密度,g/cm3;Q为荷载,MPa.模压成型时混合料受力过程共分为三个阶段:1混合料尚未受到压力(P=0),处于松散的堆积状态.各个颗粒的排列是不规则的,互相堆叠,颗粒间呈“架桥”现象,而形成较大空隙.在此阶段,柱塞开始加压,颗粒随着柱塞移动,颗粒间的空隙被较小颗粒所填充,颗粒间的接触很快就趋于紧密,架桥现象消失,空隙减少.在这阶段,压力稍有增加,压块的密度就增加很快.2当柱塞继续加压,压块逐渐紧密,糊料内呈现一定的阻力.在这一阶段中,压块密度与所施压力成比例地增大.但由于颗粒间的摩擦阻力也随压力和接触表面的增大而上升,当密度达到一定值时,虽然压力继续增加,密度的增加却逐渐变慢.3压力进一步增加,压块密度不再增加,但在这一阶段可以使压块各部分的密度渐趋均匀.成型制度主要影响制品的密度,密度直接影响导热系数.材料的导热系数和密度的关系如图6所示.由图6可知:在低温状态下,空隙中的气体可以近似认为静止不动,此时热交换的方式仅为导热,没有热交换.根据材料的组成与结构,气体的导热系数小于固体,因此在低温状态下,随着材料孔隙率的增加或表观密度的降低,其导热系数变小.对于多孔材料,若固体材料导热系数为λs,气体部分导热系数为λg,孔隙率为P,则总导热系数一般介于λmin和λmax之间［16－17］.其中,由式(3)可知:材料的导热系数并不是随着表观密度的减小而无限降低的.当表观密度小于某个临界值时,由于孔隙率过高,空隙中的空气开始发生对流,同时由于气体对热辐射的阻抗能力很低,高孔隙率也会使热辐射传热增加,从而使导热系数增大.2.3温升制度对胶结面性能的影响干燥和升温制度对制品的强度会产生较大的影响.干燥温度对试样强度的影响见图7.从图7可知:在一定范围内,试样的强度随干燥温度的升高而增大,当温度达到210~230℃时,强度达到最高(0.4MPa).这是由于随着温度的升高,无机粘结剂的固化强度增大,使试样强度提高［12］.当温度超过250℃时,试样的强度反而随温度的升高而下降,这可能是由于有机粘结剂发生碳化,虽然无机粘结剂的粘结强度提高,但是碳化层的温度相对较低,这使胶结面的强度降低,因此试样的强度降低.试样制备的较为合理的干燥温度为210~230℃.保温温度过高、升温速度较快时,试样会发生较大的膨胀,有可能造成试样结构的破坏.升温制度对试样体积稳定性的影响见表1.由表1可知:直线升温速度为100℃/h时,保温温度210℃为宜;二阶段折线升温,保温温度230℃为宜.造成膨胀可能是由于磷酸盐未固化时,处于网状结构的磷酸二氢铝粘结强度低,如升温速度过快,由于水分蒸发、温度应力、未完全膨胀的珍珠岩原岩的膨胀等原因,致使制品体积膨胀发生变形.3成型工艺对制品导热系数的影响(1)以自制有机粘结剂和无机粘结剂制作的膨胀珍珠岩保温制品,当有机粘结剂用量为4%~7%,无机粘结剂用量为3%~7%,氢氧化铝用量为3%~7%,膨胀珍珠岩用量为80%~88%时,制作样品的导热系数为0.06W/(m·K)、密度为180kg/m3、憎水率为98%、符合A1级防火标准;(2)成型制度对导热系数有一定的影响.试样的导热系数随成型压力的增加而降低,当超过某一阈值时,导热系数随成型压力的增加而增大.(3)粘结剂用量对制品的强度和性能有一定的影响.粘结剂用量越大,制品的强度越高;胶黏剂用量越大,