论文部分内容阅读
摘 要：本文以煅烧铝矾土为主要原料，以煤粉作为造孔剂，采用传统烧结方法制备出高吸水率的内墙调湿砖。研究了煤粉的添加量和煅烧铝矾土的含量对内墙调湿砖性能的影响，并利用SEM对该内墙调湿砖的显微结构进行了表征。结果表明：在基本配方相同的条件下，当煤粉的外加量为2%时，有助于内墙调湿砖吸水率的提高，而对其抗弯强度的影响较小；在其他原料含量不变的情况下，内墙调湿砖的吸水率和抗弯强度都会随着煅烧铝矾土含量的升高而增大；并得出优化配方，该配方所获得的内墙调湿砖的吸水率为25.94%，抗弯强度为8.31MPa。
关键词：调湿材料；内墙砖；吸水率；抗弯强度
1 引言
空气湿度是影响居住环境舒适度的重要因素之一，并直接影响人们的身心健康、各种物品的保存，以及采暖空调能耗等。尤其对沿海地区人的居环境而言，湿度控制调节与温度控制调节同等重要。因此，开发出具有自调湿功能的内墙砖，对改善人类室内生活环境具有重要的意义[1～4]。
西藤宫野等[5]是首次提出调湿材料的人。调湿材料是指不需要借助任何人工能源和机械设备，依靠自身的吸放湿性能，感应所调空间空气湿度的变化，从而自动调节空气相对湿度的材料。
20世纪80年代起，日本最早开发并发展调湿材料产品，主要应用于文物保存、纺织、化工、建筑材料等多个领域。继日本之后，西班牙、德国等西方国家也先后展开了对调湿材料的研究，而我国近几年才开展了一些有关调湿材料的研究工作[6-10]。由于调湿机理的复杂性，所开发的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，使得这方面的研究进展缓慢。因此，如何制造出工艺简单、成本低廉，且调湿性能优良的调湿材料成为现今研发的主要目标。本文以煅烧铝矾土为主要原料，以价格低廉的煤粉作为造孔剂，可制备出性能优良的内墙调湿砖。
2 实验过程
2.1 实验原料及配方
内墙调湿砖的主要原料及含量范围为：煅烧铝矾土30%～34%、煅烧高岭土26%～30%、其余为砂石原料。
内墙调湿砖主要原料的化学组成如表1所示。
2.2 试样的制备
试样制备过程依次包括：配料、球磨、干燥、过筛造粒、压制成形、干燥、烧成。其具体工艺参数包括：在球磨过程中，料：球：水=1：2：1，球磨时间为25min；在压制成形过程中，压力为25MPa、坯体规格为300mm×300mm。
3 结果分析与讨论
3.1 煤粉的添加量对试样性能的影响
本试验通过对内墙调湿砖配方中外加少量的煤粉，来提高该内墙调湿砖的吸水率。其中，煤粉作为造孔剂可在生坯中占据一定的空间，在该生坯烧结时，煤粉烧失，使该煤粉占据的空间成为气孔，从而提高试样的吸水率。
本文研究了在内墙调湿砖基本配方不变下，外加0%～3%的煤粉对试样的吸水率、密度和抗弯强度的影响。试验配方如表2所示，在950℃下保温1h烧成的各试样的性能见表3。
由表2、表3可以看出，在950℃的条件下，随着煤粉的外添加量增大，试样的吸水率逐渐增大，体积密度和抗弯强度逐渐减小。其中，当煤粉的外添加量为0%～1%时，试样的吸水率从13.96%增大到20.06%、体积密度从1.84g/cm3降低到1.52g/cm3、抗弯强度由13.56MPa降低到9.21MPa。可见，煤粉的添加对试样的吸水率、体积密度和抗弯强度有着显著的影响。
产生这种现象的原因主要是：煤粉在干坯烧结过程中，在高温时烧失，留下孔隙，形成孔道。随着煤粉含量的提高，该煤粉烧失后在试样中的孔隙结构的比表面积增大，使试样气孔率增大。而试样表面和内部的孔隙结构在毛细管效应下，使试样具有较大的吸水性。而试样的气孔率越高，其吸水性越强。同时，试样的体积密度随着煤粉掺量的增大而减小，因为煤粉掺量的增大使试样孔隙增多。另外，试样中的孔隙结构造成该试样在一定负荷作用下所承受的应力增大，导致该试样发生断裂，因此，该试样的抗弯强度随吸水率的增大而降低。
试样在外加2%的煤粉时的断面SEM扫描图如图1所示。
