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发泡陶瓷夹芯彩钢板的性能及应用

2019/10/08

彩钢夹芯板作为一种质量轻、强度高、绝热性能好、施工方便、可重复拆卸使用的建筑板材,大量应用于大型厂房、仓库、体育馆、超市、医院、冷库等,特别是过渡用房和临时建筑。我国建筑业蓬勃发展,临时建筑数量及种类不断增多,同时临时建筑频发倒塌以及火灾事故。
 
目前市场上大部分以聚苯乙烯、岩棉以及聚氨酯等作为临建房屋彩钢板的夹芯材料,存在易燃、强度低的问题,且有机材料在燃烧时会产生有毒气体。针对以上问题,本文提出一种新型彩钢板夹芯材料一一发泡陶瓷,具有保温、防火、高强度等优势,并分析其用于临建房彩钢夹芯板的可行性。
 
但是近年来,随着建筑行业的蓬勃发展,临时建筑数量及种类不断增多,临建房屋频发倒塌以及火灾事故,造成严重人员伤亡和财产损失,临时建筑所使用的彩钢板的夹芯材料已成为一类新的火灾隐患。因此,本文提出一种新型彩钢板夹芯材料一一发泡陶瓷,具有保温、防火、高强度等优势,并分析其用于临建房彩钢夹芯板的可行性。
 
一、常见彩钢板夹芯材料
 
彩钢夹芯板根据其夹芯材料的化学成分可分为两大类:一是无机纤维材料类,如岩棉彩钢夹芯板(RW芯板)、玻璃棉彩钢夹芯板(GW夹芯板)等;二是有机化学泡沫材料类,如聚氨酯泡沫彩钢夹芯板(PU夹芯板)、聚苯乙烯泡沫彩钢夹芯板(EPS夹芯板)等。目前市场上使用最广泛的彩钢板夹芯材料是岩棉、聚苯乙烯以及聚氨酯。
 
(1)岩棉(RW)。
 
岩棉夹芯主要是由天然火成岩经高温熔融后,用离心力、高压载能气体喷吹,并由酚醛树脂胶结成的板材。其优点是:使用温度高,一般可以达到350℃以上;消防等级高,为不燃A级材料;隔音效果明显。缺点是:吸湿率大,实际导热系数大,绝热效果差;压缩强度低,只能纵向使用,使夹芯的宽度小,保温层的整体性差;自身质量大且强度低,影响使用。
 
(2)发泡聚苯乙烯塑料(EPS)。
 
发泡聚苯乙烯塑料夹芯(简称聚苯板)是以可发性聚苯乙烯珠粒为原料,经加热预发泡后在模具中加热成型而制得的具有闭孔结构的聚苯乙烯泡沫塑料板材。其优点是:产品密度小,强度高,不吸水,保温隔热效果好,保温层整体性好,价格较低。其明显不足是:产品使用温度低,长期使用温度应低于70℃;材料抗老化时间有限,不超过15年;材料的消防等级低,阻燃型的氧指数≥30,只能达到难燃B2级的要求,只有极少部分氧指数≥32,达到B1级要求,但价格较高。
 
(3)聚氨酯发泡塑料(PU)。
 
聚氨酯发泡塑料夹芯是以多元醇多异氰酸酯为主要原料,加入发泡剂和添加剂制成的闭孔结构的保温材料。在它们的化学反应过程中具有良好的粘结性能,熟化后与金属板复合成整体复合材。其优点是:产品强度高,与面层钢板的粘结强度高,整体性好,密度30KG/m³-40KG/m,保温绝热性能优于EPS板,生产的彩钢夹芯板整体性好。不足:材料长期使用温度应低于90℃,燃烧性能为难燃B2级,极少部分产品能达到难燃B1级。
 
