煤礦廢棄物煤矸石制備泡沫陶瓷的研究

任濤，胡新萍，王超男，姜威(山西工程技術(shù)學(xué)院，山西 陽泉 045000)

0 引言

煤炭作為主要燃料，在開采煤炭時會產(chǎn)生大量的廢棄物煤矸石，而陽泉市作為采煤主力軍，存在很多煤矸石堆，據(jù)報道，我國現(xiàn)有煤矸石堆約5 000多個，而且每年還在新增[1]，這樣大量的堆積不但占用了大量土地資源，同時還會嚴(yán)重污染環(huán)境[2]，對煤矸石的利用成為比較熱門的一大研究課題，而目前我國煤矸石的綜合利用率僅為65%左右，主要利用煤矸石制備燒結(jié)磚[3-4]。

泡沫陶瓷，也稱多孔陶瓷，微孔分布均勻且相互之間貫通，具有耐腐蝕、透過性高、比表面積大、耐高溫等特點，可應(yīng)用于保溫隔熱隔音材料等[5]。胡明玉等[4]研究了煤矸石、頁巖、滑石和拋光渣等的用量對泡沫隔熱陶瓷密度、吸水率等的影響，同時研究發(fā)現(xiàn)滑石可降低燒成溫度。繆松蘭[6]等以拋光廢渣為主要原料，添加粘土類原料和溶劑類原料制備輕質(zhì)陶瓷材料，研制出了以閉氣孔為主的輕質(zhì)陶瓷材料。蔡紅玉等[7]以a-SiC為原料，Al2O3及SiO2為燒結(jié)助劑制備了SiC泡沫陶瓷，研究結(jié)果表明，燒結(jié)助劑有利于實現(xiàn)液相燒結(jié)并且降低燒結(jié)溫度。楊瑩等[8]以Al2O3、Y2O3作為燒結(jié)助劑，改善泡沫陶瓷致密度的問題，采用有機模板復(fù)制法及多次浸漬涂覆工藝制備了高強度碳化硅泡沫陶瓷材料，研究表明隨著燒結(jié)溫度的提高，孔棱致密度增加，抗壓強度顯著提高。周新濤[9]研究了用粉煤灰制備磷酸鹽泡沫陶瓷新工藝，并通過工藝的優(yōu)化得到了綜合性能優(yōu)越的泡沫陶瓷。

文章采用煤矸石塊、廢棄陶瓷片為主要原料，添加助溶劑滑石粉，造孔劑碳酸鈉，經(jīng)壓制后分別在800 ℃、900 ℃、1 000 ℃及1 100 ℃下燒結(jié)制備煤矸石泡沫陶瓷，研究在不同燒成溫度下，其表觀密度、氣孔率、抗壓強度及宏觀氣孔形貌的變化。

1 實驗

1.1 實驗原料

實驗所用的主要原料有山西省陽泉市新景煤礦的煤矸石、山西省陽泉市平定縣瑩玉陶瓷有限公司的廢棄陶瓷，輔助原料有起助溶劑作用的滑石粉以及起發(fā)泡作用的碳酸鈉。

1.2 實驗流程

將煤矸石塊和廢棄陶瓷片破碎后，分別在行星式球磨機中球磨2 h，取出后過100目篩備用。將煤矸石粉在馬弗爐中1 000 ℃燒制1 h去除有機揮發(fā)物等，稱取煤矸石粉60 g，滑石粉25 g，廢棄陶瓷片15 g，碳酸鈉5 g，在球磨機中球磨1 h使粉末更加均勻并混勻。然后用液壓式壓片機以2 MPa的壓力干壓成型制得陶瓷生坯，尺寸大小為φ20*5 mm。將生坯放置在高溫馬弗爐中以10 ℃/min的升溫速率升溫至800 ℃，之后再以5 ℃/min的升溫速率升溫至900 ℃，1 000 ℃和1 100 ℃，再保溫30 min后隨爐冷卻，即可得到泡沫陶瓷樣品。