由图1（a）可以看出，以煤粉作为造孔剂的试样，孔隙遍布于试样断面，使该试样具有很大的比表面积，且孔隙彼此连通形成孔道。将试样SEM图片进一步放大至500倍，如图1（b）所示。可以看出该试样中的孔隙分布不规则， 以三维交错的网状孔道贯穿其中，而孔径大小从 0.5μm～70μm呈梯度分布，在试样大孔隙中分布着许多小孔隙，并通过这些小孔隙与其他大孔隙连通。通过试验发现，煤粉最佳掺入量为2%。
3.2 煅烧铝矾土的含量对试样性能的影响
选择吸水率和抗弯强度都较高的试样C1配方为基本配方，改变试样C1的配方中煅烧铝矾土的含量，研究增加煅烧铝矾土含量的同时降低煅烧高岭土的含量对试样的吸水率和抗弯强度的影响。其配方组成见表4。
图2为试样C1、C2和C3的吸水率与烧成温度的关系。
从图2中可以看出，随着烧成温度的升高，试样C1、C2和C3的吸水率依次减小，并且在烧成温度相同的情况下，试样C1、C2和C3的吸水率的大小顺序为：C3>C2>C1。当烧成温度为950℃时，试样C1、C2和C3的吸水率依次为23.68%、24.83%、25.94%。
图3为试样C1、C2和C3的抗弯强度与烧成温度的关系。
从图3中可以看出，试样C1、C2和C3的抗弯强度随温度的升高而增大，且在相同的烧成温度下，试样C1、C2和C3的抗弯强度的大小顺序为：C3>C2>C1。当烧成温度为950℃时，试样C1、C2和C3的抗弯强度分别为7.03MPa、7.75MPa、8.31MPa。
与煅烧高岭土相比，煅烧铝矾土中的Al2O3含量较高，且其碱金属氧化物和碱土金属氧化物的含量较低。因此，试样的烧结温度随煅烧铝矾土含量增加而提高。所以，在试样干坯还没达到烧结温度时，配方中煅烧铝矾土的含量越高，试样的吸水率越大。而试样干坯在烧成过程中会生成刚玉和莫来石晶体，其中，煅烧铝矾土的含量越高，刚玉相和莫来石相会越多，抗弯强度就会越大。为了使试样在具有较大的吸水率的同时又有较大的抗弯强度，选择煅烧温度为950℃时最佳。 4 结论
（1） 在基本配方相同的条件下，煤粉最佳外加量为2%时，有助于提高内墙调湿砖吸水率。同时，对内墙调湿砖的抗弯强度影响较小。
（2） 在其他原料含量不变的情况下，内墙调湿砖的吸水率和抗弯强度都会随着煅烧铝矾土含量的升高而增大。
（3） 当煅烧铝矾土为34%、煅烧高岭土为26%、硅灰石粒为2.5%、湖南超白石粉为13%、中温砂为10%、中温白砂为14.5%、煤粉为2%，煅烧温度为950℃时，可以制备出性能优越的内墙调湿砖，其吸水率为25.94%、抗弯强度为8.31MPa。
参考文献
[1] Ohashi Fumihiko， Maeda Masaki， Inukai Keiichi， et a1.Study on intelligent humidity control materials：water vapor adsorption properties of mesostructured silica derived from amorphous fumed silica[J].J Mater Sci，1999，34（6）：1341.
[2] 任杰，蒋正武，王宝海.2004～2010年上海建材发展战略研究[J].上海建设科技，2005，1.
[3] Hiroaki Yanagida.Intelligent materials for environment and people[J].Mater Design，2000，21：57.
[4] 冉茂宇.日本对调湿材料的研究及应用[J].材料导报，2002，16（11）：42.
[5] 罗曦芸.调湿材料的开发[J].化工新型材料，1997，（3）：9.
[6] 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.
[7] 罗金洪，赵广杰，曹金珍.木质室内装饰材料对环境湿度的调节功能Ⅱ[J].林业科学，1999，35（5）：87.
