利用吸湿材料制备建筑多孔调湿陶瓷的研究
周雅琴+刘俊荣+张缇+梁耀龙
摘 要：现代建筑中的干湿问题对人居环境的影响越来越明显，因此，具有调湿功能的建筑材料已成为国内外生态建材发展的重点之—。本文利用抛光废渣、陶瓷用普通原料，以及吸湿材料硅藻土、海泡石等制备多孔吸湿陶瓷材料，并研究了吸湿材料的外加量对吸湿性能的影响。同时，探讨了最佳制备工艺及烧成制度。本文利用基础料与吸湿材料的不同颗粒级配均匀混合，可制备出吸湿性较好的多孔调湿陶瓷，其吸湿率平均在175 g/㎡。
关键词：吸湿陶瓷；硅藻土；海泡石；颗粒级配
1 引言
随着人们越来越关注现代建筑中存在的一系列干湿问题，采用具有调湿功能的建筑材料已成为国内外生态建材发展的重点之—[1-4]。近些年，我国已开始进行了一部分与调湿材料相关的研究，大多集中在硅胶、高分子聚合物、无机矿物质以及复合材料上。但由于调湿机理的复杂性，以及某些调湿产品存在制造工艺复杂、生产成本高、湿容量过小、调湿速度慢等缺点[5-10]，因此，目前在这方面的研究进展的比较缓慢。所以，制备出工艺简单、生产成本低廉且调湿性能优良的调湿材料，将成为目前调湿材料研发的主要方向。
本试验选用来源广泛的抛光砖废渣取代常用的陶瓷发泡剂，通过添加其他吸湿类材料，如：硅藻土、海泡石等，来调节吸湿功能。其主要原理为：在中低温时，抛光废渣起到微发泡作用，在烧制过程中吸湿类材料均匀的分散在样品之中，并在内部形成一定形状和大小的孔洞，最终达到吸湿的目的，从而获得建筑节能生态陶瓷材料。
2 实验内容
2.1 实验原料及设备
（1）实验原料
本实验所采用的原料为佛山欧神诺陶瓷股份公司制抛光砖所用的常规原料，如：原矿泥、高温砂、长石、抛光砖废渣F-1（F-1是抛光砖在经过抛光处理时产生的废水经过分离、沉淀、压滤、自然干燥后的回收料）、硅藻土、海泡石等。
（2）实验设备
本实验所采用的主要设备有SY35-液压压砖机、101-4-电热鼓风干燥箱、HLJ16B -1600℃高温井式电炉、BPS-50CL-恒温恒湿箱、小型陶瓷球磨机、分样筛、电子称等。
2.2 吸湿陶瓷材料的制备工艺
吸湿陶瓷材料的制备工艺流程如图1所示。
投料→球磨→过筛除铁→喷粉→压制成型→干燥→烧成
图1 吸湿陶瓷材料的制备工艺流程
（1） 配料
吸湿材料的组成原料主要是普通陶瓷原料（高温砂、长石、原矿泥等）、石灰石、硅藻土、海泡石、抛光砖废料F-1，各原料氧化物含量分析如表1所示。
首先，按配方比例称取原料；然后，将称好的原料投入球磨机中进行球磨，其中，球﹕料﹕水=1.5﹕1﹕0.5；最后，将球磨好的浆料进行过筛除铁。
（2） 成型
首先，浆料由柱塞泵输送至喷雾塔进行喷雾干燥成粉；然后，将粉料压制成不同尺寸规格及厚度的陶瓷砖坯。成型过程应适当排气以防分层裂砖。
（3） 烧成
将干燥后的生坯砖放入电炉内开始煅烧，其烧成制度按照研究需要进行设计。
3 实验结果分析与讨论
本文以传统陶瓷原料和抛光砖废渣作为多孔吸湿陶瓷的骨架，在此基础上外加吸湿类材料，以提升样品的吸湿率。为了保证样品具有较大的吸湿率，对基础配方进行优化实验，其具体配方设计如表2所示。将这4组基础配方在950℃温度下进行煅烧，其结果如表3所示。
由表3可知，基础配方2在此温度下烧成后效果最佳，由于配方中添加了抛光废渣与石灰石，抛光废渣中有抛光时磨头损失的少量碳化硅，在烧成时使样品产生微泡，而石灰石在烧成时会产生大量气泡。因此，样品内部均匀分布着细小孔洞，使样品本身具有较好的吸湿效果。其吸水率为15.32%、吸湿率为90.75g/㎡、抗折强度为13.89MPa。因此，基础配方2能够作为此研究的基础配方进行更深入研究，其各氧化物含量如表4所示。
3.1 硅藻土对吸湿的影响
在优化配方的基础上外加不同配比的硅藻土，其试验配方如表5所示，A组配方均在950℃条件下烧成，其试验结果如表6所示。
