9種不同種類耐火保溫材料

發布時間：2023/8/10 18:26:27

耐火保溫材料自應用到實際生產中以來，發揮了它重要的作用，行業人員及企業也投入了大量的研究，很多新產品被相繼開發出來。本文主要從使用溫度來分別闡述不同種類的耐火保溫材料，主要是從低溫、中溫及高溫三個層次闡述不同種類的耐火保溫材料。

1.玻璃棉保溫材料

玻璃棉是一種無機纖維隔熱吸聲材料，生產方法有火焰法、蒸汽立吹法和離心噴吹法。目前，由於用火焰噴吹法進行生產的火焰棉能耗高，渣球含量高等原因，已被離心抽絲法所替代，此種方法能耗低，無渣球，無汙染，是主要的生產工藝。此種方法的具體工藝過程是：將石英粉、白雲石、純堿、硼砂等原料混合均勻後在熔窯內熔化成玻璃液，借助燃氣和空氣混合氣體從高速旋轉的離心器噴嘴中高速噴出，通過離心器漏孔甩出成一次纖維;然後在環狀燃燒室中牽拉成很細的纖維;然後通過成形、沉降、聚集、噴粘結劑等工藝，就製成了玻璃棉。玻璃棉的化學成分主要是SiO2(≥60%)和Al2O3，除此以外還含有CaO、MgO、堿金屬氧化物及B2O3等物質;其導熱係數在0.037～0.039W/(m·K)之間。玻璃棉具有一定的機械強度、易成型、絕緣性能好、抗腐蝕和疲勞損傷，被廣泛地應用於航空、石化、加工等領域，一般上限使用溫度在500℃～600℃左右。

玻璃棉示意圖

2.礦(岩)棉保溫材料

礦(岩)棉屬於礦物棉，物質的主要成分是SiO2和Al2O3，其餘是CaO和少量的MgO、Fe2O3等物質。岩棉以玄武岩和輝綠岩等天然火成岩為主要原材料，再加以適量輔助性材料、粘結劑等，經高溫熔融離心噴吹製成纖維;岩棉主要是通過噴吹法、離心法、離心噴吹法製備。目前國內外的礦(岩)棉均采用常規生產工藝，即將原料高溫熔融成液態，再經高壓空氣、蒸汽噴吹或高速離心法將其製成細纖維，得到礦(岩)棉的原棉，再將原棉通過不同工藝製成所需的板、管、粒等係列產品。礦(岩)棉多孔纖維狀的結構，使得它在室溫時的導熱係數隻有0.04W/(m·K)，有著良好的隔熱性能;同時，岩棉板也有一定的抗壓強度。

礦(岩)棉及其係列產品隔熱保溫、吸聲隔音、阻燃、耐高溫、不腐、不蛀等優點使它由起初單一的工業保溫隔熱向核反應堆、船舶、吸聲板等特殊領域進軍。礦(岩)棉通常使用溫度在600℃以下，上限使用溫度可達650℃，是目前國內外使用較為普遍的保溫隔熱材料。現在更多的是應用在有防火等級要求的建築物中，例如北歐人均使用量達到20kg，相比之下，我國礦(岩)棉的人均消費量還很低。國內礦(岩)棉在建築外牆保溫的應用上相比於歐洲國家起步較晚，蘭州的甘肅建築科學研究院辦公樓的外牆保溫是國內在這方麵比較早的應用，效果良好;雖然這比國外晚了20年左右，但近幾年，國內礦(岩)棉行業廣泛引進國外先進生產技術，積極致力於礦(岩)棉的開發研製，已經取得了快速的發展。岩棉除單獨作為保溫材料使用外，還可以和酚醛樹脂、黃麻纖維等材料按一定比例製作混合型複合材料。

