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一种具有高耐火极限的发泡陶瓷及其制备方法

专利类型	发明公开	法律事件	公开; 实质审查;
专利有效性	实质审查	当前状态	实质审查
申请号	CN202410700653.4	申请日	2024-05-31
公开(公告)号	CN118666568A	公开(公告)日	2024-09-20
申请人	烟台大学;	申请人类型	学校
发明人	李向明; 郁万军; 孟庆宏; 吕翠翠; 马祖驹; 朱小涛;	第一发明人	李向明
权利人	烟台大学	权利人类型	学校
当前权利人	烟台大学	当前权利人类型	学校
省份	当前专利权人所在省份：山东省	城市	当前专利权人所在城市：山东省烟台市
具体地址	当前专利权人所在详细地址：山东省烟台市莱山区清泉路30号	邮编	当前专利权人邮编：264005
主IPC国际分类	C04B33/132	所有IPC国际分类	C04B33/132 ; C04B33/138 ; C04B33/135 ; C04B35/66 ; C04B38/02
专利引用数量	0	专利被引用数量	0
专利权利要求数量	10	专利文献类型	A
专利代理机构	烟台上禾知识产权代理事务所	专利代理人	李萍;
摘要	本发明属于发泡陶瓷技术领域，涉及一种具有高耐火极限的发泡陶瓷及其制备方法，包括如下步骤：(1)将三氟化铝和钛酸钡混合，得到混合料球；(2)将混合料球磨成混合粉料I；(3)将氮化铝粉与混合粉料I混合，制成复合发泡剂；(4)配制固废原料；(5)向固废原料中加入陶瓷解胶剂后，将固废原料球磨成固废粉料；(6)将复合发泡剂、固废粉料和水混合均匀，制成混合粉料II；(7)将混合粉料II压制成坯体；(8)将坯体进行烧结，得到所述的发泡陶瓷。本发明制备的泡沫陶瓷的耐火极限远高于非承重外墙的一级耐火等级要求，同时也满足防火墙的一级耐火等级要求。此外，在密度相当的情况下，本发明的发泡陶瓷具有更高的抗压强度。
权利要求	1.一种具有高耐火极限的发泡陶瓷的制备方法，其特征在于，包括如下步骤： (1)将三氟化铝和钛酸钡混合，得到混合料球； (2)将步骤(1)获得的混合料球磨成混合粉料I； (3)将氮化铝粉与混合粉料I混合，制成复合发泡剂； (4)配制固废原料； (5)向步骤(4)获得的固废原料中加入陶瓷解胶剂后，将固废原料球磨成固废粉料； (6)将步骤(3)获得的复合发泡剂、步骤(5)获得的固废粉料和水混合均匀，制成混合粉料II； (7)将混合粉料II压制成坯体； (8)将步骤(7)获得的坯体进行烧结，得到具有高耐火极限的发泡陶瓷。 2.根据权利要求1所述的具有高耐火极限的发泡陶瓷的制备方法，其特征在于，所述混合料粉I的平均粒径为1～3μm，所述氮化铝粉的粒径为40～60μm，所述固废粉料的平均粒径为3～5μm。 3.根据权利要求1所述的具有高耐火极限的发泡陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述三氟化铝和钛酸钡的重量比为1：(0.6～0.8)。 4.根据权利要求1所述的具有高耐火极限的发泡陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述氮化铝粉与混合粉料I的重量比为1：(6.2～8.7)。 5.根据权利要求1所述的具有高耐火极限的发泡陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述固废原料中氧化硅、氧化铝、氧化钠和氧化钾的总重量占比≥89.5％，氧化硅的重量占比≥66％，氧化铝的重量占比为≥17％，氧化钠的重量占比≥2.8％，氧化钾的重量占比≥3.7％。 