煤矸石在泡沫保温陶瓷中的应用与研究进展

山西工程技术学院，山西 阳泉 045000

伴随着世界和我国近年来工业化和新一代城市化进程的加速，建筑行业异军突起，在能源消耗结构中，建筑能耗是一个非常重要的组成部分，因此通过改良现有的建筑材料实现节能和绿色环保是解决此问题的一个有效途径，其中外墙保温隔热材料就是一个备受关注的研究领域。

目前，世界上在房屋外墙保温材料中大量使用的都是有机类材料，如聚苯乙烯泡沫塑料和聚氨酯等。然而有机材料易燃，易老化，发生火灾后便成为了可怕的助燃剂，造成更大人员伤亡和经济损失，同时其易老化的特性更是限制了其应用的范围。利用煤矸石制备的泡沫保温陶瓷因其兼具陶瓷材料及多孔材料的优良性能，可以很好地克服有机材料的缺点，因而发展迅速。

1 泡沫陶瓷简介

泡沫陶瓷是一种三维空间呈现网状结构的陶瓷材料，根据孔结构的特点可以分为开孔和闭孔。泡沫陶瓷凭借高的比表面积和低的热传导率被应用于环境材料，吸声材料及建筑外墙的保温材料上。

2 泡沫陶瓷的制备工艺

2.1 发泡法

在体系内加入发泡剂，通过化学反应产生泡沫，再经干燥后烧结可制成泡沫陶瓷。常用的发泡物质有碳化钙，氢氧化钙，铝粉，硫酸铝，双氧水等无机材料和亲水性聚氨酯塑料等有机材料。该制备方法制得的材料具有形状，成分和密度容易控制的优点，因此特别适合于闭气孔陶瓷材料的制造。不足之处在于工艺复杂，制备出的陶瓷粉化剥落现象严重。吕瑞芳［1］等利用煤矸石和玻璃粉，采用发泡法制备出了多孔泡沫陶瓷材料，该研究发现烧结温度对材料的表观密度，抗压强度及吸水率有显著的影响。同时热导率随表观密度的降低而减小。Wang 等以十二烷基硫酸钠为发泡剂，利用煤矸石和氧化铝在1400～1500下烧结出孔隙率为71.8%～88.2%，抗压强度介于0.21～8.7MPa，导热系数为0.1056～0.3848W/（m·K）的莫来石泡沫陶瓷。

2.2 溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法的作用机理大致来说就是：在所需的原料中加入有机单体，催化剂及引发剂，充分球磨制得陶瓷浆料，之后将有机泡沫塑料缓慢放入浆料中浸泡，在其上浆料及其混合物发生原位聚合，附着在有机泡沫塑料上的浆料被凝固即得到多孔陶瓷。该方法主要应用于制备纳米级孔径且气孔分布均匀的陶瓷材料，但是制品的形状受有机泡沫材料的限制。

2.3 造孔剂

在陶瓷配料中加入一定量的造孔剂，经烧结后造孔剂气化消失，在陶瓷中留下孔隙。常用的造孔剂有炭粉，木屑，淀粉糊精，聚乙烯醇（PVA），聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），硫酸钠，硫酸钙，氯化钠，氯化钙，碳酸胺，碳酸钙，氯化铵等。该方法的优点在于通过设计造孔剂的形状和大小可以获得不同结构的孔隙，同时工艺简单，成本较低。不足之处是受造孔剂本身影响，难以获得气孔率高的陶瓷制品。杨涛［2］等利用煤矸石为主要原料，活性炭粉充当造孔剂，聚乙烯醇溶液为结合剂，在1400℃下烧结制备堇青石多孔陶瓷。研究发现当造孔剂加入量为5%时，抗折强度达到29.1MPa。胡明玉［3］等以煤矸石和其他煤炭伴生页岩为主要原料，陶瓷厂生产的废弃抛光渣为造孔剂，滑石为助熔剂，在1200℃下烧结制备出孔抗压强度大于12MPa 的多孔陶瓷。谷玲钰［4］等用煤矸石，粉煤灰和木屑制备出了多孔陶瓷，研究表明木屑含量会影响孔隙率，随着烧结温度的增加，最大抗压强度可达55.13MPa。甄强［5］等以煤矸石作主料，以丙烯酸树脂为造孔剂合成多孔陶瓷，研究发现造孔剂用量为10%～40%时得到的多孔陶瓷符合外墙保温材料的标准。

2.4 有机泡沫浸渍法

有机泡沫浸渍法被视为用来生产高性能泡沫陶瓷的有效方法，在三维开孔的聚氨酯泡沫塑料上涂敷陶瓷泥浆，干燥后高温烧结，在烧结过程中聚氨酯塑料会被充分燃烧尽，同时高温下浆料得到致密化处理，从而得到与聚氨酯泡沫塑料同样结构的多孔泡沫陶瓷。该方法可以通过控制每个环节来制备出高性能泡沫陶瓷，但有机泡沫体种类有限，所以制备的泡沫陶瓷种类受限。吴国天在煤矸石中加入铝矾土和碳酸镁制备出了堇青石多孔陶瓷，抗压强度为3.68MPa。

3 煤矸石的来源及危害

煤矸石是采煤和洗煤过程中大量排放的一种碳含量较低的固体废弃物，主要成分为氧化铝和少量二氧化硅，其中还含有少量的镓，钒，钛，钴等稀有元素。由于煤矸石的大量堆放不仅占用土地面积，而且这些有害物质一旦进入地下水会引起水源和土壤的污染。若引发自燃还会造成严重的空气污染。

4 泡沫保温陶瓷存在问题及研究方向

4.1 存在问题

煤矸石泡沫保温陶瓷虽然一定程度上解决了一部分煤矿固体废弃物，对建筑保温节能方面有很大帮助，但也存在一些问题：

（1）泡沫陶瓷用在建筑外墙保温材料上对其保温性能要求严格，要获得好的保温性能就需要内部孔隙封闭不连通，大小适中且分布均匀，因此制备工艺要求严格；

（2）泡沫保温陶瓷虽然具有抗老化，强度高，不燃等优势，但其加工性却不如有机材料，因此极大地限制了其使用范围；

（3）利用煤矸石等制备泡沫保温陶瓷虽然节能环保，但是生产出的陶瓷材料颜色灰暗，色泽单调，在美观性上需要提高和改进。

4.2 研究方向

基于此，未来该方面的发展应符合如下趋势：

（1）基于化学成分建立相关配方设计体系，如利用模拟计算及三维相图，建立多化学组元模型，实现可控制备；

（2）尽可能多地利用安全可靠的固体废弃物作原料，在解决固废环境问题的同时创造经济价值，发挥固体废弃物的再利用价值；同时煤矿固体废弃物成分复杂，其物理性能及烧结活性需进一步研究；

（3）尽可能降低烧结温度，研发低温快烧配方体系，在生产工艺上真正做到节能；

（4）加强上下游产业衔接，实现协同增效。