CN101289331B - 一种黄磷渣多孔陶瓷材料的制备方法 - Google Patents

一种黄磷渣多孔陶瓷材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种黄磷渣多孔陶瓷材料的制备方法，该多孔陶瓷材料以固体废弃物黄磷废渣和粘土页岩为主要原料，木炭粉为造孔剂并加入一定量的粘合剂。本发明多孔陶瓷的制备方法为：将原料混合均匀，在105℃干燥30分钟后压制成型，然后在1000～1140℃烧结并保温，制得多孔陶瓷。结果表明，样品的气孔率为29.03～51.46％，吸水率达20.02～39.28％，体积密度为1.15～1.89g/cm3，抗压强度2.07～9.86MPa。多孔陶瓷的成孔孔道连通性较好，孔径分布较均匀，并且很好的利用了固体废弃物，降低了生产成本。

Description

一种黄磷渣多孔陶瓷材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种多孔陶瓷材料的制备方法，特别是涉及一种以黄磷废渣和粘土页岩为主要原料的多孔陶瓷材料的制备方法。
背景技术
多孔陶瓷是一类以气孔为主相的无机非金属材料，它的显著特点是高气孔率，而且气孔的表面、形状、大小及其分布可调节，气孔孔径从毫米级至纳米级。多孔陶瓷同传统的多孔材料如玻璃纤维和网状金属材料相比，多孔陶瓷还具有耐高温、耐腐蚀、抗热、抗震、孔径分布均匀且狭窄、成本低、使用寿命长等优点。由于其巨大的表面积多孔陶瓷具有优良的热、电、磁、光、化学等性能。随着控制材料的细孔结构水平的不断提高以及各种新材质高性能多孔陶瓷材料的不断出现，多孔陶瓷的应用领域也由传统的冶金、化工和建材等方面拓展到涵盖环保、节能、石油、食品、制药、生物医学、电子工程、航空航天等多个科学领域，引起了全球材料学科的高度关注。
多孔陶瓷可以作为微孔材料应用于环保、节能、化学提纯和化工等领域，特别是磷化工工业用于过滤磷酸有较大的实用价值。作为过滤器使用，多孔陶瓷可以用于水源净化、空气净化、污染处理等方面。作为催化剂载体，多孔陶瓷可以在各种化工过程中推广使用，还可以应用在汽车尾气处理上。
化工产品黄磷生产过程中会产生大量的黄磷废渣，黄磷废渣中富含CaO、SiO2等物质，目前少量用做建材原料，大部分都堆放而弃之不用，造成了资源的巨大浪费，同时黄磷废渣的堆放也占用了大量的空间，很容易对周边的环境造成污染，对黄磷废渣的再利用也是一个重要课题。粘土页岩在贵州的储量巨大，而且，在钼、镍、钒矿开采过程中也会形成大量粘土页岩固体废弃物，处理这些粘土页岩固体废弃物也是采矿过程中必须要解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种黄磷渣基多孔陶瓷材料的制备方法，该多孔陶瓷材料以黄磷生产过程中产生的黄磷废渣和开采钼、镍、钒矿的过程中产生的大量粘土页岩固体废弃物为原料制备，实现了资源的再利用。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：
一种黄磷渣基多孔陶瓷材料的制备方法包括如下步骤：
(1)配料：按照重量组份计算，取黄磷废渣30～65份、粘土页岩25～40份、成孔剂15～20份和粘合剂0.5～1.2份混合均匀制得配料；
(2)将混合均匀的配料在105℃条件下干燥30分钟得坯体；
(3)将坯体压制成型；
(4)将压制成型的坯体在1000～1140℃烧结60分钟，并在1000～1140℃条件下保温210分钟，然后随炉冷却至室温即得多孔陶瓷材料。
上述黄磷渣基多孔陶瓷材料的制备方法，步骤(3)中压制成型时所受到的压力为10～20KN，最佳成型压力为13～15KN，并在此压力下保持20～30分钟。对坯体进行压制成型时，可以采用单向模压成型法。
前述黄磷渣基多孔陶瓷材料的制备方法，所述成孔剂为木炭粉。在本发明中，可以根据实际需要调整成孔剂的用量，随着成孔剂含量的提高，气孔率增加，但同时强度和体积密度均有所降低。
前述黄磷渣基多孔陶瓷材料的制备方法，所述木炭粉的粒度为180μm。
前述黄磷渣基多孔陶瓷材料的制备方法，步骤(1)中所述粘合剂为水玻璃，使用时，先将水玻璃溶解在其10倍量的水中再与其它配料混合均匀。
前述黄磷渣基多孔陶瓷材料的制备方法，步骤(1)中的黄磷废渣和粘土页岩粉碎至粒度为75～96μm。
为了获得最佳的发明效果，在查明黄磷废渣、粘土页岩的化学成分、矿物成分的基础上，通过试验对多孔陶瓷配方、成孔剂用量进行了优化选择。通过制备坯体的试验，得到最佳制备工艺，同时确定粘结剂的类型及用量。在1000-1160℃条件下烧制成多孔陶瓷，进行各种参数测试，得到合格产品的各基本数据。
实验例一
1、实验配方：按照重量组份计算，取黄磷废渣55Kg、粘土页岩25Kg粉碎至80μm，取1Kg水玻璃溶解在10Kg水中，加入一定量的木炭粉作为成孔剂，各实验配方的木炭粉用量见表A。
表A：实验配方的组成(wt％)
实验号 骨料(％) 木炭粉(％)
1# 90 10
2# 85 15
3# 81 19
4# 74 26
5# 69 31
注：骨料组成：黄磷废渣、粘土页岩、粘合剂。
2、成孔剂用量实验
将木炭粉和骨料按照表A的配方混合均匀后，在105℃干燥30分钟得坯体，然后将坯体压制成型，压制成型时坯体所受到的压力是15KN，压制成型后在1120℃烧结60分钟，并在1120℃条件下保温210分钟，然后随炉冷却至室温即得多孔陶瓷材料。对各种不同配方的陶瓷材料进行各种性能检测，结果见表B。从表B可以看出，当成孔剂木炭粉的用量为15～20％时，多孔陶瓷材料的各项性能都比较好。
表B：成孔剂不同含量下制品的各项性能
实验号 1# 2# 3# 4# 5#
气孔率(％) 29.34 32.10 36.74 40.21 46.78
吸水率(％) 21.43 25.61 27.31 29.14 32.17