示意圖

3.矽酸鈣絕熱保溫材料

矽酸鈣絕熱材料又稱微孔矽酸鈣隔熱材料，製作原材料一般是石灰、石棉等矽質原料，製作過程如圖1所示：

矽酸鈣絕熱保溫材料製作過程

除上述方法外，也可以以工業生產中的殘留廢棄固相物體、陶瓷渣、大理石碎片為原材料通過特定工藝製得矽酸鈣材料。矽酸鈣隔熱材料耐火保溫，容重小，高溫環境下仍有一定的機械強度，是一種性能優良的保溫材料，在冶金、船舶等行業的熱工設備上有著廣泛的應用。

示意圖

矽酸鈣材料的導熱係數在0.05W/(m·K)左右，按使用溫度可分為低溫型和高溫型兩種：低溫型的絕熱保溫材料主要成分是雪鈣石，亦稱托貝莫來石，其分子式為5CaO·6SiO2·5H2O，上限使用溫度在650℃左右;高溫型使用溫度可達到1000℃左右，其主要成分是硬矽鈣石，分子式為6CaO·SiO2·H2O。低溫型的隔熱材料主要應用在石化工業上，而高溫型矽酸鈣絕熱保溫材料主要應用在冶金、工業設備及管道、化工上等。矽酸鈣絕熱保溫材料從美國的歐文斯-康寧纖維-玻璃公司(OwensCorningFiber-Galss)率先研究出來至今有近70年的時間，我國在這方麵的研究是從上世紀七十年代開始，主要是采用澆注法研製托勃莫來石型耐火保溫材料，通過研究人員的不懈努力，矽酸鈣保溫材料在八十年代中期得到快速發展。目前，行業人員已經研製出了超輕微孔矽酸鈣保溫隔熱材料以及矽酸鈣複合納米孔絕熱防火板材料;矽酸鈣材料應用廣泛，未來的研究方向主要是超輕、憎水、高強度、高絕熱的矽酸鈣絕熱材料。

4.複合矽酸鹽保溫材料

複合矽酸鹽耐火保溫材料是以固體基質連接的封閉孔型的網狀結構材料，主要是以鋁鎂矽酸鹽的特種非金屬礦為基料，摻入定量輔助材料及填充材料，再加入合適化學添加劑製備而成的材料。之所以具有保溫特性是因為它具有封閉的微孔網狀結構，一般用靜電原理和濕法工藝以玄武石、白玉石等礦物原材料製備。其主要化學成分為SiO2和MgO，以及少量的Fe2O3、CaO、Al2O3、MnO2等;室溫導熱係數為0.031W/(m·K)，350℃時的導熱係數為0.117W/(m·K)。複合矽酸鹽材料阻燃隔熱，力學上有一定的抗拉抗衝擊性能，常用於冶金、電力、化工等行業;混合攪拌凝膠化壓濾成型幹燥成品除了一般熱力設備的保溫，它對於異型設備和一些非標準設備也有著重要作用，是隔熱材料的優選產品。近年來，複合矽酸鹽保溫塗料也有了快速的發展和廣泛的應用，如稀土複合保溫材料等。

FBT(稀土)係列複合保溫材料是專利產品，它以礦物和多種化學試劑為原料，經特殊工藝製成的一種白色或灰白色粘稠狀膏體;常溫或高溫狀態下均可施工，適用於各種管道、加熱爐等熱工設備和傳統保溫材料不易解決的異形閥門、室內異形管道和變徑管等設備，施工簡單，幹燥後與設備本身緊密結合，耐腐蝕、防水，無氣孔和縫隙，使用壽命長，並且能起到良好的隔熱效果，上限使用溫度可達1200℃。

海泡石類的保溫材料是近期研究出來的複合矽酸鹽隔熱材料中的良好成果，憑借保溫隔熱，高溫體積穩定、抗侵蝕等諸多優異的性能條件，在耐火保溫材料行業中占有一席之地，有廣泛的應用市場。其他複合矽酸鹽係列產品也廣泛的應用於保溫行業，通常其使用溫度在600℃～700℃左右。

