發泡法制備莫來石輕質耐火材料的研究

重復使用是工農業設備中必要的節能材料。目前國內生產的隔熱耐火制品主要缺點是強度低、荷重軟化點低和抗熱震性差。而輕質莫來石材料是比較理想的高溫節能材料之一,它具有熱震穩定性好、耐高溫等特點。當今國內外生產輕質耐火材料制品的方法有燃燒加入物法、化學法和發泡法。燃燒加入物法制備的輕質耐火材料制品中擁有大量的微裂紋和弱接觸點,致使產品的強度低;化學法制備輕質耐火制品反應迅速,生成的氣泡不易控制;而發泡法具有產生氣泡微小且結構分布均勻、生產成本低和工藝簡單等優點。為此,本文采用發泡法制備莫來石輕質耐火材料制品,并加入適量的硅酸鋁耐火纖維,以期提高制品的強度。1測試1.1主要原料和處理方法試驗以工業氧化鋁(w(Al2O3)>99.3%)、石英砂(w(SiO2)>99.35%)為主要原料,蘇州黏土為結合劑(w(Al2O3)>30%)和十二烷基苯磺酸鈉(簡稱SDBS)、AC、鋁粉為發泡劑,外加劑有減水劑和穩泡劑。試驗基本配方如表1所示。1.2泥料的成型、成型和成型將原料在振動球磨機中共同磨細,時間為1h。將共同磨細的混合料在攪拌機中加水攪拌,并加入發泡劑、減水劑和穩泡劑等。制好的泥料在25mm×25mm×125mm的模具中成型。成型的試樣自然干燥1d后脫模。然后在干燥箱內干燥,其干燥制度為30℃×3h、50℃×3h、80℃×6h和110℃×12h。干燥后的試樣在電爐中燒成,燒成制度為:以4℃/min的升溫速率從室溫升至1450℃,保溫時間為3h,隨爐冷卻。按相關標準測定燒結后試樣的容重、顯氣孔率和耐壓強度。2結果與分析2.1采用ac、sdbs、ac等帶孔率調節發泡劑選用鋁粉、偶氮二甲基酰胺(AC)和SDBS作為發泡劑,研究了發泡劑種類對試樣性能的影響,其結果如表2所示。由表2可看出,鋁粉作發泡劑時,試樣的容重較大,氣孔率較小。由于鋁粉發泡需要很準確的pH值,而本試驗未進行pH值調節,故其發泡效果不佳;以AC或SDBS作為發泡劑,發泡效果好。兩種試樣的容重、顯氣孔率相差不大。試驗發現,SDBS發泡量大,產生的氣泡孔徑微小,分布均勻,價格便宜,發泡時間短,發泡量易于控制;而AC發泡劑雖然發泡量大,但其分解溫度較高,其遇堿分解產生氨氣,造成環境污染。因此綜合考慮,選擇SDBS作為后續試驗的發泡劑。2.2sdbs發泡劑對燒結性能的影響加入適量的SDBS發泡劑,在制備輕質耐火制品過程中發泡效果好,氣泡量大且均勻。而加入過量SDBS發泡劑時,料漿在攪拌中產生過量泡沫,料漿內部的氣泡破裂而大量排出,產生的氣泡大且不均勻,成型后的試樣在干燥過程中會出現嚴重的開裂、塌陷等現象,無法對其性能進行檢測。SDBS加入量對燒結后試樣的容重、顯氣孔率和耐壓強度的影響如圖1和圖2所示。由圖1和圖2可知,隨著SDBS發泡劑加入量的增加,試樣的容重初始呈下降趨勢。而SDBS發泡劑加入量超過1%時,試樣容重略有上升。試樣的耐壓強度隨著發泡劑加入量的增加而降低,即隨著容重的降低,試樣耐壓強度下降。試樣的容重為0.65g/cm3時,其耐壓強度仍大于3MPa。2.3成型工藝對材料性能的影響2.3.1糊精加入量對試樣容重的影響為了延長泡沫的持久性,增加發泡劑的效率,采用糊精作為穩泡劑。