6.根据权利要求1所述的具有高耐火极限的发泡陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，所述陶瓷解胶剂的加入重量为所述固废原料重量的0.5～0.7％。 7.根据权利要求1所述的具有高耐火极限的发泡陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(6)中，所述复合发泡剂、固废粉料和水的重量比为(3.6～7.5)：100：(6.6～8.7)。 8.根据权利要求1所述的具有高耐火极限的发泡陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(7)中，采用0.2～0.4MPa的压力制成坯体。 9.根据权利要求1所述的具有高耐火极限的发泡陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(8)中，所述烧结的温度为1213～1225℃，烧结的时间为21～24min。 10.一种具有高耐火极限的发泡陶瓷，其特征在于，采用权利要求1‑9任一项所述的具有高耐火极限的发泡陶瓷的制备方法制备而成。
说明书全文	一种具有高耐火极限的发泡陶瓷及其制备方法技术领域 [0001] 本发明涉及一种具有高耐火极限的发泡陶瓷及其制备方法，属于发泡陶瓷技术领域。背景技术 [0002] 发泡陶瓷是一种兼具轻质、保温、防火、防水等诸多特点的新型建筑材料，是当下建材行业的重要发展方向。按照密度大小划分，发泡陶瓷可用于建筑领域作为外墙保温板和室内隔墙板。发泡陶瓷用作外墙保温板，可消除聚苯板和聚氨酯板存在的不防火、易老化、寿命短等问题；发泡陶瓷用作室内隔墙板，能够避免加气砼石切块和烧结多孔砖存在的自重大、保温性能差、干燥收缩大、易吸潮开裂等问题。另外，生产发泡陶瓷能消纳处置大量的固废尾矿，在带来经济效益的同时，还能产生良好的环保、生态和社会效益，符合绿色、节能、环保、低碳的建筑业高质量发展需求。 [0003] 目前，市面上的发泡陶瓷产品由于综合性能和制备工艺都差别不大，因此存在的3 问题也是共性问题。在性能方面，密度普遍在450kg/m左右，抗压强度普遍在6.0MPa左右，导热系数普遍在0.25W/(m·k)左右；在工艺方面，几乎全部以碳化硅作为发泡剂，受发泡剂的限制，普遍存在耐火极限偏低的问题。根据国标《建筑设计防火规范，GB50016‑2014》，发泡陶瓷产品在用于民用建筑构件时，由于耐火极限远低于防火墙的耐火等级(即耐火极限≥3h)要求，因此只能作为非承重外墙使用。然而即便如此，也只有少数产品达到非承重外墙的二级耐火等级(即耐火极限≥1h)，多数产品仅达到非承重外墙的三级耐火等级(即耐火极限≥0.5h)，严重限制了发泡陶瓷产品的应用。发明内容 [0004] 本发明的目的在于提供一种具有高耐火极限的发泡陶瓷及其制备方法以解决如上所述的现有技术中存在的技术问题。 [0005] 本发明的目的之一在于提供一种具有高耐火极限的发泡陶瓷的制备方法，包括如下步骤： [0006] (1)将三氟化铝和钛酸钡混合，得到混合料球； [0007] (2)将步骤(1)获得的混合料球磨成混合粉料I； [0008] (3)将氮化铝粉与混合粉料I混合，制成复合发泡剂； [0009] (4)配制固废原料； [0010] (5)向步骤(4)获得的固废原料中加入陶瓷解胶剂后，将固废原料球磨成固废粉料； [0011] (6)将步骤(3)获得的复合发泡剂、步骤(5)获得的固废粉料和水混合均匀，制成混合粉料II； [0012] (7)将混合粉料II压制成坯体； [0013] (8)将步骤(7)获得的坯体进行烧结，得到具有高耐火极限的发泡陶瓷。 [0014] 采用上述技术方案的效果是，以氮化铝、三氟化铝和钛酸钡的混合物制备复合发泡剂，其中，氮化铝在高温条件下通过氧化反应产生气体，从而在高温熔融的陶瓷基体中形成气孔；钛酸钡用以提高氮化铝的氧化速率，从而缩短发泡陶瓷的烧制时间，并具有改善发泡陶瓷孔结构均匀性的效果；三氟化铝用以促使高温熔融的陶瓷基体形成莫来石相，从而提高发泡陶瓷的抗压强度和耐火极限，并降低发泡陶瓷的导热系数；陶瓷解胶剂用以提高固废原料的流动性和均匀性，从而提高发泡陶瓷的稳定性和均匀性。 [0015] 在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进： [0016] 进一步地，所述混合料粉I的平均粒径为1～3μm，所述氮化铝粉的粒径为40～60μm，所述固废粉料的平均粒径为3～5μm。 [0017] 进一步地，步骤(1)中，所述三氟化铝和钛酸钡的重量比为1：(0.6～0.8)。 [0018] 进一步地，步骤(3)中，所述氮化铝粉与混合粉料I的重量比为1：(6.2～8.7)。 [0019] 进一步地，步骤(4)中，所述固废原料中氧化硅、氧化铝、氧化钠和氧化钾的总重量占比≥89.5％，氧化硅的重量占比≥66％，氧化铝的重量占比为≥17％，氧化钠的重量占比≥2.8％，氧化钾的重量占比≥3.7％。所述固废原料由河道淤泥、冶金固废、矿业固废、燃料灰渣、瓷砖废料、石材锯泥等无机固废配制而成。 [0020] 进一步地，步骤(5)中，所述陶瓷解胶剂的加入重量为所述固废原料重量的0.5～0.7％。 [0021] 进一步地，步骤(5)中，所述陶瓷解胶剂为模数为2.8～3.1，密度为1.41～1.44g/3 cm的水玻璃。 [0022] 进一步地，步骤(6)中，所述复合发泡剂、固废粉料和水的重量比为(3.6～7.5)：100：(6.6～8.7)。 [0023] 进一步地，步骤(7)中，采用0.2～0.4MPa的压力制成坯体。 [0024] 进一步地，步骤(8)中，所述烧结的温度为1213～1225℃，烧结的时间为21～24min。 [0025] 本发明的目的之二在于提供一种具有高耐火极限的发泡陶瓷，由上述的具有高耐火极限的发泡陶瓷的制备方法制备而成。 [0026] 本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有以下有益效果： [0027] 1、本发明在高温烧结时，由氮化铝氧化而成的纳米氧化铝具有较高的活性，极易与熔融基体中的二氧化硅反应生成莫来石相；并且复合发泡剂中的三氟化铝会依次发生如下反应，促使陶瓷基体生成莫来石相。 [0028] AlF3+H2O→AlOF+2HF↑ [0029] SiO2+4HF↑→SiF4↑+2H2O [0030] 2AlOF↑+SiF4↑+2H2O→Al2SiO4F2+4HF↑ [0031] 4Al2SiO4F2→Al6Si2O13+Al2O3+2SiF4↑ [0032] 高温条件下，莫来石具有优异的力学性能和抗蠕变性能，本发明得益于高的莫来石含量，使得所制备的发泡陶瓷具有≥3h的高耐火极限。 [0033] 2、本发明的复合发泡剂采用廉价易得的市售原料配制而成，而且配制工艺简单，因此具有制备成本低的优点。 [0034] 3、本发明制备的泡沫陶瓷在用于民用建筑构件时，其耐火极限远高于非承重外墙的一级耐火等级(耐火极限≥1h)要求，同时也满足防火墙的一级耐火等级(耐火极限≥3h)要求。此外，在密度相当的情况下，本发明的发泡陶瓷比市面上的其它发泡陶瓷产品的抗压强度更高。附图说明 [0035] 图1为本发明的具有高耐火极限的发泡陶瓷的制备方法流程图。