5.閉孔珍珠岩保溫材料

閉孔珍珠岩是選用天然珍珠岩礦經過一係列複雜工藝製得，其工藝過程：珍珠岩原礦→粉碎篩選成珍珠岩礦砂→預熱→多級加熱→膨脹玻化→冷卻處理→成品。其主要成分如表1。

表1 閉孔珍珠岩主要成分及含量

閉孔珍珠岩膨脹燒結後，呈玻化球形且內部為封閉的空心結構，即通過準確的控製加熱溫度和時間，使礦砂在短時內迅速膨脹，內部形成蜂窩狀結構，淺表溶融並形成封閉氣孔，表麵玻化成微圓球狀顆粒，與外形不規則，表麵多空的膨脹珍珠岩相比，閉孔珍珠岩具有吸水率低、強度高等優點，導熱係數在0.047W/(m·K)到0.054W/(m·K)之間;再加上它具有環保、吸聲隔音、保溫不燃、輕質多孔、流散性好、抗壓強度高等優點，使得它可以作為耐火磚的保溫骨料及爐窯隔熱層的填充材料等。耐火度高達1360℃，通常珍珠岩類產品使用溫度為800℃左右。

閉孔膨脹珍珠岩主要是作為保溫骨料和添加到耐火類材料製成新型隔熱材料，如珍珠岩保溫耐火磚、保溫砂漿及保溫混凝土等。珍珠岩保溫磚是將閉孔珍珠岩和耐火骨料混合，添加合適的結合劑、穩定劑和固化劑等製成輕質保溫磚，這種耐火磚性能優良，具有較好的實際應用，是一種新型工業牆體材料。保溫砂漿是將適量閉孔膨脹珍珠岩添加到砂漿中製得的保溫材料，它有著質輕隔熱、阻燃耐高溫和凝結時間短等優點，目前閉孔珍珠岩保溫砂漿在這方麵取得了好的成果。如輕質隔熱保溫澆注料專利中(專利號：CN102503467A)采用閉孔珍珠岩作為保溫骨料(含量10%～30%)，另加入莫來石空心球、高鋁水泥、固體水玻璃、鋁矽溶膠等製成保溫澆注料，施工簡單，保溫隔熱性能良好。鑄造生產中將閉孔珍珠岩和耐火骨料等按一定比例混合製成保溫冒口和保溫補貼，可以提高鑄件質量，減少生產工序。混凝土中加入球形閉孔膨脹珍珠岩及減水劑，在不影響材料本身的抗折性、抗壓性等力學性能的前提下，可以起到隔熱降噪的作用。

6.漂珠類耐火保溫材料

漂珠是粉煤灰在電廠鍋爐內燃燒時，高溫環境下脫水、熔融成微液滴，並在空氣作用下形成渾圓球體;經過多種物理化學反應，生成的氣體在球體內膨脹，再配合表麵張力作用，球體變成中空玻璃泡，然後迅速冷卻、硬化，終形成高真空的玻璃態空心漂珠。主要成分是SiO2和Al2O3，還含有Fe2O3、CaO、MgO、TiO2、K2O和Na2O等，其中矽鋁氧化物占80%以上。不同產地的漂珠其物質含量、色澤都稍有不同，大多數是呈灰白色，薄壁中空，表麵封閉而光滑的具有透明半透明白色珍珠光澤的球形顆粒，其導熱係數為0.065W/(m·K)。粉煤灰漂珠具有容重小、耐火度高，阻燃、耐侵蝕、高強度、保溫絕緣等特性，是使用廣泛的耐火原材料之一，特別是在冶金、石油、機械、熱處理等部門的工業窯爐和鑄造生產中的保溫補貼上。通常情況下，漂珠類保溫材料的工作溫度不高於1000℃。

國外對於漂珠類製品的開發研究開始於上世紀中期，主要是研究粉煤灰漂珠的形成機理、化學物理性能、隔熱機理[26]以及以漂珠為主要保溫骨料的漂珠磚等耐火材料。國內對漂珠的研究相對於國外較落後，很多方麵的理論知識都是借鑒了國外的文獻，但是，經過多年的研究開發，也取得了諸多成就，漂珠保溫磚、漂珠複合保溫材料和漂珠隔熱塗料相繼研製成功。如有些專利產品中漂珠耐火保溫磚的導熱係數可以在0.18W/(m·K)上下，常溫抗壓強度達到5MPa，熱震穩定性800℃空冷10分鍾的次數可以達到30次;楚林[27]在鋁磷酸鹽漂珠的研究中，以磷酸二氫鋁為結合劑，氫氧化鋁為固化劑製備一種漂珠保溫材料，材料抗壓強度可以達到4.346MPa，體積密度0.517g/cm3，導熱係數0.069W/(m·K);李文丹等以粉煤灰漂珠為基體利用非均相沉澱法製備了高熱反射率的外牆隔熱塗料等。