常见夹芯材料性能如表1所示。
 
常用夹芯材料性能比较
表1 常用夹芯材料性能比较
 
根据表1中数据可知,有机材料具有耐热差、耐老化性能差、易燃烧和燃烧时释放大量热量、产生有毒烟气、加速大火蔓延等诸多缺点。而岩棉、玻璃棉等无机矿物棉材料虽然能达到防火要求,但是在施工过程中漂浮的棉絮对人体有害、容易滋生细菌、吸水率高、绝热效果较差,并且强度也不够好,使用寿命较短。因此,寻求一种既能保证建筑绝热、防火,又对人身健康无害的夹芯材料,成为一种必然。
 
二、发泡陶瓷
 
1、发泡陶瓷简介
 
发泡陶瓷是一种无机非金属材料,是以陶瓷原矿、页岩、陶瓷工业废渣、粉煤灰、煤矸石、大理石尾矿、炉渣等无机材料作为主要原料,掺加一定比例的发泡剂、助溶剂等,经混合、制粉、填料工艺,再经高温焙烧而成的髙气孔率的陶瓷材料。发泡陶瓷一般可以分为开孔(网状)陶瓷材料以及闭孔陶瓷材料。
 
如果形成发泡体的固体仅仅包含于孔棱中,则称之为开孔陶瓷材料,其孔隙是相互连通的;如果存在固体壁面,则发泡体称为闭孔陶瓷材料,其中的孔穴由连续的陶瓷基体相互分隔,因此也决定其使用场所不同。开孔发泡陶瓷与闭孔发泡陶瓷的根本区别在于发泡孔开闭的多少,对比效果如图1所示。
 
开孔发泡陶瓷与闭孔发泡陶瓷的对比
图1 开孔发泡陶瓷与闭孔发泡陶瓷的对比
 
2、发泡陶瓷制备流程
 
目前发泡陶瓷工业化生产多数采用“湿法球磨-喷雾干燥造粒-隧道窑烧成”的工艺流程,并且已相当成熟。利用粉煤灰、铜尾矿以及赤泥为主要原料,再掺加少量的长石和膨润土,以水玻璃和氟硅酸钠早强剂,松香皂为发泡剂,聚乙烯醇为稳泡(a)开孔发泡陶瓷(b)闭气孔泡沫陶瓷剂,综合利用固体废弃物,变废为宝。
 
其中,粉煤灰作为制备发泡陶瓷的主要原料;赤泥,又称为红泥,它是制铝工业中从铝矶土矿物中提取AL2O3后所排出的污染性工业废渣,由于其氧化铁含量较大,外观呈赤色,因而得名;铜尾矿是矿石经粉碎、精选后所剩下的细粉沙粒;长石含有较高的K2O和Na2O,烧结中可以起到助熔的作用;与其他原料相比,膨润土中CaO含量较高,烧结后可以增强试样抗水、风的侵蚀。浆料发泡烧结法制备发泡陶瓷的流程见图2。
 
制备工艺流程
图2 制备工艺流程
 
(1)混合料的制备:球磨的作用是把各原料均匀地混合,球料比为1.2:1,球磨时间为50min。
 
(2)浆料的制备:取定量的混合料,加人与混合料比为1:25的氟硅酸钠,混合均匀后,加人与混合料比为1:1的水玻璃,搅拌均匀后立即加水调节浆料的流动性。
 
(3)成形:将松香皂配制成质量分数为2.4%的溶液,机械搅拌使其起泡,将发泡引人浆料中;同时加入与混合料比为1:1000聚乙烯醇,搅拌均匀后立即倒入模具成形。
 
(4)干燥:坯体在50℃-60℃的温度下,静置24h后放人炉中烧结。
 
(5)烧成:烧结范围为950℃-1200℃。
 
3、发泡陶瓷性能
 
发泡陶瓷根据使用场所不同,密度大概可以做到140KG/m³-990KG/m³。作为临时建筑彩钢板的夹芯材料,发泡陶瓷的容重,决定了它本身的物理性能。根据2015年8月在沈阳召开的《外墙外保温陶瓷》国家标准审查会议的精神,外墙外保温发泡陶瓷物理性能各有不同,详情如表2所示。
 