[8] 李双林，吴玉庭，马重芳等.新型调湿涂料调湿性能的初步试验研究[J].工程热物理学报，2004，25（3）：502.
[9] 吕荣超，冀志江，张连松等.海泡石应用于调湿材料的研究[J].岩石矿物学，2005，24（4）：32.
[10] 金洪，赵广杰，曹金珍.木质室内装饰材料对环境湿度的调节功能Ⅱ[J].林业科学，1999，35（5）：87.
关键词：调湿材料；内墙砖；吸水率；抗弯强度
1 引言
空气湿度是影响居住环境舒适度的重要因素之一，并直接影响人们的身心健康、各种物品的保存，以及采暖空调能耗等。尤其对沿海地区人的居环境而言，湿度控制调节与温度控制调节同等重要。因此，开发出具有自调湿功能的内墙砖，对改善人类室内生活环境具有重要的意义[1～4]。
西藤宫野等[5]是首次提出调湿材料的人。调湿材料是指不需要借助任何人工能源和机械设备，依靠自身的吸放湿性能，感应所调空间空气湿度的变化，从而自动调节空气相对湿度的材料。
20世纪80年代起，日本最早开发并发展调湿材料产品，主要应用于文物保存、纺织、化工、建筑材料等多个领域。继日本之后，西班牙、德国等西方国家也先后展开了对调湿材料的研究，而我国近几年才开展了一些有关调湿材料的研究工作[6-10]。由于调湿机理的复杂性，所开发的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，使得这方面的研究进展缓慢。因此，如何制造出工艺简单、成本低廉，且调湿性能优良的调湿材料成为现今研发的主要目标。本文以煅烧铝矾土为主要原料，以价格低廉的煤粉作为造孔剂，可制备出性能优良的内墙调湿砖。
2 实验过程
2.1 实验原料及配方
内墙调湿砖的主要原料及含量范围为：煅烧铝矾土30%～34%、煅烧高岭土26%～30%、其余为砂石原料。
内墙调湿砖主要原料的化学组成如表1所示。
2.2 试样的制备
试样制备过程依次包括：配料、球磨、干燥、过筛造粒、压制成形、干燥、烧成。其具体工艺参数包括：在球磨过程中，料：球：水=1：2：1，球磨时间为25min；在压制成形过程中，压力为25MPa、坯体规格为300mm×300mm。
3 结果分析与讨论
3.1 煤粉的添加量对试样性能的影响
本试验通过对内墙调湿砖配方中外加少量的煤粉，来提高该内墙调湿砖的吸水率。其中，煤粉作为造孔剂可在生坯中占据一定的空间，在该生坯烧结时，煤粉烧失，使该煤粉占据的空间成为气孔，从而提高试样的吸水率。
本文研究了在内墙调湿砖基本配方不变下，外加0%～3%的煤粉对试样的吸水率、密度和抗弯强度的影响。试验配方如表2所示，在950℃下保温1h烧成的各试样的性能见表3。
由表2、表3可以看出，在950℃的条件下，随着煤粉的外添加量增大，试样的吸水率逐渐增大，体积密度和抗弯强度逐渐减小。其中，当煤粉的外添加量为0%～1%时，试样的吸水率从13.96%增大到20.06%、体积密度从1.84g/cm3降低到1.52g/cm3、抗弯强度由13.56MPa降低到9.21MPa。可见，煤粉的添加对试样的吸水率、体积密度和抗弯强度有着显著的影响。
产生这种现象的原因主要是：煤粉在干坯烧结过程中，在高温时烧失，留下孔隙，形成孔道。随着煤粉含量的提高，该煤粉烧失后在试样中的孔隙结构的比表面积增大，使试样气孔率增大。而试样表面和内部的孔隙结构在毛细管效应下，使试样具有较大的吸水性。而试样的气孔率越高，其吸水性越强。同时，试样的体积密度随着煤粉掺量的增大而减小，因为煤粉掺量的增大使试样孔隙增多。另外，试样中的孔隙结构造成该试样在一定负荷作用下所承受的应力增大，导致该试样发生断裂，因此，该试样的抗弯强度随吸水率的增大而降低。
试样在外加2%的煤粉时的断面SEM扫描图如图1所示。
由图1（a）可以看出，以煤粉作为造孔剂的试样，孔隙遍布于试样断面，使该试样具有很大的比表面积，且孔隙彼此连通形成孔道。将试样SEM图片进一步放大至500倍，如图1（b）所示。可以看出该试样中的孔隙分布不规则， 以三维交错的网状孔道贯穿其中，而孔径大小从 0.5μm～70μm呈梯度分布，在试样大孔隙中分布着许多小孔隙，并通过这些小孔隙与其他大孔隙连通。通过试验发现，煤粉最佳掺入量为2%。