体积密度(g/cm3) 1.74 1.52 1.43 1.29 1.15
抗压强度(Mpa) 9.86 6.53 5.00 4.08 3.27
3、粘结剂的种类及用量
因为本发明中所用的原料都要经过粉碎，而粉料的塑性较差，为了提高成型性能，粉料中加入粘合剂，实验采用单向模压成型法(半干压法)。
在实验中，选用了两种粘合剂：一种是有机的聚乙烯醇溶液(在实验室用固体聚乙烯醇制备)，一种是无机的水玻璃。实验中发现，聚乙烯醇的缺点是在多孔陶瓷的烧成过程中需排放聚乙烯醇产生的气体，从而使烧成时间变长，烧成程序更复杂。所以最终选用水玻璃做粘合剂。当水玻璃的加入量为原料干重的0.8％时效果最好。先将水玻璃加入到10倍量的水中，混匀后再加入配料。
4、成型压力：
在本实验中，加压方式采用单面加压，因为粉料的塑性较差，为了提高成型性能，粉料加入粘合剂，实验采用单向模压成型法(半干压法)。而素坯的密度与成型压力成正相关系，压力太小则不能有效地排除空气，压力太大则容易分层和妨碍制品气孔率。因此，成型的压力要适中。所以实验成型压力采用10～20KN，最佳成型压力为13-15KN，保压时间20～30min，将制备好的坯体称取适量放入模具中压制而成。
5、烧成温度试验
以3#配方进行烧成温度的研究，从表C可以看出，当烧成温度在1000～1140℃时所烧出的多孔陶瓷性能可以满足要求。
表C不同温度下制品的各项性能
Figure GDA0000045395090000041
注：其中有摚瓟符号表示该制品的强度较低而此性能没有测试温度。
6、保温时间实验
当对压制成型的陶瓷制品进行烧结后，不同保温时间对制品各项性能的影响见表D，可以看出当保温时间为210分钟时多孔陶瓷的性能最好。
表D不同保温时间制品的各项性能
保温时间(min) 90 120 150 180 210
气孔率(％) 51.46 46.81 40.38 36.74 30.75
吸水率(％) 39.28 35.03 31.27 27.31 25.33
体积密度(g/cm3) 1.19 1.40 1.42 1.43 1.89
抗压强度(MPa) 1.29 2.87 4.76 5.00 5.34
结论：通过以上试验，可以得出成孔剂用量为15～20％、烧成温度为1000～1140℃、成型压力为10～20KN、保温时间210min等工艺参数。对样品进行了力学等性能测试，其抗压强度为4.11～5.00MPa，获得了符合多孔陶瓷产品基本参数的工艺参数。
实验例二
1、对样品的抗酸性能进行了检测，进行了磷酸浸泡实验。采用国家标准工业用浓度为85％的磷酸，pH值为4，浸泡时间为30min。通过样品浸泡前后重量不变可以得出样品的磷酸不溶解性能良好，可以作为良好的磷酸过滤材料。
2、本发明黄磷渣多孔陶瓷(由黄磷废渣50Kg、粘土页岩30Kg成孔剂19Kg和粘合剂0.8Kg制备而成)与高岭土多孔陶瓷(张芳，用累托石制备多孔陶瓷的研究，硕士论文(2002.7)。成孔剂含量16.7％)的各项性能比较：
产品 气孔率(％) 吸水率(％) 体积密度(％)
黄磷渣多孔陶瓷 36.74 27.31 1.43
高岭土多孔陶瓷 45.79 31.21 1.47
可以看出，除了气孔率之外，其它的两项性能相接近，这说明可以用黄磷废渣来代替部分传统陶瓷原料来制备多孔陶瓷，以降低多孔陶瓷的生产成本。
由于采用了如上的技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
(1)本发明生产成本低廉。本发明所用的原料为黄磷生产过程中产生的废渣和粘土页岩固体废弃物，在降低生产成本的同时实现了资源的再利用，对于开展循环经济和环境保护有重要意义，具有很好的推广作用。
(2)本发明的产品性能优良。使用该方法生产的多孔陶瓷的气孔率为29.03-51.46％，吸水率达20.02-39.28％，体积密度为1.15-1.89g/cm3，抗压强度2.07-9.86Mpa，抗压性能良好。
(3)黄磷废渣在成瓷中还有许多优良的工艺性能：增加制品的强度、降低烧成温度、缩短烧成时间、减小坯体收缩，黄磷废渣多孔陶瓷比传统上生产陶瓷坯体所用粘土的量少，有利于压制成型时的排气，不易产生叠层。
具体实施方法
实施例1：
(1)配料：取黄磷废渣50Kg、粘土页岩30Kg碾磨至粒度为80μm，取木炭粉19Kg粉碎至180μm，取水玻璃0.8Kg溶解在8Kg水中，然后将黄磷废渣、粘土页岩、木炭粉与水玻璃溶液混合均匀；
(2)将混合均匀的配料在105℃条件下干燥30分钟得坯体；
(3)将干燥好的坯体采用单向模压成型法在15KN的压力下压制成型，并在15KN的压力下保持25分钟；
(4)将压制成型的坯体在1140℃烧结60分钟，并保温210分钟，然后随炉冷却至室温即得多孔陶瓷材料。
实施例2：
(1)配料：取黄磷废渣30Kg、粘土页岩40Kg碾磨至粒度为75μm，取木炭粉15Kg粉碎至180μm，取水玻璃1.2Kg溶解在12Kg水中，然后将黄磷废渣、粘土页岩、木炭粉与水玻璃溶液混合均匀；
(2)将混合均匀的配料在105℃条件下干燥30分钟得坯体；
(3)将干燥好的坯体采用单向模压成型法在10KN的压力下压制成型，并在10KN的压力下保持20分钟；
(4)将压制成型的坯体在1120℃烧结60分钟，并保温210分钟，然后随炉冷却至室温即得多孔陶瓷材料。
实施例3：
(1)配料：取黄磷废渣65Kg、粘土页岩25Kg碾磨至粒度为96μm，取木炭粉20Kg粉碎至180μm，取水玻璃0.5Kg溶解在5Kg水中，然后将黄磷废渣、粘土页岩、木炭粉与水玻璃溶液混合均匀；
(2)将混合均匀的配料在105℃条件下干燥30分钟得坯体；
(3)将干燥好的坯体采用单向模压成型法在20KN的压力下压制成型，并在20KN的压力下保持30分钟；
(4)将压制成型的坯体在1000℃烧结60分钟，并保温210分钟，然后随炉冷却至室温即得多孔陶瓷材料。