7.納米孔矽質隔熱材料

氣體的熱傳導和熱對流、固體材料的熱傳導是材料傳遞熱量的主要途徑，因此探索一種能夠同時阻礙材料各種傳熱方式的新材料是關鍵所在，通過科研人員不斷的努力研究，然後納米孔矽質隔熱材料進入人們的視野。

空氣和大部分氣體雖然在靜止狀態時的熱導率很小，但是熱對流的存在加大了熱量傳遞的幅度，而納米孔矽質絕熱材料中SiO2氣凝膠微孔尺寸小於50nm，微孔尺寸足夠小且小於氣體分子的平均自由程，使得氣體分子之間不發生碰撞或碰撞幾率很小，基本無法進行對流傳熱，從而阻斷了氣體分子的熱傳導;矽質氣凝膠這一理想的微孔結構使得它在常溫下的導熱係數在0.03～0.05W/(m·K)之間，比空氣的熱導率還要低;而且它在常溫下還有良好的透光性，以及遮蔽紅外線的功能。所以無定型SiO2憑借其獨特的結構特征和本身性能優點成為了製備納米微孔絕熱材料的主體材料，目前得到實際應用的納米絕熱材料的納米孔載體就是SiO2氣凝膠。氣凝膠更是和真空絕熱板(VIP)一起被稱作是比較先進、非常有發展前景的絕熱材料。相對於SiO2氣凝膠納米孔隔熱材料，氣相SiO2是製備納米孔隔熱材料的又一研究方向;AbeH.Y.等以氣相SiO2為主要原料，SiC為遮光劑，無堿玻璃纖維為增強劑，通過幹法成型工藝製備了納米SiO2多孔絕熱材料，其製品的斷裂應力達到1.58MPa，400℃時導熱係數為0.0282W/m·K，氣孔率為80.1%。國內對於氣相法製備納米SiO2隔熱材料也有很大成果，封金鵬等人采用水蒸氣蒸養法用納米SiO2粉體、SiC等材料製成納米SiO2多孔絕熱材料。納米孔矽質隔熱材料憑借著其輕質、多孔、隔熱性能好等諸多優點，成為了很多科研人員的研究目標;這種輕質多孔絕熱材料在航空航天、船舶、建築等行業有很大的開發空間。此類材料可以在950℃高溫環境下長期使用，更高溫度可以達到1025℃，甚至一些優化型材料可以在1200℃高溫環境下工作一段時間。

8.蛭石隔熱材料

蛭石是鐵、鎂含水矽鋁酸鹽類礦物，主要是黑雲母、金雲母和粘土礦物等熱液蝕變或風化的產物，也有些是由基性岩受酸性岩漿的侵蝕變質而成[34]。目前，蛭石的應用主要還是體現在膨脹蛭石上，膨脹蛭石是蛭石經膨脹(又叫剝分)工藝後的產物，在國外又稱作剝分蛭石，國內外普遍采用物理方法和化學方法對蛭石進行剝分，剝分後的產物分別稱作熱膨脹蛭石和化學剝分蛭石，綜合比較下，後者能耗相對於前者較低，而且此方法不會破壞蛭石的結構。

蛭石多為層狀結構，膨脹後的蛭石層片間有空氣間隔層，起到隔熱作用，其導熱係數在0.04～0.12W/(m·K)之間，熱絕緣性好，同時它高達1400℃的熔點以及低至0.9g/cm3的密度使得它在輕質材料和防火隔熱材料上有著重要的應用，不僅可以把它單獨作為隔熱層，還可以和水玻璃、水泥等結合劑混合壓製成隔熱材料使用，有時也把它作為隔熱層的填充料，但是由於製品強度不夠高，一般不用於承重結構;使用溫度一般不高於1100C。此外，膨脹蛭石的聲絕緣性和吸附性讓它在隔音材料和吸附劑等方麵也有應用。

