CN101531526B - 用煤矸石与废弃耐火材料合成多孔堇青石陶瓷材料的方法 - Google Patents

用煤矸石与废弃耐火材料合成多孔堇青石陶瓷材料的方法 Download PDF

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Abstract

一种用煤矸石与废弃耐火材料合成多孔堇青石陶瓷材料的方法，属于无机非金属材料的合成技术领域。本发明是以煤矸石与废弃耐火材料(镁碳砖、滑板砖)以及木屑造孔剂作为原料，按照质量比煤矸石45～75％、用后镁碳砖8～13％、用后滑板砖8～13％、木屑5～40％进行混合，经球磨、烘干、成型后在空气气氛中，1320℃～1420℃温度下保温2-6h，得到合成烧结坯。本发明合成的堇青石多孔陶瓷材料显气孔率达到36％以上，体积密度达到1.30g/cm3，抗折强度达到9MPa，不仅解决了固体废弃物大量堆积对环境的污染，而且合成的堇青石多孔陶瓷材料可以作为保温材料应用于工业生产，节约了生产成本。

Description

用煤矸石与废弃耐火材料合成多孔堇青石陶瓷材料的方法
技术领域
本发明涉及无机非金属材料的合成技术领域，特别是用煤矸石和废弃耐火材料常压合成堇青石多孔陶瓷材料的方法。
背景技术
堇青石的化学式为2MgO·2Al2O3·5SiO2，理论化学组成为：MgO 13.7％，Al2O334.9％，SiO251.4％；其熔点为1460℃。堇青石具有良好的抗热冲击性能，良好的吸附性能以及一定的机械强度而得到广泛的应用，它与各种催化剂活性组分的匹配良好，以及孔壁薄、几何表面积大、热膨胀系数小和耐热冲击性好等特点。广泛应用于汽车尾气的催化净化器载体，化学工业中的催化剂载体、冶金工业及涡轮发动机的热交换器和金属液过滤器、采矿业的有毒气体和液体的净化处理及窑炉的隔热材料等。
多孔陶瓷是一种含有较多孔隙的无机功能材料，在化工、冶金、运输等领域有着广泛的应用前景。多孔陶瓷材料由于其独特的多孔结构而具有热导率低、体积密度小、比表面积高，以及独特物理和化学性能的表面结构等优点，加之陶瓷材料本身特有的耐高温、化学稳定性好、强度高等特点，目前其应用已遍及环保、节能、化工、石油、冶炼、食品、制药、生物医学等多个科学领域，引起了全球材料学科的高度关注。
国内外合成堇青石多孔陶瓷的研究已见报道，如彭超利用累托石合成了堇青石，对合成工艺进行了研究(彭超.利用累托石合成堇青石的研究：[硕士学位论文].武汉：武汉理工大学，2003)，薛群虎等人用叶腊石合成堇青石的工艺进行了研究(薛群虎，刘民生等.叶蜡石合成堇青石工艺研究[J].耐火材料，1999，33(5)：265～267)。但是完全利用固体废弃物低成本合成高性能的堇青石多孔陶瓷材料的研究还未见报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种完全利用固体废弃物(煤矸石、用后镁碳砖、用后滑板砖)以及木屑作为造孔剂合成多孔堇青石陶瓷的简单方法。制备用的原材料为煤矸石和废弃耐火材料，储量都很充足，烧结合成反应后生成纯度较高的堇青石多孔陶瓷材料，并且可以降低生产成本。
本发明用煤矸石、废弃耐火材料和木屑为原料，木屑为造孔剂，工艺步骤为：
(1)原料准备：将固体废弃物煤矸石、用后镁碳砖、用后滑板砖经过磨碎制成细粉，并通过325目的筛。
其中，煤矸石中C占10％～20％，Al2O3占15％～25％，SiO2占50％～60％，MgO占0.5％～3％，其余为少量的含铁、钙的氧化物；用后镁碳砖中Al2O3占3％～10％，SiO2占2％～10％，MgO占70％～80％，其余为少量的含铁、钙、钾、钛的氧化物；用后滑板砖中Al2O3占85％～95％，SiO2占2％～5％，其余为少量的含镁、铁、钙、钾、钛、钠的氧化物：造孔剂木屑。
(2)混合：将原料按照质量比煤矸石45～75％、用后镁碳砖8～13％、用后滑板砖8～13％、木屑5～40％进行混合，利用无水乙醇(质量百分含量≥99.7％)或水稀释，直径为1cm的玛瑙球(布满罐底)作为球磨介质，将稀释的原料和玛瑙球放入尼龙罐中密封后，在行星式球磨机中球磨，研磨至粒径小于5um。
(3)烘干：将混合好的原料放入干燥箱内干燥。
(4)成型：将干燥的原料添加少量的聚乙烯醇粘结剂(0.5mL/10g)，在40MPa的压力下机压成型。
(5)高温烧结：在空气气氛中，温度为1320℃～1420℃，保温时间为2-6h的条件下烧结样坯。
(6)冷却：在空气中自然冷却。