1.3 性能測試

利用阿基米德排水法測定煤矸石泡沫陶瓷的表觀密度，顯氣孔率；采用JSM-IT200掃描電鏡對樣品氣孔進行觀察表征；通過萬能試驗機測試樣品的抗壓強度。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 燒成溫度對表觀密度和顯氣孔率的影響

煤矸石泡沫陶瓷的體積密度和顯氣孔率隨燒制溫度的變化情況如圖1所示。由圖可知：隨著燒成溫度升高，體積密度先減小后迅速增加，氣孔率則先增加后減小。當(dāng)燒成溫度為800℃時，泡沫陶瓷的體積密度為1.82 g/cm3，氣孔率為33.6%；當(dāng)燒成溫度升到900 ℃時，泡沫陶瓷的體積密度為1.67 g/cm3，氣孔率為38.3%；當(dāng)燒成溫度到1 000 ℃時，其體積密度稍有下降，為1.65 g/cm3，氣孔率為42.3%，氣孔率的增加是由于Na2CO3受熱分解產(chǎn)生CO2，CO2氣體在樣品內(nèi)部產(chǎn)生氣孔；當(dāng)燒成溫度上升到1 100 ℃時，體積密度增至2.56 g/cm3，氣孔率減少至4.6%，這是由于此時滑石的助熔效果變得非常明顯，使得樣品體積收縮變大，阻礙了氣孔的增大，氣孔率快速下降。

圖1 不同燒成溫度對泡沫陶瓷體積密度和氣孔率的影響

2.2 燒成溫度對樣品氣孔形貌的影響

不同溫度燒制泡沫陶瓷的宏觀形貌圖如圖2所示，從圖中可以看出：燒成溫度越高，制備的泡沫陶瓷試樣氣孔越大。當(dāng)溫度為800 ℃ 時，氣孔小而均勻致密，當(dāng)升高溫度為900 ℃時，氣孔有微微的長大趨勢，繼續(xù)升高溫度達到 1 000 ℃時，氣孔變大，泡沫陶瓷試樣平均孔徑增大，呈現(xiàn)疏松狀態(tài)，而當(dāng)溫度為 1 100 ℃ 時，泡沫陶瓷試樣的平均孔徑繼續(xù)有微量的增大。這是由于燒成溫度低時，發(fā)泡劑碳酸鈉反應(yīng)活性不高，發(fā)泡不充分，泡沫陶瓷致密度高，隨著燒成溫度增高，發(fā)泡劑的活性變高，分解產(chǎn)生的氣體增多，有利于氣泡長大。

圖2 不同燒成溫度下的煤矸石泡沫陶瓷試樣SEM圖

2.3 燒成溫度對抗壓強度的影響

不同燒成溫度對抗壓強度的影響如圖3所示。從圖中可以看出：隨著燒成溫度的升高，泡沫陶瓷的抗壓強度逐漸降低，這主要是因為燒成溫度增高，發(fā)泡劑碳酸鈉活性增強，產(chǎn)生的氣體增多，試樣內(nèi)部氣孔多而疏松，抗壓強度低；另一方面，溫度越低，試樣內(nèi)部的粘度越高，溫度升高時，粘結(jié)度有一定降低，抗壓強度下降，但強度值均滿足“高效能符合外墻外保溫材料”的抗壓強度的要求。

圖3 不同燒成溫度對抗壓強度的影響

3 結(jié)語

(1)隨著燒成溫度的升高，煤矸石泡沫陶瓷的體積密度先下降后升高，顯氣孔率先增加后急劇減少，當(dāng)燒成溫度為1 000 ℃時，體積密度為1.65 g/cm3，氣孔率達到42.3%。

(2)隨著燒成溫度的增加，泡沫陶瓷的氣孔增大，抗壓強度下降。

(3)當(dāng)燒成溫度增高時，滑石粉的助溶作用明顯增強，樣品的氣孔率下降，致密性增加，但粘結(jié)度下降使得抗壓強度降低，當(dāng)燒成溫度為1 000 ℃時，抗壓強度達到22 MPa。