摘 要

膨胀珍珠岩是一种多孔材料，其吸湿性极好。本文针对膨胀珍珠岩粘结成型所需配置的铝磷酸盐粘结剂进行了研究，在此基础上探究了粘结剂对粘结成型体强度和吸湿性的影响。论文对于膨胀珍珠岩颗粒进行了分级处理，基于不同粒径的膨胀珍珠岩颗粒，分别进行了吸湿性测试，遴选出吸湿性较好，粒径适宜的膨胀珍珠岩。采用磷酸铝粘结剂对适宜粒径的膨胀珍珠岩进行粘结成型，成型过程中通过一定温度的加热作用，促使磷酸铝粘结剂加速交联固化，并测试分析不同的加热时间下膨胀珍珠岩成型强度的变化规律，对于强度最高的成型样品组进行吸湿性测试分析。论文还采用硼酸对磷酸铝粘结剂进行改性，探讨了改性粘结剂在相同温度作用下，膨胀珍珠岩成型强度随时间的变化关系，并通过最高强度样品的吸湿性测试，进一步探讨粘结剂改性前后对膨胀珍珠岩粘结成型的强度和吸湿性的对比影响，以优化膨胀珍珠岩的适宜粘结成型方法。

研究结果表明：在加热温度为150 ℃，加热时间为30 min的条件下，使用硼酸改性后的铝磷酸盐粘结剂对粒径范围为1.5~2.0 mm膨胀珍珠岩进行粘结成型，其强度最好，吸湿量有所降低，干燥条件下保存稳定性良好。

关键词：膨胀珍珠岩；磷酸铝粘结剂；粘结成型；吸湿性；强度

Abstract

Expanded perlite is a kind of porous material with excellent moisture absorption. In this paper, the effect of aluminum phosphate binder on the strength and hygroscopicity of the adhesive was studied. Grading papers for the expanded perlite particles, based on the expanded perlite particles of different size, the hygroscopicity test respectively, hygroscopicity good, selected suitable particle size expanded perlite. USES the aluminum phosphate binder bonded molding was carried out on the appropriate particle size expanded perlite, formed by a certain temperature in the process of heating effect, hasten aluminum phosphate binder crosslinking curing, and test analysis under the different heating time, the change rule of expanded perlite forming strength to strength the highest molding moisture absorption test and analysis of the sample groups. Paper also USES the boric acid to modification of aluminum phosphate binder, discusses the modified adhesive under the same temperature, expanded perlite molding and the changes of strength over time and through the highest intensity of sample moisture absorption test, further investigate the correlation between the binder and modified expanded perlite bonding strength and hygroscopicity of forming the contrast effect, with the aim to optimize the expanded perlite is suitable for forming method.

Research results show that the heating temperature is 150 ℃, under the condition of the heating time for 30 min, the use of boric acid modified aluminum phosphate binder on particle size in the range of 1.5 ~ 2.0 mm expanded perlite for bond forming, its strength, the best moisture content decreases, under the condition of dry preservation stability is good.

Key Words：expanded perlite； Aluminum phosphate binder；Bond forming；Moisture absorption； The intensity