Claims (6)

1.一种黄磷渣多孔陶瓷材料的制备方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
(1)配料：按照重量组份计算，取黄磷渣30～65份、粘土页岩25～40份、成孔剂15～20份和粘合剂0.5～1.2份混合均匀制得配料；
(2)将混合均匀的配料在105℃条件下干燥30分钟得坯体；
(3)将坯体压制成型；
(4)将压制成型的坯体在1000～1140℃烧结60分钟，并在1000～1140℃条件下保温210分钟，然后随炉冷却至室温即得多孔陶瓷材料；
所述成孔剂为木炭粉；
步骤(1)中所述粘合剂为水玻璃，先将水玻璃溶解在水中再与其它配料混匀。
2.如权利要求1所述黄磷渣多孔陶瓷材料的制备方法，其特征在于：步骤(3)中压制成型时所用的压力为10～20KN，在此压力下保持20～30分钟。
3.如权利要求1所述黄磷渣多孔陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述木炭粉的粒度为180μm。
4.如权利要求1所述黄磷渣多孔陶瓷材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中的黄磷渣和粘土页岩粉碎至粒度为75～96μm。
5.如权利要求2所述黄磷渣多孔陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述压力为13～15KN。
6.如权利要求1所述黄磷渣多孔陶瓷材料的制备方法，其特征在于：步骤(3)中采用单向模压成型法将坯体压制成型。
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