2009年，周國富等人研究開發出一種膨脹蛭石防火板，防火板良好的阻燃保8溫高強度性能，使膨脹蛭石的應用不僅僅隻是停留在骨料、填充料上，還可以像木材一樣製成用於防火、吸聲、隔斷的板材等;此種防火板在1150C的高溫下工作5h以後，測得其抗壓強度為1.61MPa，強度指標大於有關絕熱材料的強度要求，市場發展前景廣闊。

9.矽酸鋁纖維耐火保溫材料

矽酸鋁耐火纖維又稱為陶瓷纖維，其主要組成是SiO2、Al2O3、Fe2O3、K2O、Na2O等，其中SiO2和Al2O3占95%以上，Fe2O3約占0.98%，K2O和Na2O約占0.5%。矽酸鋁纖維的表麵光滑，內部固相物質以連續骨架形式存在，配合間隙中的低熱導率空氣，起到了保溫效果。生產矽酸鋁耐火纖維的方法是將精選的焦寶石原料在2000℃以上的電爐裏融化，再采用噴吹或離心等方法使之纖維化。矽酸鋁耐火纖維按照其成分和使用溫度可以分為3類，如表2所示：

表2 矽酸鋁耐火纖維分類

近幾十年來，由於矽酸鋁纖維的優良性能，國內外矽酸鋁行業高速發展，新型產品相繼出現，如矽酸鋁纖維氈、纖維紙、纖維繩等。矽酸鋁的研究也取得了很大的成果，耐高溫溫度也從1300℃提高到1800℃，甚至更高的溫度。此外，以矽酸鋁耐火纖維為原料，配以結合劑、穩定劑等製備的耐火纖維紙可作為高溫環境中的隔熱材料、緩衝材料，還可以製成管形和各種異型保溫材料及鑄造保溫冒口等材料。把矽酸鋁纖維紙應用在航空航天器的隔熱層上是目前前沿的研究之一;美國的金剛砂公司在這方麵的研究較為深入。而國內的矽酸鋁纖維紙是采用高純度的陶瓷纖維製成，纖維紙的各項優良性能讓它在高溫隔熱領域也有著重要的應用。

示意圖

除上述保溫材料外，矽藻土保溫材料、保溫砂漿、保溫塗料和陶瓷混凝土等在耐火保溫行業中也有著廣泛的應用;特別是陶瓷混凝土保溫材料采用蛭石、粉煤灰做填料，矽鋁酸鹽做粘結劑的研究，使材料具有低熱導率和較高的抗熱震性能。

巨大的市場需求推動著耐火保溫材料的快速發展，但是在發展過程中也出現了諸多問題，如耐火原材料的無序開采和不當利用導致了嚴重的資源浪費;環境問題還沒有解決，使用過期、被破壞的廢棄耐火材料還未得到妥善的處理等;因此“綠色、高性能”是今後判斷耐火保溫材料好壞的一個標準。除此以外，耐火保溫材料多數都是疏鬆多孔的，材料中空隙占很大比重，材料在接觸到水分時，會大量吸水，由於水的導熱係數遠大於空氣，這就會嚴重影響材料的保溫性能，目前解決的方法都是在保溫材料外層加置防水層，這就增加了成本，所以材料本身吸水率低，具有疏水特點的憎水性耐火保溫材料也是一個重要的研究目標。目前，市場對耐火保溫材料的要求是多樣的，如爐窯牆壁耐火保溫材料有著高耐火度，低熱導率，良好的抗熱震性，耐侵蝕等優異的力學性能和較小的體積密度，施工方便，以及無毒環保等要求;所以，高性能多功能，環保、性價比高的複合型耐火保溫材料必定是國內外發展的目標及熱點。