外墙保温发泡陶瓷物理性能指标
表2 外墙保温发泡陶瓷物理性能指标
 
另外,试验结果表明,在制备发泡陶瓷的过程中,当烧成温度为1160℃、烧成时间为50min时,制成的发泡陶瓷拥有最佳的性能,如表3所示。
 
发泡陶瓷最佳性能测试结果
表3 发泡陶瓷最佳性能测试结果
 
4、发泡陶瓷与其他芯材对比
 
发泡陶瓷(M型)与常见彩钢板夹芯材料的性能对比如表4所示。
 
发泡陶瓷与常见夹芯材料的性能
表4 发泡陶瓷与常见夹芯材料的性能
 
从表4中不难看出,经过1200℃以上的高温煅烧,发泡陶瓷保温板主要具备如下特点:
 
(1)良好的保温绝热性能。尽管与市面上常用的夹芯材料相比,发泡陶瓷的导热系数偏高,但在数值上仍然低至0.06W/(m·K),保温绝热性能良好。
 
(2)不燃、防火。发泡陶瓷保温板是经1200℃左右的高温焙烧而成,制作过程中已经受了高温检验,燃烧性能达到A1级,即不燃等级,优于有机材料的防火等级,与岩棉相同,可用于有防火要求的外保温系统。
 
(3)吸水率低。发泡陶瓷是高气孔率的闭孔陶瓷材料,体内不吸水,不会发生冻融破坏,不会吸水膨胀变形。
 
(4)强度高。发泡陶瓷的抗压强度整体高于其他夹芯材料,在保持较低热导率的同时,抗压强度依然能达到3.8MPa,保证了使用时的建筑安全性。
 
(5)密度偏大。对比来看,发泡陶瓷比其他材料的干密度都要大,与岩棉的干密度接近,这在一定程度上保证了临时建筑的稳定性;但在临时建筑倒塌时,彩钢板更易砸伤人员。
 
除此之外,发泡陶瓷还具有以下特点:
 
(1)耐久性好。发泡陶瓷所用原料全部为无机材料,耐老化,能与建筑物同寿命,这是常规有机材料所不可比拟的。
 
(2)耐候性好。实验证明,在阳光暴晒、冷热剧变、风雨交加等恶劣气候条件下不变形、不老化、不开裂,性能稳定。
 
(3)高度的安全性。发泡陶瓷是无机不燃材料,使用过程中无毒无害,在高温或火灾情况下也不会产生任何有毒气体。
 
三、发泡陶瓷彩钢板应用可行性分析
 
1、发泡陶瓷彩钢板性能
 
发泡陶瓷具有良好的绝热保温性能、极佳的防火性能以及极高的抗压强度,作为彩钢板的夹芯材料,完全能过满足防火绝热的要求。但是由于发泡陶瓷的干密度偏大,不属于轻质材料,与普通的夹芯彩钢板相比,发泡陶瓷彩钢板增加了施工难度,同时在使用过程中,发泡陶瓷彩钢板更易砸伤人员。
 
2、工业化生产
 
推广发泡陶瓷彩钢板的生产使用,首要解决的是发泡陶瓷的工业化生产。目前,发泡陶瓷的制备流程分为“湿法球磨-喷雾干燥造粒-隧道窑烧成”和“干法制粉+造粒”两种。
 
“湿法球磨-喷雾干燥造粒-隧道窑烧成”是已经相当成熟的制备流程,发泡陶瓷保温板与隔墙板基本采用此种流程。这种工艺的优点是产量大、原料加工均匀、稳定性好。缺点是排水、排气,污染较难控制,制粉干燥能耗高。
 
为了改进制备工艺,业内有人提出“干法制粉+造粒”的制备流程,只是此种方法发泡不均匀,可能导致产品品相不好、性能不稳定,因此还未有厂家使用此种方法投入生产,但可以给提升发泡陶瓷的制备工艺提供一个发展方向。
 
