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闭孔泡沫陶瓷的研究现状及应用前景
2014-10-10 09:31 邱春丽 

闭孔泡沫陶瓷的研究现状及应用前景

邱春丽

(四川工商职业技术学院轻工系, 都江堰 611837)

摘要:闭孔泡沫陶瓷具有良好的保温、绝热、隔音、耐腐蚀、防水等性能,可作为复合功能材料在建筑领域中应用,对环境保护、能源节约具有重要的意义。本文介绍了闭孔泡沫陶瓷的研究现状,对其存在的问题进行了分析,对其应用前景进行了展望。

关键词:多孔陶瓷;闭孔泡沫陶瓷;建筑;节能

Research status and application prospect of

 closed-cell foam ceramic 

QIU Chun-li

Sichuan Technology and Business CollegeDujiangyan  611837)

Abstract: Because closed-cell foam ceramics has many excellent properties(such as good thermal insulation, sound insulation, corrosion resistance, waterproof. etc),Closed-cell foam ceramics,as a composite functional materials, are now expected to be used for the construction field,which have great significance for environmental protection and energy conservation. This paper describes the research status, existing problems and application prospect of closed-cell foam ceramics

Keywords: Porous ceramics; closed-cell foam ceramics;construction field;energy conservation

 

随着工业的快速发展和科技进步,环境与资源已成为人类面临的两大难题,对节约资源和保护环境提出了越来越高的要求。只要是顺应节能环保而发展的材料,都会成为当前的研究热点。多孔陶瓷由于结合了陶瓷材料自身的优异性能以及其特殊的多孔结构,从而成为一种多功能性材料,在过滤、隔热、吸声、隔音、吸附、载体等众多领域有着潜在的应用,逐渐成为具有发展潜力与活力的新型产业。

1 闭孔泡沫陶瓷的研究现状

根据孔径尺寸大小,多孔陶瓷材料可分为微孔陶瓷(孔径<2nm)、介孔陶瓷(2nm<孔径<50nm)、宏孔陶瓷(孔径>50nm);根据孔的结构特征,可分为网孔型和泡沫型两大类;根据其多面体在空间排列方式不同,可分为蜂窝状多孔陶瓷和泡沫状多孔陶瓷;根据孔之间关系,可分为开孔和闭孔两类等。其中泡沫陶瓷是一种造型上象泡沫状的多孔陶瓷,它是继普通多孔陶瓷、蜂窝多孔陶瓷之后发展起来的第三代多孔陶瓷制品[1, 2]如果形成泡沫体的固体仅包含于孔棱中,其孔隙是相互连通的则称之为开孔陶瓷材料,;如果存在固体壁面,其中的孔穴由连续的陶瓷基体相互分隔则泡沫体称为闭孔陶瓷材料

泡沫陶瓷的研究始于19世纪70年代,主要应用铀提纯材料和细菌过滤材料。随着人们对泡沫陶瓷的研究不断深入和重视,其使用范围应用领域扩大,从最初的过滤、热工等领域,已扩展到隔热、吸音、光电、传感、环境生物领域。中国在20世纪80年代初才开始着手研究泡沫陶瓷,从近20年国内科研机构和厂家报道的有关泡沫陶瓷制品研究来看,中国的泡沫陶瓷无论是种类还是质量与国外相比还存在较大的差距。

国内外对泡沫陶瓷材料的研究主要以开孔型为主,而对闭孔型来说,则基本处于一种前沿科技研究和高端应用状态,如高级保温、保冷集装箱、航天飞机的外壳隔热特别具有良好绿色特征,高效多功能,且能应用于建筑节能领域的闭孔泡沫陶瓷材料,在国际或国内都极少[]。国内也只有少数人在从事这方面的研究[3-5],从“闭孔泡沫陶瓷”的研发报道来看,相关的研究成果也比较少。

2 制备工艺及存在的问题

泡沫陶瓷的制备工艺很多,传统的制备方法有添加造孔剂工艺、发泡工艺、有机前驱体浸渍工艺、溶胶凝胶法,固体烧结法等,新兴的工艺有凝胶注模工艺自蔓延高温合成工艺等,其中只有发泡工艺是目前制备闭孔泡沫陶瓷的较成熟一种方法[7]

