CN102617038B

CN102617038B - 一种以钾长石矿为原料直接烧结制备微晶玻璃的方法

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Publication number: CN102617038B
Application number: CN2012100835295A
Authority: CN
Inventors: 李珍; 吴剑芳; 李飞; 黄焱球; 胡宏杰; 郝小非
Original assignee: China University of Geosciences
Current assignee: China University of Geosciences
Priority date: 2012-03-27
Filing date: 2012-03-27
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2032-03-27
Also published as: CN102617038A

Abstract

本发明提供了一种以钾长石矿为原料直接烧结制备微晶玻璃的方法，其特征在于：它包括以下步骤：（1）制备钾长石粉；（2）压制成型；（3）热处理：将坯体放入高温炉中升温至1150～1300°C，升温速率为2～5℃/分钟；保温2～6小时；再降温到500～700℃，降温速率为3℃/分钟；最后随炉冷却，得到微晶玻璃。本发明将钾长石原矿粉碎后直接烧结法制备微晶玻璃，无需提纯，无尾矿，提高了钾长石矿的利用率，以不同品位的钾长石矿制备得到不同性能的微晶玻璃，满足不同的使用要求；热处理温度低，能耗小，同时简化工艺，有利于连续化生产。

Description

一种以钾长石矿为原料直接烧结制备微晶玻璃的方法

技术领域

本发明涉及一种微晶玻璃的制备方法，具体涉及一种以钾长石矿为原料直接烧结制备微晶玻璃的方法。

背景技术

目前，微晶玻璃的制备方法主要有熔融法、烧结法和溶胶-凝胶法。熔融法是将加入一定量晶核剂的玻璃原料充分混合均匀，然后在1400-1600℃高温下熔制，待玻璃液澄清均化后进行成形、退火，最后将退火后的制品在一定温度下进行核化和晶化处理，而获得晶粒细小且结构均匀的微晶玻璃的方法。熔融法的熔制温度、晶化温度高，时间长，增大了能耗，而且热处理制度在实际生产中也难以实现。烧结法是先将原料熔制为玻璃，水淬后制成所需粒度的玻璃粉末，然后将玻璃粉末成型并在玻璃的软化温度至熔融温度之间进行核化和晶化，而制备得到微晶玻璃的方法。熔融法主要适用于CAS和MAS系统微晶玻璃的制备。烧结法主要的缺点是制品中有不同数量的气孔存在，致密度较差，同时二次成型使工艺过程变得复杂，不利于连续化生产。溶胶-凝胶法是将金属有机或无机化合物作为先驱体，经过水解形成凝胶，再在较低温度下烧结，得到微晶玻璃的方法。溶胶-凝胶法的温度最低，但长时间的热处理也增加了能耗，而且收缩较大，产品易变形。而2010年，新疆喀什师范大学的张伟等在新疆大学学报（自然科学版）公开了一种以高炉渣为原料，直接烧结法制备微晶玻璃的方法，这种方法与传统微晶玻璃生产工艺相比，具有工艺简单，节约能耗的优势，同时所制备的微晶玻璃的抗折强度达到72MPa，满足实际的应用要求。而采用钾长石矿为原料直接烧结制备微晶玻璃的方法鲜见报道。

我国钾长石资源虽然储量较丰富，但逐年增长的钾长石需求，使其面临严重短缺的局面。而且，我国优质钾长石矿少，钾长石与石英均匀紧密镶嵌形成文象结构，按传统的钾长石利用的方法必须进行原矿的提纯，这样就会产生大量的尾矿，降低钾长石矿的利用率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种以钾长石矿为原料直接烧结制备微晶玻璃的方法，制备高抗折强度的微晶玻璃，钾长石矿的利用率高，能够克服现有微晶玻璃制备工艺过程复杂及制备温度高的缺点，有效简化微晶玻璃生产工艺。