本发明的优点在于：用煤矸石、废弃耐火材料、木屑合成堇青石多孔陶瓷材料，制备的原料为煤矿开采中的固体废弃物煤矸石和钢铁生产中产生的废弃耐火材料以及木器厂的木屑，三者储量都相当的丰富，合成的堇青石多孔陶瓷材料显气孔率达到36％以上，体积密度达到1.30g/cm3，抗折强度达到9MPa，不仅解决了固体废弃物大量堆积对环境的污染，而且合成的堇青石多孔陶瓷材料可以作为保温材料应用于工业生产，节约了生产成本。
附图说明
图1是煤矸石和用后耐火材料合成的堇青石多孔陶瓷材料(造孔剂10％)的XRD图。
图2是煤矸石和用后耐火材料合成的堇青石多孔陶瓷材料(造孔剂20％)的XRD图。
图3是煤矸石和用后耐火材料合成的堇青石多孔陶瓷材料(造孔剂30％)的XRD图。
图4是煤矸石和用后耐火材料合成的堇青石多孔陶瓷材料(造孔剂10％)断口的SEM照片。
图5是煤矸石和用后耐火材料合成的堇青石多孔陶瓷材料(造孔剂20％)断口的SEM照片。
图6是煤矸石和用后耐火材料合成的堇青石多孔陶瓷材料(造孔剂30％)断口的SEM照片。
具体实施方式
(1)按表1准备原料，经过磨碎制成细粉，并通过325目的筛。
(2)混合原料，利用无水乙醇(质量百分含量≥99.7％)或水稀释，直径为1cm的玛瑙球(布满罐底)作为球磨介质，将稀释的原料和玛瑙球放入尼龙罐中密封后，在行星式球磨机中球磨6h，研磨至粒径小于5um。
(3)烘干：将混合好的原料放入干燥箱内100℃、5h干燥。
(4)成型：将干燥的原料添加少量的聚乙烯醇粘结剂(0.5mL/10g)，在40MPa的压力下机压成型。
(5)高温烧结：在空气气氛中，温度为1320℃～1420℃，保温时间为2-6h的条件下烧结样坯。
(6)冷却：在空气中自然冷却。
表1合成堇青石多孔陶瓷材料的原料配比和合成条件
实施例   煤矸石(mass％)   用后镁碳砖(mass％)   用后滑板砖(mass％)   木屑(mass％)   合成条件(空气气氛)
  1   70.21   12.83   11.97   5   1320℃温度下保温3h
  2   66.51   12.15   11.34   10   1350℃温度下保温3h
  3   66.51   12.15   11.34   10   1350℃温度下保温6h
  4   62.82   11.48   10.71   15   1380℃温度下保温3h
  5   59.12   10.8   10.08   20   1360℃温度下保温3h
  6   59.12   10.8   10.08   20   1350℃温度下保温2h
  7   55.43   10.13   9.45   25   1400℃温度下保温3h
  8   51.73   9.45   8.82   30   1350℃温度下保温3h
对实施例2合成试样进行X射线衍射分析，结果如图1所示。可以看出利用煤矸石、镁碳砖、滑板砖、木屑常压合成了堇青石材料，显气孔率为36.25％，抗折强度为29.88MPa。对合成试样2进行SEM断口扫描分析，结果如图4所示，可以看出合成的多孔堇青石材料含量较多的贯通气孔，且分布较均匀。
对实施例5合成试样进行X射线衍射分析，结果如图2所示。可以看出利用煤矸石、镁碳砖、滑板砖、木屑常压合成了堇青石材料，显气孔率为48.5％，抗折强度为15.3MPa。对合成试样5进行SEM断口扫描分析，结果如图5所示，可以看出合成的多孔堇青石材料含量大量的贯通气孔，且分布均匀。
对实施例8合成试样进行X射线衍射分析，结果如图3所示。可以看出利用煤矸石、镁碳砖、滑板砖、木屑常压合成了堇青石材料，显气孔率为53.09％，抗折强度为9.7MPa。对合成试样8进行SEM断口扫描分析，结果如图6所示，可以看出合成的多孔堇青石材料含量大量的贯通气孔。

Claims (2)

1.一种用煤矸石与废弃耐火材料合成多孔堇青石陶瓷材料的方法，以煤矸石、用后镁碳砖、用后滑板砖为原料，木屑为造孔剂制备多孔堇青石陶瓷材料，其特征在于，将原料按照质量比煤矸石45～75％、用后镁碳砖8～13％、用后滑板砖8～13％、木屑5～40％进行混合，各原料百分比之和为100％，经球磨、烘干、成型后在空气气氛中，1320℃～1420℃温度下保温2-6h，得到合成烧结坯。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述球磨是先利用无水乙醇或水稀释原料，将直径为1cm的玛瑙球作为球磨介质，与稀释的原料一起放入尼龙罐中密封，再在行星式球磨机中球磨至粒径小于5um。
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