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微孔硅酸鈣材料的應用


    以硬硅鈣石為主要成份的微孔硅酸鈣材料是一種用途廣泛的絕熱保溫材料。由于在一定的溫度范圍內材料中空隙率越高其導熱率越小,近年來該材料的一種趨勢是向超輕發展。在這里所謂超輕是指材料的體積密度不大于130kg/m自70年代以來對硬硅鈣石料漿的合成進行了廣泛而深入的研究,基本上確立了動態水熱合成的工藝路線.然而以制造超輕材料為目標,對材料的顯微結構與其體積密度的關系的研究,以及為保證獲得理想的顯微結構如何設計合理的工藝參數則尚未見到有系統的研究論文發表。本文是在系統的實驗室研究基礎上試圖就上述主題發表一些初步結果和看法,以供對這一領域有興趣者們參考。

  超輕微孔硅酸鈣材料的顯微結構硬硅鈣石屬單斜晶系,其化學式為6CaO#6SiO3.因此如果用硬硅鈣石制成完全致密的固體,其體積密度將達到2700kg/m如要將材料的體積密度下降到130kg/m3,必須在材料中引入大量氣孔。

  根據硬硅鈣石的密度可以算出,如材料的體積3,要求其氣孔率為95.3%,亦即材料中硬硅鈣石的體積含量僅占4.7%.用如此少量的固體去充滿整個體積,一般顆粒固相是做不到的,因為無法構成連續固相。只有用纖維狀材料才能實現連續固相。幸好用水熱法合成出的硬硅鈣石呈針狀(纖維狀)晶體,因此有可能制成含有如此大量氣孔的剛性固體。壓汞法測定的具有不同體積密度的微孔硅酸鈣材料的空隙半徑分布,每個圖上都標出了試樣的體積密度。體積密度隨試樣中氣孔總量的增加而減少,并且體積密度小的試樣中氣孔半徑呈多模分布:密度為0.112g/cm分布,但氣孔的數量主要集中在后3個范圍內。體的試樣(CS-242)氣孔半徑基本上是2級分布,但是在小于100nm和1000030000nm范圍內也存在一些氣孔,數量很小。體積密度大的試樣(CS-246)中氣孔半徑基本上是一級分布,但其尾巴延伸至小于100nm范圍內。值得注意的是超輕試樣(CS-243,CS-244)中存在相當數量的孔徑為1000030000nm的氣孔。大量的大孔徑氣孔保證了材料的高氣孔率。

  硬硅鈣石纖維狀晶體的半徑和長度分別約幾百和數千納米,這樣的纖維的無序排列不可能形成半徑達數萬納米的空隙。原來纖維狀硬硅鈣石晶體形成了空心球形團聚體,其中不少團聚體的直徑達幾十微米,因此形成了半徑為1030Lm的空隙。球形團聚體越大不僅使其內部的空心部分越大,而且使團聚體之間的空隙也越大,因此材料的體積密度隨團聚體直徑的增大而變小。

  球形團聚體結構對保證材料的超輕還有更深的作用。由于這種材料一般都是由硬硅鈣石料漿經過壓濾成型和干燥脫水制成的。互相分散的細小的硬硅鈣石纖維狀晶體在壓濾排水的過程中由于水流作用而定向排列,這樣就使晶體之間的間隙大大減小,從而使密度增大。另外,在干燥過程中由于毛細管作用力使纖維晶體之間的距離進一步縮小,使材料變得更加致密。纖維狀晶體團聚成球形結構后在壓濾成型過程中水流作用無法使纖維成定向排列,而半徑分布且球形團聚體具有一定強度,可以抵抗坯體被過度壓縮。在干燥過程中由于球體之間形成了較大的空硅酸鹽學報隙既加速了水份向外排除又阻止纖維互相無限制的靠近形成巨大的毛細管作用力,從而防止出現過大的干燥收縮,保證材料的超輕。

  試樣制備工藝為研究各種工藝參數對材料超輕性能的影響,按下述工藝制備了各種試樣。根據試樣的質量幾何尺寸計算出體積密度,對部分試樣做了SEM觀察和所用原料SiO的質量分數為24%的硅的水溶膠和化學純碳酸鈣。為了避免雜質的意外影響,所用的水全部為電阻率大于8M8#cm的去離子水;所用的水熱合成添加劑為氫氧化鍶,由化學純硝酸鍶經沉淀反應生成。硬硅鈣石料漿的合成工藝過程如具中,單軸壓濾成型,然后放入60e電熱干燥箱中烘干備用。

  動態水熱合成工藝研究動態法水熱合成硬硅鈣石的研究前人已經發表了大量的論文,對合成過程中的化學歷程、水熱工藝參數以及原料對硬硅鈣石生成的影響等已形成比較清晰結論。這里僅從制備超輕材料的角度,研究水熱合成工藝參數對獲得硬硅鈣石球形團聚體料漿的影響。

  關于水熱合成反應的溫度、壓力、時間對生成硬硅鈣石的影響已有大量報道.為了保證合成反應完全,有必要使反應溫度保持在200e以上,壓力的保持與該溫度相適應,時間不宜過短,但溫度和時間在很大程度上同反應釜的大小、結構有關。本研究中定為溫度220e,保溫時間大于68h.

  在合成過程中適當攪拌是形成球形團聚體的根本條件。如果在反應過程中不攪拌,生成的纖維狀硬硅鈣石晶體呈無序排列,most后在材料中形成不規則的絮狀團聚。這種結構在壓濾成型時可產生很大的壓縮量,在干燥過程中會產生很大:超輕微孔硅酸鈣絕熱材料的顯微結構和工藝控制的收縮,most終使試樣的體積密度大增。合成過程中的攪拌作用在反應物漿料中產生大量漩渦,這種漩渦將硬硅鈣石晶體卷成球形體。

  反應物中SiO和CaO的摩爾分數比需嚴格保<1的反應most終產物中會出現雪鈣石(5CaO#6SiO)>1的反應most終產物中可能出現其它硅酸鈣礦物,這些雜質的存在都會使試樣的體積密度增加。)比對反應most終產物相組成的影響反應物中水含量對成型后坯體的干燥收縮有影響,坯體的干燥收縮隨著反應物中水與固相的質量比的增加而變小,但過大的水固比并不能進一步降低干燥收縮。

  4成型和干燥工藝研究成型,為了獲得密度均勻的坯體,應使料漿均勻地充滿整個模具。料漿具有良好的流動性才能保證這一點。使料漿保持適當的溫度可使料漿具有低的粘度。

  干燥過程不僅使坯體中的水份經過表面蒸發而排出體外,同時還會使坯體發生收縮。太大的收縮不僅可能使坯體變形而且因體積變小而造成密度增加,因此必須避免過大的干燥收縮。隨著水分排走,坯體中的固相纖維在毛細管作用力下互相靠近。從這樣互相促進使坯體產生很大的收縮。由于加入纖維增加了質量,因此加入過量纖維反而使密度增加。

  超輕硅酸鈣絕熱材料由纖維狀硬硅鈣石晶體構成的空心球狀團聚體組成,除合成溫度、壓力、時間以及準確的化學計量配比之外,適當的攪拌和添加合適的礦化劑對形成球形團聚體有重要作用。


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