目 录

1. 绪论 1
   1. 研究目的及意义 1
   2. 国内外研究现状 2

1.2.1 粘结剂研究现状及选择 2

1.2.2 粘结剂改性剂研究现状及选择 3

1.2.3 固化剂研究现状及选择 3

1.3 研究的主要内容 4

1.4 实验原料和设备 4

1.4.1 实验原料 4

1.4.2 实验设备 4

第2章 膨胀珍珠岩性能 7

2.1 膨胀珍珠岩吸湿性能测试 7

2.2 膨胀珍珠岩吸湿性能分析 8

第3章 膨胀珍珠岩粘结成型研究 10

3.1 铝磷酸盐粘结剂成型性能研究 10

3.1.1 铝磷酸盐粘结剂配置 10

3.1.2 膨胀珍珠岩粘结成型 10

3.1.3 膨胀珍珠岩粘结成型强度测试与分析 11

3.2 改性铝磷酸盐粘结剂成型性能研究 13

3.2.1 铝磷酸盐粘结剂改性研究 14

3.2.2 膨胀珍珠岩改性粘结成型强度测试与分析 14

第4章 膨胀珍珠岩成型吸湿性和稳定性研究 16

4.1膨胀珍珠岩成型吸湿性能研究 16

4.1.1 膨胀珍珠岩粘结成型吸湿性测试 16

4.1.2 膨胀珍珠岩成型吸湿性分析 18

4.2 膨胀珍珠岩成型稳定性研究 18

第5章 结论与展望 20

5.1 结论 20

5.2 展望 20

参考文献 22

致谢 23

第1章 绪论

本科期间学习了很多理论知识，此次毕业设计是一次很好的锻炼机会。在老师的指导下，独立完成一个课题的研究。通过阅读文献，选择方案，设计实验和样品测试，将理论和实验相结合，锻炼了独立思考和动手能力。

1.1 研究目的及意义

膨胀珍珠岩是一种具有多孔结构的白色不规则颗粒状材料，主要成分是二氧化硅．制备方法是由珍珠岩、黑曜岩、松脂岩等酸性玻璃质火山岩经破碎、筛分和预热后在850 ℃~1150 ℃加热条件下，体积迅速膨胀而得到的^[1]。膨胀珍珠岩一般可以按照堆积密度的标号分类，如70、100、150等，根据使用用途有大颗粒膨胀珍珠岩、膨胀珍珠岩和膨胀珍珠粉等分类。它具有密度低、质量轻、隔热效果好、导热系数小（0.046 W/m·K ~ 0.076 W/m·K），以及无毒无刺激、价格经济等特性^[2]，所以在无机材料中，膨胀珍珠岩是隔热性和吸湿性能很好的材料，一直以来在建筑材料方面应用作用很大^[3]。

膨胀珍珠岩主要用于制作建筑材料，如保温、隔热、吸声材料等。膨胀珍珠岩制品繁多，可以加入不同的胶凝材料而有不同的用途。如水泥膨胀珍珠岩制品、磷酸盐膨胀珍珠岩制品、水玻璃膨胀珍珠岩制品、沥青膨胀珍珠岩制品等^[4]。这些制品可以进行多种二次加工，如切割、打孔等，施工方便，使用简单。根据加入胶凝材料的不同，用途也很不一样，如磷酸盐膨胀珍珠岩可用于1000 ℃的工业窑炉耐火层；而沥青膨胀珍珠岩制品在低温潮湿环境下可以有保温防潮的作用，所以，目前对于膨胀珍珠岩的使用大多限于在建筑行业。一种材料的使用是由其性质决定的，而膨胀珍珠岩的性质可以使其应用范围不限于建筑行业。为了拓宽膨胀珍珠岩的应用范围，同时也是根据膨胀珍珠岩其无毒且结构多孔，吸水率大（通常其质量吸水率高达200 %左右）的性质，可考虑将其用于其他物质的储存。另一方面，膨胀珍珠岩孔结构多，颗粒较脆，所以强度低，在膨胀珍珠岩制品的使用过程中，由于外力的作用（如搅拌、挤压等）会造成膨胀珍珠岩的破碎，所以考虑使用一定的粘结剂将其粘结成型，使其具有一定的强度，可以保持一定的形状。并且能够在常温下保持其形状和强度不发生变化，同时尽可能不影响其吸湿性，即不破坏其孔结构，使其成型后不仅具有一定的强度，而且其多孔结构可以用于其他试剂的储存，如天然香源物质等。虽然目前针对此方向的研究基本没有，但是这对于气体的储存和使用有较大意义，也对膨胀珍珠岩的使用有更多的拓展和利用。并且膨胀珍珠岩价格比较低廉，用于物质储存有很好的经济优势。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 粘结剂研究现状及选择

目前，膨胀珍珠岩基本没有对其进行粘结成型和储存其他物质的研究，所以本章主要是分析选择合适的粘结剂对其进行成型。

在现今应用较多的粘结剂中，有机树脂粘结剂性能优异，但其成本一直比较高，在使用过程中对环境污染也很严重。且其耐热性比较差，改性后的芳杂环树脂在长期使用情况下，耐热温度比较低，这都影响了有机树脂粘结剂的使用和发展^[5,6]。且有机粘结剂的成型原理一般为粘结成膜，这使得成型后的有机膜覆盖在成型颗粒物的表面，如果使用有机粘结剂对膨胀珍珠岩进行成型，会使得膨胀珍珠岩成型后的吸湿性相对于成型前大大降低。