由表6可知，随着硅藻土不断增加，样品的吸水率与吸湿率逐渐增大，但其抗折强度却在A-3出现转折点。通过测试，A-3的吸水率为29.14%、吸湿率为175.43 g/㎡、抗折强度为6.3 MPa。
硅藻土由无定形的SiO2组成，并含有少量杂质，有细腻、松散、质轻、多孔、吸水性和渗透性强的物性。图2为本试验所用硅藻土样品在950 ℃条件下煅烧后的SEM图。
由图2可以看出，在此煅烧温度下，硅藻土呈现良好的圆盘状，并且圆盘上布满了微细的孔洞。因此，随着外加硅藻土的量不断增加，其吸水率与吸湿率呈逐渐增大的趋势，但又因硅藻土为细腻、松散、轻质结构，当硅藻土的外加量超过一定量时，其烧结样品的抗折强度呈下降趋势。所以，当A-3配方中硅藻土外加量为40%时，其效果最佳。
3.2 海泡石对吸湿的影响
在最优配方的基础上外加不同配比的海泡石，进一步探究海泡石对吸湿的影响，其试验配方如表7所示。B组配方均在950℃条件下烧成，其试验结果如表8所示。
由表8可知，随着海泡石不断增加，样品的吸水率与吸湿率逐渐增大。当外加海泡石的量达到40%时，其吸水率与吸湿率都达到最大，而样品的抗折强度没有明显变化。因此，确定B-3为最佳配方，其吸水率为25.63%、吸湿率为152.94 g/㎡、抗折强度为6.39 MPa。
海泡石理论化学成份主要为：SiO2 54%～60%、MgO 21%～25%。本试验所用海泡石的内部主要孔道孔径约为5 nm。海泡石有高达900 ㎡/g的理论表面积，在通道和孔洞中可以吸附大量的水，具有较大的吸湿能力。图3为海泡石的SEM图所示。
由图3可知，海泡石纤维内部存在大量的纤维结构，同时，海泡石颗粒之间还存在大量的孔隙。因此，随着外加海泡石量的增大，样品中的吸湿材料的孔洞多，纤维之间的孔隙也增多，样品的吸湿效果就增强。当海泡石的外加量达到40%以上时，样品中的孔隙达到一定饱和，无法持续增大样品吸湿率。因此，海泡石的最佳外加量为40%。
3.3 粉料的颗粒级配对吸湿的影响
通过上述实验我们发现，外加一定量的硅藻土、海泡石，可以在一定程度上提高样品的吸湿率。通过调整外加吸湿材料与配方2的颗粒级配，观察样品的吸湿性能。其试验配方如表9所示，试验结果如表10所示。
由表10可知，C-1与C-2的吸湿性能都比较不错，相比A-3与B-3性能都有所提高，而C-3的吸湿性能却表现一般，但其抗折强度却高于C-1与C-2。这是因为原矿泥相对吸湿材料来说更具有粘结性，在样品烧结时产生较多的玻璃相，使得样品的抗折强度有所提高，但其吸湿性能却表现一般。
C-1与C-2的吸湿率都比A-3与B-3要高，这是因为在C组配方中，基础配方2粉料的细度与吸湿材料粉料的细度有所差别，这样经混料后，在砖坯压制成型时，可以使得这两种粉料混合的更加均匀，细粉可以错落在粗粉的缝隙中形成紧密堆积，从而形成更细小的缝隙，这样的缝隙增加了样品的吸湿通道。因此，样品的吸湿率有所提高。
4 结论
（1） 以抛光废渣等原料为吸湿骨架，外加硅藻土、海泡石等吸湿材料，通过普通的陶瓷砖制备工艺能制备出吸湿性能较好的吸湿陶瓷材料。
（2） 在基础配方2中外加40%硅藻土，当煅烧温度为950℃时，能得到较优的吸湿效果，其样品吸水率为29.14%、吸湿率为175.43g/㎡、抗折强度为6.3MPa。
（3） 在基础配方2中外加40%海泡石，当煅烧温度为950℃时，能得到较优的吸湿效果，其样品吸水率为25.63%、吸湿率为152.94g/㎡、抗折强度为6.39MPa。
（4） 在通过工艺改进后，将基础配方2制成60目细粉，吸湿材料制成20目粉料，并以6：4的比例均匀混合，可得较优配方。硅藻土样品C-1的吸水率为31.18%、吸湿率为182.33g/㎡、抗折强度为6.87MPa；海泡石样品C-2的吸水率为29.72%、吸湿率为167.59g/㎡、抗折强度为7.23MPa。
参考文献
[1] 池田哲朗.调湿材料と湿度调节[J].石膏と石灰，1992，240，69.