具体实施方式 [0036] 以下结合实例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。 [0037] 本发明的具有高耐火极限的发泡陶瓷的制备方法流程图如图1所示。 [0038] 实施例1 [0039] 一种具有高耐火极限的发泡陶瓷制备方法，步骤如下： [0040] (1)将三氟化铝和钛酸钡按照1：0.6的重量比混合，得到混合料球； [0041] (2)将步骤(1)获得的混合料球球磨成平均粒径为1μm的混合粉料I； [0042] (3)将粒径为40μm的氮化铝粉与混合粉料I按照1：8.7的重量比混合，制成复合发泡剂； [0043] (4)将河道淤泥、冶金固废、矿业固废、燃料灰渣、瓷砖废料和石材锯泥配制成氧化硅、氧化铝、氧化钠和氧化钾的总重量占比为91.4％，氧化硅的重量占比为67.2％，氧化铝的重量占比为17.3％，氧化钠的重量占比为3.1％，氧化钾的重量占比为3.8％的固废原料； [0044] (5)向步骤(4)获得的固废原料中加入占0.5％重量的水玻璃(模数为2.8，密度为3 1.44g/cm)后，将固废原料球磨成平均粒径为3μm的固废粉料； [0045] (6)将步骤(3)获得的复合发泡剂、步骤(5)获得的固废粉料和水按照3.6：100：6.6的重量比混合，搅拌均匀，制成混合粉料II； [0046] (7)将混合粉料II采用0.2MPa的压力制成坯体； [0047] (8)将步骤(7)获得的坯体在1213℃温度下烧制24min，得到本发明所述的发泡陶瓷。 [0048] 实施例2 [0049] 一种具有高耐火极限的发泡陶瓷制备方法，步骤如下： [0050] (1)将三氟化铝和钛酸钡按照1：0.7的重量比混合，得到混合料球； [0051] (2)将步骤(1)获得的混合料球球磨成平均粒径为2μm的混合粉料I； [0052] (3)将粒径为45μm的氮化铝粉与混合粉料I按照1：7.8的重量比混合，制成复合发泡剂； [0053] (4)将河道淤泥、冶金固废、矿业固废、燃料灰渣、瓷砖废料和石材锯泥配制成氧化硅、氧化铝、氧化钠和氧化钾的总重量占比为92.7％，氧化硅的重量占比为67.5％，氧化铝的重量占比为17.6％，氧化钠的重量占比为3.5％，氧化钾的重量占比为4.1％的固废原料； [0054] (5)向步骤(4)获得的固废原料中加入占0.5％重量的水玻璃(模数为2.9，密度为3 1.43g/cm)后，将固废原料球磨成平均粒径为4μm的固废粉料； [0055] (6)将步骤(3)获得的复合发泡剂、步骤(5)获得的固废粉料和水按照4.8：100：7.1的重量比混合，搅拌均匀，制成混合粉料II； [0056] (7)将混合粉料II采用0.3MPa的压力制成坯体； [0057] (8)将步骤(7)获得的坯体在1217℃温度下烧制23min，得到本发明所述的发泡陶瓷。 [0058] 实施例3 [0059] (1)将三氟化铝和钛酸钡按照1：0.7的重量比混合，得到混合料球； [0060] (2)将步骤(1)获得的混合料球球磨成平均粒径为2μm的混合粉料I； [0061] (3)将粒径为50μm的氮化铝粉与混合粉料I按照1：6.9的重量比混合，制成复合发泡剂； [0062] (4)将河道淤泥、冶金固废、矿业固废、燃料灰渣、瓷砖废料和石材锯泥配制成氧化硅、氧化铝、氧化钠和氧化钾的总重量占比为92.5％，氧化硅的重量占比为67.4％，氧化铝的重量占比为17.5％，氧化钠的重量占比为3.4％，氧化钾的重量占比为4.2％的固废原料； [0063] (5)向步骤(4)获得的固废原料中加入占0.6％重量的水玻璃(模数为3.0，密度为3 1.42g/cm)后，将固废原料球磨成平均粒径为4μm的固废粉料； [0064] (6)将步骤(3)获得的复合发泡剂、步骤(5)获得的固废粉料和水按照6.1：100：7.7的重量比混合，搅拌均匀，制成混合粉料II； [0065] (7)将混合粉料II采用0.3MPa的压力制成坯体； [0066] (8)将步骤(7)获得的坯体在1221℃温度下烧制22min，得到本发明所述的发泡陶瓷。 [0067] 实施例4 [0068] 一种具有高耐火极限的发泡陶瓷制备方法，步骤如下： [0069] (1)将三氟化铝和钛酸钡按照1：0.8的重量比混合，得到混合料球； [0070] (2)将步骤(1)获得的混合料球球磨成平均粒径为3μm的混合粉料I； [0071] (3)将粒径为60μm的氮化铝粉与混合粉料I按照1：6.2的重量比混合，制成复合发泡剂； [0072] (4)将河道淤泥、冶金固废、矿业固废、燃料灰渣、瓷砖废料和石材锯泥配制成氧化硅、氧化铝、氧化钠和氧化钾的总重量占比为91.9％，氧化硅的重量占比为66.7％，氧化铝的重量占比为17.6％，氧化钠的重量占比为3.3％，氧化钾的重量占比为4.3％的固废原料； [0073] (5)向步骤(4)获得的固废原料中加入占0.7％重量的水玻璃(模数为3.1，密度为3 1.41g/cm)后，将固废原料球磨成平均粒径为5μm的固废粉料； [0074] (6)将步骤(3)获得的复合发泡剂、步骤(5)获得的固废粉料和水按照7.5：100：8.7的重量比混合，搅拌均匀，制成混合粉料II； [0075] (7)将混合粉料II采用0.4MPa的压力制成坯体； [0076] (8)将步骤(7)获得的坯体在1225℃温度下烧制21min，得到本发明所述的发泡陶瓷。 [0077] 对实施例1‑4得到的发泡陶瓷进行物理力学性能测试。其中密度、抗压强度和体积吸水率按照国标《无机硬质绝热制品试验方法，GB/T5486‑2008》测试；耐火极限按照国标《建筑构件耐火试验方法第一部分：通用要求，GB/T9978.1‑2008》测试；防火等级按照国标《建筑材料及制品燃烧性能分级，GB8624‑2012》测试。 [0078] 测试结果如表1所示。 [0079] 表1实施例1‑4的发泡陶瓷物理力学性能测试结果 [0080] [0081] 从表1可以看出，实施例1‑4所制备的发泡陶瓷的密度为426～597kg/m3，抗压强度为6.8～11.2MPa，体积吸水率为1.1～1.7％，导热系数为0.21～0.29W/(m·k)，耐火极限为3.1～3.6h，防火等级为A1，符合防火墙的一级耐火等级要求。 [0082] 目前，市售发泡陶瓷产品的密度普遍在450kg/m3左右，抗压强度普遍在6.0MPa左右，导热系数普遍在0.25W/(m·k)左右。相较于市售发泡陶瓷产品，实施例3所制备的发泡3 陶瓷虽然密度略高，为485kg/m ，但导热系数仍低至0.24W/(m·k)；实施例4所制备的发泡 3 陶瓷虽然密度略低，为426kg/m ，但仍然具有更高的抗压强度，为6.8MPa，而且此时的导热系数更低，仅为0.21W/(m·k)。通过上述对比可以看出，与市售发泡陶瓷相比，本发明实施例3‑4所制备的发泡陶瓷在密度相当的情况下，具有更高的抗压强度和更低的导热系数。 [0083] 另外，实施例1‑4随着复合发泡剂用量增加，以及复合发泡剂中氮化铝占比增加，发泡陶瓷的密度、抗压强度和防火等级逐渐降低，体积吸水率逐渐增大。由此可见，通过调节复合发泡剂的用量，以及复合发泡剂的氮化铝占比，可有效调节发泡陶瓷的综合性能。 [0084] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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