无机粘结剂的突出优点是耐高温的同时也耐低温，使用温度范围较广，同时，它原料简单，经济性好，使用方便，环境污染小。所以一直以来无机粘结剂在机械制造和维修、不同材料之间的粘结都有较多的应用，同时也有在建筑涂料方面的应用^[7]。无机粘结剂是由无机盐、无机酸、无机碱金属和金属氧化物、氢氧化物等组成的一类范围相当广泛的粘结剂，主要种类有磷酸盐粘结剂、硅酸盐粘结剂和硼酸盐粘结剂等^[8]。而目前主要的研究方向有硅酸盐粘结剂和磷酸盐粘结剂。

在无机粘结剂中，硅酸钠是研究早也是应用非常成功的一种无机粘结剂，俗称泡花碱，也叫做水玻璃。硅酸钠粘结剂无色也无毒，在浇注和硬化的使用过程中，没有有害物质释放，在环保方面有公认的优势。同时，在不断的发展中，硅酸钠也发展出了不同的硬化方法，如吹CO₂硬化方法等。但水玻璃粘结剂近年来却发展缓慢，很多原因导致硅酸钠粘结剂的使用越来越少，主要的两个原因是硅酸钠在存放过程中存在老化即稳定性降低的现象，而且其固化粘结后形成的粘结膜吸湿性较强，对其强度稳定性有影响，这都限制了硅酸钠作为粘结剂的进一步发展^[9]。

磷酸盐粘结剂作为铸造粘结剂在近二十年来迅速发展，首先它同硅酸钠粘结剂相同，无毒无味，使用时无有害物质析出，对环境无污染，其次它稳定性好，在室温下保存时间长，成型强度高且可耐较高温度，在一定温度和时间下对粉体颗粒成型后，可以在常温下很长一段时间内保持强度稳定。另外，由于原材料来源广泛，拥有一定的成本优势^[10]。所以近年来，各国对于磷酸盐粘结剂的研究在不断进行，其在实际工程中的使用也越来越多，并且都取得了许多进步。因此本文认为磷酸盐粘结剂发展速度快，前景好，选择使用磷酸盐粘结剂对膨胀珍珠岩进行成型可行度较高，这对于磷酸盐粘结剂在铸造行业以外的应用研究有更多拓展和深入。

对于磷酸盐粘结剂的研究，国外开始于上个世纪中期，主要用于医学方面的牙科，后来发展于应用在食品添加剂方面。但是其在铸造方面的应用开始于20世纪70年代以后，研究者们意识到了磷酸盐粘结剂性质优良，在其他方面应用前景广阔，各国对于磷酸盐粘

结剂的研究逐渐增多，也相继取得了很多成果，使得其稳定性和粘结强度取得了很大的提高^[11]。我国对于磷酸盐粘结剂的研究起步晚于国外，而且目前我国在磷酸盐粘结剂使用方面的研究仍然不够深入，许多问题没有了解透彻。庆幸的是，在对磷酸盐粘结剂改性方面的研究比较多。在未来的研究中，对磷酸盐粘结剂的研究也会取得更多的成果，其使用性能也会有更好。

磷酸盐粘结剂主要分为两大类：正磷酸盐粘结剂和聚缩磷酸盐粘结剂。正磷酸盐粘结剂是指只含有一个磷原子的磷酸盐化合物的粘结剂，如磷酸二氢铝、磷酸一氢铝；缩聚磷酸盐粘结剂，即含 2 个磷原子及以上的磷酸盐化合物，如六偏磷酸钠等^[12]。其中正磷酸盐粘结剂又可根据其化合物名称命名，主要有下列几种：铝磷酸粘结剂，锆磷酸粘结剂和镁磷酸粘结剂等。