3.2 煅烧铝矾土的含量对试样性能的影响
选择吸水率和抗弯强度都较高的试样C1配方为基本配方，改变试样C1的配方中煅烧铝矾土的含量，研究增加煅烧铝矾土含量的同时降低煅烧高岭土的含量对试样的吸水率和抗弯强度的影响。其配方组成见表4。
图2为试样C1、C2和C3的吸水率与烧成温度的关系。
从图2中可以看出，随着烧成温度的升高，试样C1、C2和C3的吸水率依次减小，并且在烧成温度相同的情况下，试样C1、C2和C3的吸水率的大小顺序为：C3>C2>C1。当烧成温度为950℃时，试样C1、C2和C3的吸水率依次为23.68%、24.83%、25.94%。
图3为试样C1、C2和C3的抗弯强度与烧成温度的关系。
从图3中可以看出，试样C1、C2和C3的抗弯强度随温度的升高而增大，且在相同的烧成温度下，试样C1、C2和C3的抗弯强度的大小顺序为：C3>C2>C1。当烧成温度为950℃时，试样C1、C2和C3的抗弯强度分别为7.03MPa、7.75MPa、8.31MPa。
与煅烧高岭土相比，煅烧铝矾土中的Al2O3含量较高，且其碱金属氧化物和碱土金属氧化物的含量较低。因此，试样的烧结温度随煅烧铝矾土含量增加而提高。所以，在试样干坯还没达到烧结温度时，配方中煅烧铝矾土的含量越高，试样的吸水率越大。而试样干坯在烧成过程中会生成刚玉和莫来石晶体，其中，煅烧铝矾土的含量越高，刚玉相和莫来石相会越多，抗弯强度就会越大。为了使试样在具有较大的吸水率的同时又有较大的抗弯强度，选择煅烧温度为950℃时最佳。 4 结论
（1） 在基本配方相同的条件下，煤粉最佳外加量为2%时，有助于提高内墙调湿砖吸水率。同时，对内墙调湿砖的抗弯强度影响较小。
（2） 在其他原料含量不变的情况下，内墙调湿砖的吸水率和抗弯强度都会随着煅烧铝矾土含量的升高而增大。
（3） 当煅烧铝矾土为34%、煅烧高岭土为26%、硅灰石粒为2.5%、湖南超白石粉为13%、中温砂为10%、中温白砂为14.5%、煤粉为2%，煅烧温度为950℃时，可以制备出性能优越的内墙调湿砖，其吸水率为25.94%、抗弯强度为8.31MPa。
参考文献
[1] Ohashi Fumihiko， Maeda Masaki， Inukai Keiichi， et a1.Study on intelligent humidity control materials：water vapor adsorption properties of mesostructured silica derived from amorphous fumed silica[J].J Mater Sci，1999，34（6）：1341.
[2] 任杰，蒋正武，王宝海.2004～2010年上海建材发展战略研究[J].上海建设科技，2005，1.
[3] Hiroaki Yanagida.Intelligent materials for environment and people[J].Mater Design，2000，21：57.
[4] 冉茂宇.日本对调湿材料的研究及应用[J].材料导报，2002，16（11）：42.
[5] 罗曦芸.调湿材料的开发[J].化工新型材料，1997，（3）：9.
[6] 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.
[7] 罗金洪，赵广杰，曹金珍.木质室内装饰材料对环境湿度的调节功能Ⅱ[J].林业科学，1999，35（5）：87.
[8] 李双林，吴玉庭，马重芳等.新型调湿涂料调湿性能的初步试验研究[J].工程热物理学报，2004，25（3）：502.
[9] 吕荣超，冀志江，张连松等.海泡石应用于调湿材料的研究[J].岩石矿物学，2005，24（4）：32.
[10] 金洪，赵广杰，曹金珍.木质室内装饰材料对环境湿度的调节功能Ⅱ[J].林业科学，1999，35（5）：87.