为解决本发明所提出的技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种以钾长石矿为原料直接烧结制备微晶玻璃的方法，其特征在于，它包括以下步骤：（1）以钾长石矿为原料，制备钾长石粉；（2）压制成型；（3）热处理：将坯体放入高温炉中升温至1150～1300℃，升温速率为2～5℃/分钟；保温2-6小时；再降温到500～700℃，降温速率为3℃/分钟；最后随炉冷却，得到微晶玻璃。

按上述方案，所述步骤（1）制备钾长石粉是将钾长石矿先经过破碎，再采用振动磨样机粉碎至200目以下，得到钾长石粉。

按上述方案，所述步骤（2）压制成型是按照每克钾长石粉选取质量分数为5%的聚乙烯醇溶液0.03～0.1mL的比例，将钾长石粉和聚乙烯醇溶液研磨混合均匀，在20～30MPa压力下保压1～4分钟，得到坯体。

按上述方案，所述步骤（3）热处理是将坯体放入高温炉中升温至1150～1250°C，升温速率为3℃/分钟；保温2～6小时；再降温到600℃，降温速率为3℃/分钟；最后随炉冷却，得到产品微晶玻璃。

按上述方案，所述的钾长石矿，按照重量百分比计，主要化学成分为SiO₂ 60%～70%，Al₂O₃ 15%～20%， K₂O 8.5%～15%， Na₂O 1%～4.9%， Fe₂O₃ 0.1%～0.5%。

钾长石的熔点为1150±20°C，在1150～1250°C温度条件下，钾长石颗粒迅速熔融，在颗粒表面产生液相，这部分液相具有牛顿性液体流动的性质。在高出钾长石熔点的条件下，钾长石熔体的粘滞流动可分为两个阶段：第一阶段，钾长石颗粒在高温下形成粘滞流体，相邻颗粒中心互相逼近，增加接触面积、接着发生颗粒间的粘合作用而形成一些封闭气孔；第二阶段，气孔在液相的包围压力作用下，由于粘滞流动而致密化。因此，这样的烧结过程有利于提高所制备微晶玻璃的致密程度，相应的提升强度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：（1）本发明将钾长石原矿粉碎后直接烧结法制备微晶玻璃，无需提纯，无尾矿，提高了钾长石矿的利用率；（2）本发明以不同品位的钾长石矿制备得到不同性能的微晶玻璃；（3）本发明在满足微晶玻璃对强度要求的同时，微晶玻璃制备的温度低，能耗小，同时简化工艺，促进连续化生产。

附图说明

图1为实施例1所制备的微晶玻璃的X射线衍射图谱。

图2为实施例2所制备的微晶玻璃的X射线衍射图谱。

图3为实施例3所制备的微晶玻璃的X射线衍射图谱。

图4为实施例4所制备的微晶玻璃的X射线衍射图谱。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

原料钾长石矿选自河南钾长石矿和内蒙古钾长石矿，按照重量百分比计，河南的钾长石矿主要化学成分为SiO₂65～70%， Al₂O₃15～20%， K₂O 8.5～13%， Na₂O 2.5～4.9%，Fe₂O₃ 0.1～0.5%；内蒙古的钾长石矿主要化学成分为SiO₂60～65%，Al₂O₃17～20%，K₂O 12～15%，Na₂O 1～2.5%，Fe₂O₃ 0.3～0.5%。只要原料的主要化学成分按照重量百分比计满足SiO₂ 60%～70%，Al₂O₃ 15%～20%，K₂O 8.5%～15%，Na₂O 1%～4.9%，Fe₂O₃ 0.1%～0.5%均可以用于本技术方案。

下述实施例中所述的耐酸性是指将微晶玻璃在1%（体积分数）H₂SO₄溶液中浸泡650h的质量损失百分数；耐碱性是指将微晶玻璃在1%（质量分数）NaOH溶液中浸泡650h的质量损失百分数，因此耐酸性和耐碱性的数值越低，表示微晶玻璃的耐酸和耐碱的效果越好。