本文考虑到研究成本和研究前景，选择铝磷酸盐粘结剂，选择成分为磷酸二氢铝的铝磷酸盐粘结剂作为成型基体。

1.2.2 粘结剂改性剂研究现状及选择

在普通粉体成型方面，磷酸盐粘结剂的固化速度控制不够快，硬化后强度不够高^[13]。所以为了提高磷酸盐粘结剂的粘结速度和强度，较为常用的做法是使用粘结剂时添加一定的外加剂进行改性。目前的磷酸盐粘结剂改性添加剂有多种，有机物如聚乙烯醇，无机物如硼酸、草酸等都对磷酸盐粘结剂性能有一定改善效果。考虑到本次研究将用于其他储存的应用，而有机物耐高温性能一般，容易释放出气体，安全性不够高，对环境的污染也比较大等，所以选择无机改性剂。根据研究，使用草酸、柠檬酸和酒石酸等弱酸均可提高磷酸盐粘结剂的存放稳定性和将粉体颗粒成型后的抗拉强度。研究表明铝磷酸盐粘结剂加入适量的含硼改性剂可以明显提高粘结剂粘结后的强度^[14,15]。本文选择硼酸对粘结剂进行改性。硼酸，属于一元弱酸，常温下为白色粉末状结晶或三斜轴面鳞片状光泽结晶颗粒，无臭味^[16]。可溶于水、酒精和甘油等溶剂中，其中水溶液呈弱酸性。同时，硼酸可以与铝磷酸盐粘结剂反应生成磷酸硼，增加磷酸盐粘结剂网络结构体系强度更高。

1.2.3 固化剂研究现状及选择

在目前的工业铸造中，无机粘结剂应用较多的是铝磷酸盐粘结剂，但仍然存在的问题是粘结速度不够快。在室温下，铝磷酸盐粘结剂的固化时间一般为3~5个小时。所以在实际的工业型砂铸造中，会使用一定的固化剂与型砂混合均匀后加入粘结剂，粘结剂固化速度会提高很多。

虽然目前对于固化剂的研究不多，但是其作用对于粘结剂的固化有很大作用。其总体可以分为4类：金属氧化物、氢氧化物复合氧化物和单质金属粉末等。对于铝磷酸盐粘结剂，可以使用的固化剂也比较多。在实际的铸造生产中，使用较多的固化剂有铝钙、氧化镁和聚磷酸铵等，也有研究称使用了气体固化剂进行固化。但是对于氧化镁以外的固化剂研究报道都比较少，并且氧化镁的性能相对来说最为优越，在实际中的使用也是最广泛的。根据研究。固化剂氧化镁和铝磷酸盐粘结剂的反应属于固-液异相反应，且随着氧化镁的加入量变化，铝磷酸盐粘结剂的固化速度也会相应发生较大变化。适量的氧化镁加入量可以使得粘结剂成型时间合适，强度高^[17]。氧化镁是一种离子化合物，常温下为一种白色固体，在自然界中以方镁石的形式存在，是冶镁的材料^[18]。本文选择氧化镁作为粘结剂固化剂，其效果好，有经济优势，在实际应用中有较多的经验。

1.3 研究的主要内容

本课题的主要研究内容：

1. 研究了解膨胀珍珠岩的孔隙结构以及吸湿性能。
2. 研究使用铝磷酸盐粘结剂对膨胀珍珠岩进行成型后的强度和吸湿性能。
3. 使用硼酸对铝磷酸盐粘结剂进行改性，研究使用改性后的粘结剂对膨胀珍珠岩进行成型后的强度和吸湿性能。
4. 通过研究，在尽量不破坏膨胀珍珠岩的孔隙率的条件下，选出膨胀珍珠岩使用铝磷酸盐粘结剂成型的最佳方案。

1.4 实验原料和设备

1.4.1 实验原料

实验原料如下：

1. 膨胀珍珠岩，原料粒度范围：1.0~5.0 mm；
2. 磷酸二氢铝：化学式为Al(H₂PO₄)₃，含量95%；
3. 硼酸：化学式为H₃BO₃，分析纯，含量≧99%；
4. 氧化镁：化学式为MgO，分析纯，含量≧98%。

1.4.2 实验设备

实验设备有：

101—1AB型电热鼓风干燥机，天津市素斯特仪器有限公司；

FA2104B型电子天平，上海越平科学仪器有限公司；

KZY型抗张力机，蓝博仪器；

DF—101S型集热式恒温加热磁力搅拌器，上海科尔仪器设备有限公司；

JSM-IT300扫描电子显微镜，日本电子株式会社；

实验设备如图1.1~图1.5所示。

图1.1 101-1AB型电热鼓风干燥箱 图1.2 FA2104B型电子天平

图1.3 KZY型抗张试验机 图1.4 DF-101S型集热式恒温加热磁力搅拌器

图1.5 JSM-IT300扫描电子显微镜

第2章 膨胀珍珠岩吸湿性分析

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