糊精加入量對試樣的容重和耐壓強度的影響如圖3和圖4所示。由圖3可看出,隨著糊精加入量的增加,試樣的容重總體上呈上升趨勢,糊精加入量超過5%時,試樣容重明顯增加,這是因為糊精易溶于水,料漿黏度大,流動性差,使得發泡量減少,因而試樣的容重增大。由圖4可看出,隨著糊精加入量的增加,試樣的耐壓強度有所提高,這是因為糊精增加了料漿的黏度,增強了試樣結合力,提高了試樣的燒結后強度。2.3.2影響試樣燒結后的容重和強度將原料在攪拌機中加水攪拌,并加入發泡劑、穩泡劑后制成泥料,再澆注成型制得輕質制品生坯。因為加水量的多少對泥漿的黏度、流動性影響很大,會影響發泡效果,因而會影響試樣燒結后的容重和強度。加水量對試樣的容重、顯氣孔率和耐壓強度的影響如圖5和圖6所示。由圖5和圖6可看出,隨著加水量的增加,試樣容重呈直線遞減,顯氣孔率逐漸增大,耐壓強度降低。這可能是隨著加水量的增加,料漿具有良好的流動性和穩定性,氣泡大量包裹在料漿里面。然而隨著氣孔大量增加,試樣耐壓強度明顯降低,加水量達到60%時,試樣耐壓強度很小。同時隨著加水量的增加,料漿黏度逐漸降低,穩定性遭到破壞,成型干燥后,試樣收縮大,容易出現層裂現象,也會造成試樣耐壓強度降低。2.3.3攪拌時間對試驗強度的影響試樣在制備過程中,泥漿的攪拌時間也會影響發泡劑的發泡效果,繼而影響試樣燒結后的強度。圖7為攪拌時間對試樣強度的影響。由圖7可看出,隨著攪拌時間的延長,試樣的耐壓強度基本上呈上升趨勢,特別是當攪拌時間超過8min后,試樣強度明顯提高。由于隨著攪拌時間的延長,結合劑溶解量增多,結合效果增強,因此試樣強度增大。2.3.4不同溫度對確保力及u3000力的影響因為發泡劑的發泡效果和泥料中黏土結合劑的分散結合效果都與溫度有很大的關系,因此研究了加水溫度對試樣耐壓強度的影響,其結果如圖8所示。由圖8可看出,適當提高加水溫度對試樣耐壓強度有一定改善。由于合適的溫度使得試樣中的黏土分散好,加入的糊精溶解量增大,故結合效果增強。當溫度高于50℃時,由于氣泡液膜上側總是向上凸,這種彎曲膜對蒸發作用很敏感,溫度越高蒸發越快,膜變薄到一定厚度時就會破裂,導致試樣強度下降。總體來說,試驗過程中適當提高原料攪拌時的溫度,對改善試樣的性能有利。2.4試樣的物理性能耐火纖維加入量對試樣容重、耐壓強度的影響如圖9和圖10所示。由圖9和圖10可看出,硅酸鋁纖維加入量對試樣容重的影響不大,但是對試樣的耐壓強度影響明顯。纖維加入量小于1%時,試樣的耐壓強度明顯增大,這可能是因為加入適量的硅酸鋁纖維在基體中起結合橋接作用。當裂紋尖端擴展時,很容易遇到彈性模量比基體大得多的硅酸鋁纖維,這時裂紋將發生偏離,其將沿著纖維與基體的結合面(使纖維與基體界面發生解離)或在基體內擴展,使平面裂紋變成了非平面裂紋,其表面積和表面能顯著增大,就能吸收更多的斷裂功,因此材料耐壓強度明顯提高;但隨著硅酸鋁纖維的繼續增加,硅酸鋁纖維過多而難以分散,造成硅酸鋁纖維發生團聚現象而使試樣的耐壓強度明顯降低,材料性能下降。另外硅酸鋁纖維過多,易形成大量空隙,這也是材料耐壓強度下降的原因。3發泡劑、硅酸鋁纖維與轉泡劑的配比對試驗材料力學性能的影響(1)以黏土、工業氧化鋁、石英砂為主要原料,采用發泡法可制備容重小、強度高的莫來石輕質耐火制品。(2)