发泡工艺是在陶瓷组分添加发泡剂利用发泡剂在热处理时产生挥发气体,干燥后烧制成多孔陶瓷。发泡剂有物理发泡剂、无机和有机发泡剂三类。物理发泡剂[8]是将惰性气体在高压下加入到待发泡物料中或将低沸点液体加人到待发泡物料中, 然后通过加热、降压使气体析出或液体挥发使物料发泡,主要有惰性气体(如N2、CO2、CH4、H2等)和低沸点液体(如戊烷、异戊烷、己烷、二氯甲烷和二氯四氟乙烷等)。而有机或无机发泡剂制备多孔陶瓷是通过物质受热或与原料反应放出气体,从而制得多孔陶瓷。无机发泡剂主要有:碳化钙、氢氧化钙、铝粉、硫酸铝、双氧水硫化物和硫酸盐混合发泡剂等;有机发泡剂主要有偶氮化合物、磺酸腆类化合物、亚硝基化合物[9]

发泡法制备泡沫陶瓷具有较易获得一定形状、组成和密度的多孔陶瓷的优点,很多学者对此进行了研究,如Schuster等[10]采用硫化物和硫酸盐两种作为混合发泡剂与粘土质材料混合, 不需预处理直接加热发泡, 制成了各向同性的高性能多孔陶瓷。Kim YW等人[11]以聚碳硅烷为原料CO2为发泡剂,采用陶瓷先躯体聚合物溶液制得了孔结构分布均匀的多孔SiC陶瓷,其孔径范围为2-10um。Gonzenbach UT 等人[12]以胶体颗粒作为泡沫稳定剂,采用直接发泡法制得样品孔径尺寸较采用常规的长链表面活性剂制得的泡沫陶瓷要小多孔Al2O陶瓷

国内研究相对较少,吴皆正等[3]以石英砂为原料,用十二烷基磺酸钠和碳酸钙为发泡剂, 制成了气孔率为35%-55%、孔径分布窄的微米级多孔陶瓷。孙国梁等人[4,5]以石英为主要原料,钠长石或钾长石作熔剂,CaCO3或CaSO4为成孔剂,PVA为粘结剂,干压成型后于1600℃左右烧结成闭孔泡沫陶瓷,从原料及制备工艺对闭孔石英泡沫陶瓷的性能进行了研究,制备出了闭孔气孔率为58.07%,,抗压强度为4.56MPa的样品张小峰等人[6]采用发泡法,以废石膏为发泡剂,通过干压成型工艺制备出了中铝质闭孔泡沫陶瓷砖,主要探讨了助烧熔剂和烧成制度等因素对闭孔泡沫陶瓷砖性能的影响,制备出了闭孔气孔率为57.2%,,抗压强度为4.82MPa的样品。崔崇等人[13]公开了一种闭合气孔泡沫陶瓷的制备方法,采用高分解温度的硫酸钙发泡剂和无机高温氧化碳化硅造孔剂复合造孔,采用高铝质耐火砖,硬质粘土、长石为原料,经过混合、球磨、压滤、干燥、陈腐后,机压成型,在1350°C -1400°C的空气气氛下烧结,冷却到室温得闭合气孔率可高达75%以上的泡沫陶瓷

但从目前的研究与应用来看,一些问题还需要进一步解决:

(1)缺乏有效精确控制孔径的手段。如何控制孔径的大小、形态、数量以及分布已经成为提高泡沫陶瓷性能的关键。虽可以通过选择发泡剂的种类和用量得到不同孔径和形状的制品,但如何通过优化工艺配方和工艺过程来提高材料气孔均匀性、制备高闭合气孔率材料,还须进一步研究探讨。

