利用尾矿制备功能陶瓷材料的研究_

利用尾矿制备功能陶瓷材料的研究

随着人们生活水平的提高,现代社会对建筑材料的保温、隔声、防水、抗磁、机械强度等方面提出了更高的要求,为此,开发具有这些特点的新型墙体材料具有十分重要的意义。高温发泡陶瓷材料具有保温、隔声、防水、抗磁、机械强度高等优点,而发泡陶瓷又属于功能陶瓷的一种,与目前各类功能陶瓷在材质及成孔机理等方面不尽相同。发泡陶瓷是经高温烧制而成的,具有广阔的应用前景,利用尾矿制备发泡陶瓷,更是为尾矿的再利用提供了一种可靠的途径,可以降低发泡陶瓷的制作成本。

2.1 功能陶瓷的制备工艺

当前利用尾矿制备的功能陶瓷主要是指多孔陶瓷,其制备工艺有添加造孔剂工艺、颗粒堆积工艺、有机泡沫浸渍工艺、发泡工艺和挤压成型工艺等。

2.1.1 添加造孔剂工艺

添加造孔剂工艺是将造孔剂与陶瓷配料按一定的比例充分混合,再经过高温烧结之后,造孔剂燃烧分解离开陶瓷坯体而留下大量气孔的一种多孔陶瓷制备工艺,工艺流程如图1所示^[13]。添加造孔剂工艺制备多孔陶瓷与普通的陶瓷制备工艺流程相似,但其制备工艺简单,是较为常用的多孔陶瓷制备工艺之一。添加造孔剂工艺的关键在于造孔剂的使用,如采用棉花纤维、淀粉和碳酸氢钠为造孔剂等。研究人员已对添加造孔剂工艺进行了大量的研究,例如,刘瑞平等^[14]2013年采用叔丁醇基凝胶注模成型工艺结合添加造孔剂法制备出高固相含量的8YSZ多孔陶瓷,研究结果表明:固相体积分数为50%时,不同造孔剂的添加量对烧结8YSZ多孔陶瓷的孔径及其分布、气孔率、抗弯强度以及热导率均有影响。张龙等^[15]2016年针对沙柳木粉对添加造孔剂法制备粉煤灰基多孔陶瓷的影响进行了研究,结果表明:在造孔剂添加量为15%、成型压力为10 MPa、保温时间为2h的条件下,所烧制的多孔陶瓷显气孔率达到34.23%。

2.1.2 颗粒堆积工艺

颗粒堆积工艺也称固态烧结工艺,是指通过较大陶瓷颗粒之间的堆积形成孔隙,利用较小的陶瓷颗粒在高温下易于生成液相使骨料粘结在一起而制备出多孔陶瓷,如图2所示^[16]。

在利用颗粒堆积工艺制备多孔陶瓷的过程中,骨料粒度、添加剂的种类及其添加量和烧结温度是影响多孔陶瓷性能的重要因素。骨料粒度大小与多孔陶瓷气孔的孔径成正比关系,骨料的粒径越大、越均匀,制备出的多孔陶瓷气孔孔径就越大、越均匀。研究人员已对颗粒堆积工艺进行了一些研究,例如,朱新文等^[17]2003年根据成孔机理的不同综述了多孔陶瓷制备工艺的研究进展,对颗粒堆积工艺进行了详细介绍。王晓刚等^[18]2004年以碳化硅为原料,采用颗粒堆积工艺制备出多孔陶瓷,针对不同骨料粒度和造孔剂颗粒粒度对多孔陶瓷性能影响进行了研究,结果表明:通过改变骨料和造孔剂的粒度可制备出电阻率为2~4Ω·m、气孔率为40%的多孔碳化硅陶瓷。周健儿等^[19]2014年通过采用控制α-Al₂O₃颗粒粒径的颗粒堆积工艺制备出气孔孔径分布均匀的多孔氧化铝陶瓷膜,对多孔陶瓷膜的孔径、气孔率及其抗弯强度的影响进行了研究,结果表明:较大的α-Al₂O₃颗粒对多孔陶瓷的气孔孔径分布起主要作用;在合适的陶瓷颗粒堆积条件下,较小的陶瓷颗粒有利于多孔陶瓷抗弯强度的提高。

