利用鋰尾礦生產(chǎn)發(fā)泡陶瓷的研究*

吳 冀 成智文 盧慶陽

(1 唐山莊信科技有限公司 河北 唐山 063000)(2 咸陽陶瓷研究設(shè)計院有限公司 陜西 咸陽 712000)

前言

隨著我國城市建設(shè)的發(fā)展，建筑耗能過大已成為一個丞待解決的問題。目前，國內(nèi)用于保溫功能的建筑圍護墻外裝飾保溫材料多為有機材料，這種材料的缺點是易吸水變質(zhì)、易燃燒、耐久性差。另一方面,我國工業(yè)尾礦的主要處理方式是堆放、填埋和綜合利用，其中堆放或填埋既占用了耕地，又污染了環(huán)境。因此，從建筑節(jié)能、工業(yè)尾礦利用的角度出發(fā)，開發(fā)兼具良好的保溫隔熱、節(jié)能、隔音、防火、與建筑體同壽命等多功能于一身的建筑陶瓷保溫材料，可替代現(xiàn)有的建筑圍護墻外裝飾有機保溫材料。利用工業(yè)尾礦生產(chǎn)建筑陶瓷保溫材料既解決了工業(yè)尾礦對環(huán)境的污染，又解決了建筑耗能過大的問題，是一種新型的綠色建筑陶瓷保溫材料產(chǎn)品。

保溫陶瓷板節(jié)能、防火等級高、高強度、耐腐蝕、與建筑同壽命且具有保溫隔熱性能，是當(dāng)前研究的熱點[1]。萬云萍等[2]以建筑拋光泥為主要原料，于1 230 ℃燒結(jié)制備了吸水率為0.41%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))、抗壓強度為10.89 MPa、導(dǎo)熱系數(shù)為0.19 8 W/(m·K)的保溫陶瓷材料。羅淑芬等[3]以陶土尾礦于1 160 ℃燒結(jié)制備了吸水率為0.54%、抗壓強度為4.87 MPa、導(dǎo)熱系數(shù)為0.09 4 W/(m·K)的保溫陶瓷材料。楊航等[4]以鐵尾礦和廢石為主要原料,于1 160 ℃燒結(jié)制備了吸水率為0.48%、抗壓強度為2.20 MPa、導(dǎo)熱系數(shù)為0.09 0 W/(m·K)、防火等級為A級的保溫陶瓷材料。

利用鋰尾礦為主要原料制備保溫陶瓷板，以期對其進(jìn)行綜合利用，同時彌補相關(guān)領(lǐng)域的研究不足。

2 實驗原料

本次實驗采用的主要原料來源于北方某廠生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的鋰礦尾礦鋰尾礦，并添加高嶺土(陜西涇陽)、長石(陜西商洛)、方解石(陜西商洛)等陶瓷原料設(shè)計配方。各原料的化學(xué)組成見表 1。

表1 原料化學(xué)成分(wt%)

由上表可以看出鋰尾礦成分類似長石類原料，堿金屬氧化物含量相對較高，燒失較大，有利于制備發(fā)泡陶瓷。

3 發(fā)泡陶瓷的制備

3.1 基礎(chǔ)配比的確定

本研究以K2O-Al2O3-SiO2系統(tǒng)相圖為理論依據(jù)，通過查閱相關(guān)資料，分別采用鋰尾礦與高嶺土、長石、方解石等陶瓷原料進(jìn)行樣品試制，添加高嶺土改善坯體可塑性；添加長石、方解石以降低產(chǎn)品燒成溫度；并外加一定量的發(fā)泡劑以在燒成時形成閉氣孔。采用正交試驗方法進(jìn)行多組實驗。分別考察不同的配方對燒成溫度范圍、成孔性能、體積密度、產(chǎn)品強度的影響，并尋找最佳性能的坯體配比。滿足產(chǎn)品性能要求的坯體配比如表2所示。

表2 發(fā)泡陶瓷坯體配比(wt%)

3.2 工藝流程

保溫陶瓷板的制備工藝流程(見圖1)包括稱重混料、濕磨制漿、噴霧造粒、布料及入窯燒成，為獲得符合要求的保溫陶瓷板，需對工藝參數(shù)進(jìn)行控制。

圖1 保溫陶瓷板的制備工藝流程圖

3.3 工藝參數(shù)

料∶球∶水=1∶2∶0.45;泥漿細(xì)度(250目篩篩余)≤1.00%;造粒料含水量≤1.5%;陳腐時間≥24 h;燒成溫度為1 180 ℃～1 220 ℃。

3.4 樣品表征

采用湘潭湘儀儀器有限公司生產(chǎn)的GKF-VIII硅酸鹽化學(xué)成分快速測定儀測定原料化學(xué)組成。使用篩分法測試了濕磨泥漿的細(xì)度。通過Archimedes原理測試了保溫陶瓷板的吸水率和體積密度。采用北京時代新天測控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的TPMBE-300平板導(dǎo)熱儀測定了材料的導(dǎo)熱系數(shù)。通過日本電子株式會社制造的JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡對其顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀測。

4 結(jié)果與討論

要生產(chǎn)出合格的發(fā)泡陶瓷，對泥漿細(xì)度要進(jìn)行嚴(yán)格控制。我們用3種不同細(xì)度的泥漿制備原料，并進(jìn)行對比試驗。