   (2)对多孔陶瓷孔结构的演变机理缺乏足够的了解,可考虑通过计算机仿真技术进行模拟实验, 对实验进行辅助指导。

  (3)寻找新的制备方法或发泡法和其他制备工艺相结合,来制备高气孔率、高强度的闭孔陶瓷材料。

   (4)须进一步加大对闭孔陶瓷的应用研究及推广。应加强企业和研究单位之间的技术交流与合作,以促进研究成果的转化和应用。

3 闭孔泡沫陶瓷的应用前景

    闭孔多孔陶瓷是一种很好的吸能、隔热、抗冲击材料, 这主要是由于其内部存在的众多气孔大幅度降低了材料的热辐射传热并且使热流在固体中的传递只能沿着气孔壁进行,从而形成巨大热阻[14]保温绝热是闭孔泡沫陶瓷最主要、最传统的应用之一国外有关报道称:世界上最好的绝热材料是“真空闭孔泡沫陶瓷”,其传热系数比硬质聚甲酸乙酯泡沫材料还低上千倍,被称为“超级绝热材料”。除了保温绝热闭孔泡沫陶瓷还具有隔音、耐腐蚀、防水等多重性,因此可作为复合功能材料进行应用,特别是在建筑节能领域中使用,如可作为墙体保温隔热、防火、防水、防腐、隔音一体化材料地下工程防水、防渗、防潮、防火、保温隔热一体化材料等等。目前国内有些科研机构或企业已意识到泡沫陶瓷对于建筑节能的重要意义,开始关注这一新兴项目。2012年,在北流市就举行闭孔泡沫陶瓷与建筑节能产业发展论坛第一届国际学术研讨会,在会议上来自建筑行业的专家学者等对闭孔泡沫陶瓷的产品研发、技术要求、市场前景进行了探讨,此举充分说明人们已认识到闭孔泡沫陶瓷对建筑节能的重要性。 

      随着我国建筑业的迅速发展,建筑节能产业已成为我国经济转型、结构性调整的重点工作,我国建筑能耗约占全社会总能耗的1/3如何降低建筑能耗,提高节能比例已经成为我国建筑行业迫切解决的问题。闭孔泡沫陶瓷具有良好的保温、绝热、隔音、耐腐蚀、防水等性能,因此作为一种复合功能材料,在建筑节能领域中将有非常广阔的应用前景。

 

【参考文献】

[1]Casfledine T J. Use of filter materials in gating systems [J]. Foundry Trade Journal, 1985, (6): 15-21

[2]Khan P R, Su W M. Flow of ductile iron through ceramic filters and the effects on the dross and fatigue properties [J]. AFS Transactions, 1987, (95): 105-112

[3] 吴皆正易石阳欧阳现可控微米级多孔陶瓷的研制[J]. 硅酸盐通报,1993(3 ):4-9

[4]孙国梁,石纪军, 唐燕超.原料和制备工艺对闭孔石英泡沫陶瓷性能的影响[J].稀有金属材料与工程,2008,37S1:464-466

[5]孙国梁,石纪军,邓一星,.石英质高温闭孔泡沫陶瓷的制备[J].稀有金属材料与工程,2007,

36(S1):570-574

[6]张小锋,刘维良,佘小曼.中铝质闭孔泡沫陶瓷砖的制备和性能研究[J].中国陶瓷工业, 2010, 17(5):18-21

[7]Colombo P, Hellman n JR.Ceramic foams from preceramic Polymers. [J].Materials Research Innovations ,2002, 6(5 -6 ): 260-272

[8]李颖.有机硅泡沫材料的制备研究.[硕士学位论文].西安:西北工业大学,2006

[9]吴丽娜黄玉东王志江.等人.发泡工艺制备多孔陶瓷研究进展[J].中国陶瓷,2010,

46(3):5-8

[10]P.Schuster, B.V.Chairi. Foamed ceramic element[P].U S4123285, 1978

[11] KIM Y W, KIM S H, WANG C M, et al. Fabrication of microcellular ceramics using gaseous carbon dioxide. J. Am.Ceram. Soc., 2003, 86(12): 2231-2233

[12]GONZENBACH U T, STUDART A R, STEINLIN D, et al.Processing of particle- stabilized wet foams into porous ceramics.J. Am. Ceram. Soc., 2007, 90(11): 3407-3414

[13]崔崇彭东文石晓琴.一种闭合气孔泡沫陶瓷的制备方法[P],CN 101955371B,2012

[14] 曾令可王慧罗民华等.多孔功能陶瓷制备与应用[M]北京化学工业出版社, 2006

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