实施例1：

本实施例以河南钾长石矿为原料。

一种以钾长石矿为原料直接烧结制备微晶玻璃的方法，包括以下步骤：（1）制备钾长石粉：将满足以上组分要求的钾长石矿先经过破碎，再采用振动磨样机粉碎至200目以下，得到钾长石粉；（2）压制成型：将10g钾长石粉与0.5mL质量分数为5wt%的聚乙烯醇溶液研磨混合均匀，在30MPa压力下保压4分钟，得到坯体；（3）热处理：将坯体放入高温炉中升温至1150℃，升温速率为2℃/分钟；保温6小时；再降温到500℃，降温速率为3℃/分钟；最后随炉冷却，得到微晶玻璃。

图1为实施例1所制备的微晶玻璃的X射线衍射图谱。图中的峰值对应于钾长石的特征峰，证明微晶玻璃主晶相为钾长石相，而X射线衍射图谱中的散射对应于样品中的非晶相，说明按照本技术方案制备得到了微晶玻璃。

该微晶玻璃密度为2.304g/cm²，耐酸性为0.043%，耐碱性0.062%，抗折强度为23.48MPa，耐酸碱性及抗折强度均优于大理石（耐酸性10.3%，耐碱性0.03%，抗折强度约16.5MPa）和花岗岩（耐酸性1%，耐碱性0.1%，抗折强度约14.7MPa）等建筑材料。

实施例2：

本实施例以河南钾长石矿为原料。

一种以钾长石矿为原料直接烧结制备微晶玻璃的方法，包括以下步骤：（1）制备钾长石粉：将满足以上组分要求的钾长石矿先经过破碎，再采用振动磨样机粉碎至200目以下，得到钾长石粉；（2）压制成型：将12g钾长石粉与0.6mL质量分数为5wt%的聚乙烯醇溶液研磨混合均匀，在20MPa压力下保压2分钟，得到坯体；（3）热处理：将坯体放入高温炉中升温至1200℃，升温速率为5℃/分钟；保温2小时；再降温到700℃，降温速率为3℃/分钟；最后随炉冷却，得到微晶玻璃。

图2为实施例2所制备的微晶玻璃的X射线衍射图谱。图中的峰值对应于钾长石的特征峰，证明微晶玻璃主晶相为钾长石相，而X射线衍射图谱中的散射对应于样品中的非晶相，说明按照本技术方案制备得到了微晶玻璃。

该微晶玻璃密度为2.292g/cm2，耐酸性为0.17%，耐碱性0%，抗折强度为26.11MPa，耐酸碱性及抗折强度均优于大理石（耐酸性10.3%，耐碱性0.03%，抗折强度约16.5MPa）和花岗岩（耐酸性1%，耐碱性0.1%，抗折强度约14.7MPa）等建筑材料。

实施例3：

本实施例以内蒙古钾长石矿为原料。

一种以钾长石矿为原料直接烧结制备微晶玻璃的方法，包括以下步骤：（1）制备钾长石粉：将满足以上组分要求的钾长石矿先经过破碎，再采用振动磨样机粉碎至200目以下，得到钾长石粉；（2）压制成型：将15g钾长石粉与1mL质量分数为5wt%的聚乙烯醇溶液研磨混合均匀，在20MPa压力下保压2分钟，得到坯体；（3）热处理：将坯体放入高温炉中升温至1250℃，升温速率为4℃/分钟；保温5小时；再降温到650℃，降温速率为3℃/分钟；最后随炉冷却，得到微晶玻璃。

图3为实施例3所制备的微晶玻璃的X射线衍射图谱。图中的峰值对应于钾长石的特征峰，证明微晶玻璃主晶相为钾长石相，而X射线衍射图谱中的散射对应于样品中的非晶相，说明按照本技术方案制备得到了微晶玻璃。