4.1 泥漿細(xì)度對產(chǎn)品性能的影響

由表3可以看出，在成孔劑的加入量、燒成溫度相同的情況下，泥漿的細(xì)度越細(xì)小，產(chǎn)品的燒成溫度越低，玻璃相在成孔劑生成氣體之前已形成。

表3 泥漿細(xì)度對產(chǎn)品性能的影響

當(dāng)泥漿細(xì)度變粗時，坯體中產(chǎn)生的玻璃相量不足，坯體的孔隙較大，成孔劑所生成的氣體就會逸出，從而使得坯體內(nèi)形成的閉口氣孔量不足，所形成的樣品體積密度較大，導(dǎo)熱系數(shù)也隨之增大。故本研究中最優(yōu)的泥漿細(xì)度(250目篩篩余)應(yīng)控制在≤1.00%。

4.2 發(fā)泡劑對發(fā)泡陶瓷性能的影響

生產(chǎn)發(fā)泡陶瓷保溫材料，目前的成孔方法有很多，即加入有機物、微珠、經(jīng)過物質(zhì)間反應(yīng)產(chǎn)生氣體形成孔等。我們通過大量的實驗，最后確定了一種較適合本產(chǎn)品的發(fā)泡劑，并進(jìn)行了定量試驗，確定了最佳的加入量。發(fā)泡劑對試制樣品的影響如表4所示。

表4 發(fā)泡劑加入量對產(chǎn)品性能的影響

由表4可以看出，當(dāng)溫度一定時，隨著成孔劑量的增加，樣品的體積密度減?。划?dāng)成孔劑加入量一定時，隨著燒成溫度的提高，樣品的體積密度減小。因此，本研究中發(fā)泡劑最佳添加量為0.6%左右。

4.3 燒成溫度對發(fā)泡陶瓷性能的影響

陶瓷燒成是坯體致密化及晶粒長大的過程，而燒成溫度顯著影響保溫材料中的孔結(jié)構(gòu)與孔徑。圖2為同一配比、相同放大倍數(shù)，燒成溫度在1 180 ℃～1 220 ℃。之間產(chǎn)品的掃描電鏡圖。在1 180 ℃燒制出的產(chǎn)品的孔徑較小，孔壁較厚，強度高，燒結(jié)情況良好。在1 200 ℃下燒制出的產(chǎn)品孔徑較大，孔壁的燒結(jié)性也較好，產(chǎn)品的抗折、抗壓強度都較高。在1 220 ℃燒制出的樣品孔徑較大，樣品內(nèi)玻璃相明顯，所形成的孔壁較薄，產(chǎn)品的抗壓、抗折強度較1 200 ℃燒成的樣品差。故選擇 1 200 ℃為本研究的最佳燒成溫度。不同溫度下電鏡掃描圖如圖2所示。

(a)燒成溫度1 180 ℃

4.4 保溫陶瓷板的表面裝飾

(a)

對本研究中獲得的綜合性能最優(yōu)的保溫陶瓷板進(jìn)行了表面裝飾，以提高其檔次及美感。 其裝飾過程為對燒成切割后的保溫陶瓷板涂抹膩子并噴涂真石漆。圖 5a為未加工裝飾的保溫陶瓷板，圖 5b為裝飾后的保溫陶瓷板，尺寸300 mm×300 mm×30 mm，裝飾后的保溫陶瓷板可應(yīng)用于內(nèi)墻外墻裝飾且具有質(zhì)輕、高耐久性的特點，是一種性能優(yōu)異、市場前景廣闊的產(chǎn)品。

5 結(jié)論

(1)燒成溫度為1 200 ℃、泥漿細(xì)度(250目篩篩余)≤1.00%且發(fā)泡劑添加量為0.6%時制備的保溫陶瓷板性能最佳：體積密度0.42 g/cm3，導(dǎo)熱系數(shù)0.08 W/(m·K)，抗壓強度7.00 MPa。

(2)燒成溫度、泥漿細(xì)度以及發(fā)泡劑添加量等因素中，發(fā)泡劑添加量對保溫陶瓷板的孔結(jié)構(gòu)、孔徑大小及分布影響最為顯著，是獲得保溫陶瓷板的關(guān)鍵。通過調(diào)節(jié)發(fā)泡劑添加量可獲得不同平均孔徑不同導(dǎo)熱系數(shù)的保溫陶瓷板。

(3)燒成溫度過高,導(dǎo)致晶粒異常長大，氣體來不及排出從而形成大尺寸氣孔，對于獲得低導(dǎo)熱系數(shù)不利；燒成溫度過高還會因過燒降低材料的強度。

(4)泥漿細(xì)度影響保溫陶瓷板的孔徑大小及分布:泥漿細(xì)度(250目篩篩余)>1.00%時，制備所得保溫陶瓷板中的孔徑尺寸增大，孔分布均勻性急劇下降，對于獲得低導(dǎo)熱系數(shù)不利。

利用鋰尾礦，經(jīng)過試驗可以制備出具有質(zhì)量輕、保溫隔熱、隔音、防火、強度高與建筑體同壽命等特點，符合標(biāo)準(zhǔn)要求的發(fā)泡陶瓷。該產(chǎn)品可以用作室內(nèi)隔墻材料，也可以用作外墻、屋面、窯爐等保溫材料，根據(jù)需要可以加工成不同的形狀尺寸。鋰尾礦用量可達(dá)70%以上，綠色環(huán)保、節(jié)約資源。