因此,发泡陶瓷彩钢板工业化生产可以使用“湿法球磨-喷雾干燥造粒-隧道窑烧成”的制备流程来生产发泡陶瓷。此种方法已在发泡陶瓷保温板的生产中投人使用,生产的发泡陶瓷性能稳定。同样,使用此种方法生产发泡陶瓷,再经过后期加工,可以得到性能优异的发泡陶瓷彩钢板。
 
3、市场前景
 
根据2016年中国统计年鉴记录,全国房屋建筑施工面积达到1239717万㎡,并且这一数据呈现上升趋势。可见中国建筑行业飞速发展,建筑施工时所需的临时建筑面积也将是一个庞大的数字。作为临时建筑常用的建筑材料,彩钢板的需求量在逐年增加,带来的经济效益十分可观。
 
据调查了解,尽管发泡陶瓷的制备工艺已经成熟,但目前市场上发泡陶瓷基本上用于固定建筑的保温板或者隔墙板,没有应用于彩钢板的夹芯材料。因此,发泡陶瓷彩钢板拥有广阔的市场空间。同时,在彩钢板的市场中,相比于常用的岩棉、EPS、PU等彩钢板,发泡陶瓷彩钢板拥有更加优异的性能,这也使得发泡陶瓷彩钢板能够在实行工业化生产之后,能够在彩钢板的市场中占有一席之地。
 
4、经济性分析
 
由于市场上没有发泡陶瓷彩钢板,本文根据发泡陶瓷保温板的价格侧面进行经济性分析。从保温板的价格上来看,发泡陶瓷的价格要比常用的保温材料价格高出许多。主要原因是:
 
(1)产品性能优异。发泡陶瓷拥有A1级的防火等级,吸水率低,强度高,寿命长。综合性能远远高于其它种类的保温材料,因此,价格上也就比其它材料要高。
 
(2)生产工艺单一。尽管“湿法球磨-喷雾干燥造粒-隧道窑烧成”的工艺流程已投人生产使用,但除此之外没有其他相对成熟的生产工艺。同时,此种方法仍然存在工艺弊端,尤其是生产过程中的能耗高。这也导致发泡陶瓷的生产成本偏高,产品定价也随之增加。但发泡陶瓷的生产工艺仍有很大的提升空间,当生产工艺提高之后,必定会减少生产成本,从而降低产品价格。
 
(3)缺乏宣传推广。由于市面上大部分都在使用岩棉、EPS、PU等常见的保温材料,诸如发泡陶瓷一类的新型保温材料并不为人所熟知。尽管拥有良好的产品性能,但是缺乏相应宣传,导致发泡陶瓷的销路打不开,销量无法提高。生产厂家为了赚回成本只能抬高定价:因此,加大此类产品的宣传力度,同时政府应当给予相应的财政支持。
 
在采取相应措施之后,发泡陶瓷的价格可以下降,再加上其优越的产品性能,发泡陶瓷彩钢板必将在市场上受到青睐。
 
本文主要对发泡陶瓷的制备工艺、综合性能以及可行性进行了分析,得出以下结论:
 
(1)发泡陶瓷属于保温防火性能兼具的优异材料,且变形系数小,抗老化,强度高,寿命长,性能稳定;但相对其他彩钢板夹芯材料,其自重大、价格稍尚。
 
(2)中国彩钢板需求量大,市场上还未出现发泡陶瓷彩钢板,再加上发泡陶瓷优异的性能,发泡陶瓷彩钢板拥有广阔的市场。
 
(3)发泡陶瓷价格偏高,但在采取相应措施之后可以降低价格。此外,发泡陶瓷的寿命与建筑相同,使用过程中不用担心后期维护和更换,避免二次翻新的巨额费用。综合来看,发泡陶瓷的经济性并不输于其他夹芯材料。
 
综上所述,发泡陶瓷彩钢板性能优异,在市场上推广应用是可行的;并且,随着生产工艺的改进,如果加上政策性支持,发泡陶瓷彩钢板的工业化生产将会带来可观的经济效益。

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