[2] 黄翔， 范影， 狄育慧.用于墙体表面的多孔调湿材料实验研究
[J].西安工程科技学院学报.2006，20（6），731.
[3] 冯乃谦，李桂芝，刑锋.调湿材料的研究[J].新型建筑材料，1994（6）， 16.
[4] 永平.千奇百怪的复合材料[J].陕西建材，2002，16（1），13.
[5] 吕荣超，冀志江，张连松，等.海泡石应用于调湿材料的研究[J].
岩石矿物杂志，2005，24（4），329.
[6] 郭振华，尚德库，梁金生. 活化温度对海泡石纤维自调湿性能的
影响[J]. 硅酸盐学报， 2004， 32（11），1405.
[7 张秀梅. 调湿墙体材料及其调湿性能的研究（硕士学位论文）
[D]. 天津：天津大学，2005.
[8] 西藤宫野，田中.屋内湿度变化と壁体材料[R].日本建築学会研
究报告：第3集. 福罔：秀巧社印刷株式会社，1949，21.
[9] 黄季宜，金招芬.调湿建材调节室内湿度的可行性分析[J].暖通
空调，2002，32（1），105.
[10] 冉茂宇.调湿材料及其研究应用现状[D].第八届中国建筑物理
学术会议论文，2000，158.
由图3可知，海泡石纤维内部存在大量的纤维结构，同时，海泡石颗粒之间还存在大量的孔隙。因此，随着外加海泡石量的增大，样品中的吸湿材料的孔洞多，纤维之间的孔隙也增多，样品的吸湿效果就增强。当海泡石的外加量达到40%以上时，样品中的孔隙达到一定饱和，无法持续增大样品吸湿率。因此，海泡石的最佳外加量为40%。
3.3 粉料的颗粒级配对吸湿的影响
通过上述实验我们发现，外加一定量的硅藻土、海泡石，可以在一定程度上提高样品的吸湿率。通过调整外加吸湿材料与配方2的颗粒级配，观察样品的吸湿性能。其试验配方如表9所示，试验结果如表10所示。
由表10可知，C-1与C-2的吸湿性能都比较不错，相比A-3与B-3性能都有所提高，而C-3的吸湿性能却表现一般，但其抗折强度却高于C-1与C-2。这是因为原矿泥相对吸湿材料来说更具有粘结性，在样品烧结时产生较多的玻璃相，使得样品的抗折强度有所提高，但其吸湿性能却表现一般。
C-1与C-2的吸湿率都比A-3与B-3要高，这是因为在C组配方中，基础配方2粉料的细度与吸湿材料粉料的细度有所差别，这样经混料后，在砖坯压制成型时，可以使得这两种粉料混合的更加均匀，细粉可以错落在粗粉的缝隙中形成紧密堆积，从而形成更细小的缝隙，这样的缝隙增加了样品的吸湿通道。因此，样品的吸湿率有所提高。
4 结论
（1） 以抛光废渣等原料为吸湿骨架，外加硅藻土、海泡石等吸湿材料，通过普通的陶瓷砖制备工艺能制备出吸湿性能较好的吸湿陶瓷材料。
（2） 在基础配方2中外加40%硅藻土，当煅烧温度为950℃时，能得到较优的吸湿效果，其样品吸水率为29.14%、吸湿率为175.43g/㎡、抗折强度为6.3MPa。
（3） 在基础配方2中外加40%海泡石，当煅烧温度为950℃时，能得到较优的吸湿效果，其样品吸水率为25.63%、吸湿率为152.94g/㎡、抗折强度为6.39MPa。
（4） 在通过工艺改进后，将基础配方2制成60目细粉，吸湿材料制成20目粉料，并以6：4的比例均匀混合，可得较优配方。硅藻土样品C-1的吸水率为31.18%、吸湿率为182.33g/㎡、抗折强度为6.87MPa；海泡石样品C-2的吸水率为29.72%、吸湿率为167.59g/㎡、抗折强度为7.23MPa。
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（3） 在基础配方2中外加40%海泡石，当煅烧温度为950℃时，能得到较优的吸湿效果，其样品吸水率为25.63%、吸湿率为152.94g/㎡、抗折强度为6.39MPa。
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