2.1.3 有机泡沫浸渍工艺

有机泡沫浸渍工艺是指将配制好的原料充分涂抹在有机泡沫网状体上,经过一段时间干燥并加热除去有机泡沫网状体,从而得到具有网状结构的多孔陶瓷,该制备工艺最早是1963年由K.Schwartzwalder和A.V.Somers提出的。该工艺具有制备成本低、使用设备简单等特点,适用于制备气孔孔径较大、气孔率较高的多孔陶瓷,是制备泡沫陶瓷较常用的工艺之一。有机泡沫浸渍工艺的关键是有机泡沫体的选取,常用的制备有机泡沫网状体的材料有聚氯乙烯、纤维素、聚氨酯、乳胶和聚苯乙烯等。

研究人员已对有机泡沫浸渍工艺进行了较多的研究,例如,P.Colombo等^[20]1999年以甲基羟基硅氧烷和聚氨酯泡沫为原料,采用有机泡沫浸渍工艺制备出气孔孔径为300~600μm的泡沫陶瓷材料。X.W.Zhu等^[21]2001年对有机泡沫网状体厚度的改善进行了研究,结果表明:采用聚氨酯海绵作为模板制备的网眼多孔陶瓷不仅其力学性能和可靠性得到较大的改善,而且其孔径大小也可适当调节。周梅等^[22]2009年以粘土为原料,采用有机泡沫浸渍工艺制备出生物载体用泡沫陶瓷材料,研究结果表明:浆料中加入质量分数为1.5%的硅溶胶、浆料质量分数为65%时,制备的泡沫陶瓷抗压强度为2.5 MPa,气孔率为85%,综合性能优异。

2.1.4 发泡工艺

发泡工艺是指向陶瓷骨料中加入发泡剂且在一定的条件下发泡剂反应分解生成泡沫,泡沫经过干燥和烧结后去除并留下气孔,从而得到多孔陶瓷的制备工艺。与有机泡沫浸渍工艺相比,利用发泡工艺制备多孔陶瓷,其密度、形状和成分更加容易控制,因而可制备出形状各不相同的多孔陶瓷,并被广泛应用于闭气孔多孔陶瓷的制备中。发泡剂的选取是发泡工艺的关键,常用的发泡剂有碳酸钙、双氧水和碳酸氢钠等。研究人员对发泡工艺进行了较多的研究,例如,P.Seepulveda等^[23]1999年在传统发泡工艺基础上进行改进研究,提出了发泡-有机单体的原位聚合工艺,该工艺具有制备时间短、多孔陶瓷坯体强度高等特点,研究结果表明:利用该工艺可制备出抗弯强度为26MPa,气孔孔径为30~600μm,且气孔之间相互连通的泡沫陶瓷。吴丽娜等^[24]2010年综述了发泡工艺制备多孔陶瓷的孔形成机理、发泡剂的类型及其多孔陶瓷制备领域的研究进展,并对采用发泡工艺制备的多孔陶瓷孔结构进行了介绍。孙怡等^[25]2015年对以工业锆英砂为原料制备多孔陶瓷进行了研究,结果表明:以体积分数为0.1%~0.5%十二烷基硫酸三乙醇胺的表面活性剂水溶液(Surf-E)为发泡剂,采用凝胶注模成型和机械发泡工艺相结合方法制备的多孔硅酸锆陶瓷密度、显气孔率、抗压强度分别可达到1.83g/cm³、54.3%、24.6 MPa。

2.1.5 挤压成型工艺

挤压成型工艺是制备蜂窝陶瓷常用的工艺之一,采用挤压成型工艺制备多孔陶瓷的影响因素较多,其中主要的影响因素是对适当的干燥条件和多孔陶瓷气孔率的控制。与其他多孔陶瓷制备工艺相比,挤压成型工艺制备的多孔陶瓷具有气孔率较为均匀、间壁较厚、适用范围较广、生产效率较高和设备较为简单等特点。

研究人员对挤压成型工艺进行了较多的研究,例如,任祥军等^[26]2006年以粉煤灰为主要原料,采用模压成型和挤压成型工艺在较低温度下制备出多孔陶瓷过滤膜,并针对造孔剂、烧成温度等对多孔陶瓷样品孔隙率、孔结构以及物相和强度等的影响进行了研究。T.Isobe等^[27]2007年以氧化铝为原料,采用挤压成型工艺制备出多孔陶瓷,研究结果表明:利用挤压成型工艺可制备出抗压强度为0.28 MPa、气孔率为83%且气孔分布均匀的多孔氧化铝陶瓷。Y.W.Moon等^[28]2011年以聚醋酸乙烯为造孔剂,采用挤压成型工艺制备出多孔氧化铝陶瓷,研究结果表明:当聚醋酸乙烯的添加量为40%时,制备出的多孔氧化铝陶瓷具有较高的气孔单向通透性且气孔是定向排列的。