该微晶玻璃密度为2.239g/cm2，耐酸性为0.087%，耐碱性0.06%，抗折强度为29.11MPa，耐酸碱性及抗折强度均优于大理石（耐酸性10.3%，耐碱性0.03%，抗折强度约16.5MPa）和花岗岩（耐酸性1%，耐碱性0.1%，抗折强度约14.7MPa）建筑材料。

实施例4：

本实施例以内蒙古钾长石矿为原料。

一种以钾长石矿为原料直接烧结制备微晶玻璃的方法，包括以下步骤：（1）制备钾长石粉：将满足以上组分要求的钾长石矿先经过破碎，再采用振动磨样机粉碎至200目以下，得到钾长石粉；（2）压制成型：将15g钾长石粉与1mL质量分数为5wt%的聚乙烯醇溶液研磨混合均匀，在30MPa压力下保压1分钟，得到坯体；（3）热处理：将坯体放入高温炉中升温至1300℃，升温速率为4℃/分钟；保温4小时；再降温到600℃，降温速率为3℃/分钟；最后随炉冷却，得到微晶玻璃。

图4为实施例4所制备的微晶玻璃的X射线衍射图谱。图中的峰值对应于钾长石的特征峰，证明微晶玻璃主晶相为钾长石相，而X射线衍射图谱中的散射对应于样品中的非晶相，说明按照本技术方案制备得到了微晶玻璃。

该微晶玻璃密度为2.237g/cm2，耐酸性为0.13%，耐碱性0.045%，抗折强度为29.58MPa，耐酸碱性及抗折强度均优于大理石（耐酸性10.3%，耐碱性0.03%，抗折强度约16.5MPa）和花岗岩（耐酸性1%，耐碱性0.1%，抗折强度约14.7MPa）建筑材料。

本发明制备的微晶玻璃属于K₂O-Al₂O₃-SiO₂和KAlSi₃O₈-SiO₂系统微晶玻璃。按照本发明所制备得到的微晶玻璃密度为2.237～2.304g/cm2，耐酸性为0.043～0.137%，耐碱性0～0.062%，抗折强度为23.48～29.58MPa。耐酸碱性及抗折强度均优于大理石（耐酸性10.3%，耐碱性0.03%，抗折强度约16.5MPa）和花岗岩（耐酸性1%，耐碱性0.1%，抗折强度约14.7MPa）等建筑材料。

本发明所列举的各原料，以及本发明各原料的上下限、区间取值，以及工艺参数（如温度、时间等）的上下限、区间取值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。

Claims

1.一种以钾长石矿为原料直接烧结制备微晶玻璃的方法，其特征在于，它包括以下步骤：（1）以钾长石矿为原料，制备钾长石粉；（2）压制成型；（3）热处理：将坯体放入高温炉中升温至1150～1300°C，升温速率为2～5℃/分钟；保温2～6小时；再降温到500～700℃，降温速率为3℃/分钟；最后随炉冷却，得到微晶玻璃；

所述步骤（2）压制成型是按照每克钾长石粉选取质量分数为5wt%的聚乙烯醇溶液0.03～0.1mL的比例，将钾长石粉和聚乙烯醇溶液研磨混合均匀，在20～30MPa压力下保压1～4分钟，得到坯体。

2.根据权利要求1所述的一种以钾长石矿为原料直接烧结制备微晶玻璃的方法，其特征在于，所述步骤（1）制备钾长石粉是将钾长石矿先经过破碎，再采用振动磨样机粉碎至200目以下，得到钾长石粉。

3.根据权利要求1所述的一种以钾长石矿为原料直接烧结制备微晶玻璃的方法，其特征在于，所述步骤（3）热处理是将坯体放入高温炉中升温至1150～1250°C，升温速率为3℃/分钟；保温2～6小时；再降温到600℃，降温速率为3℃/分钟；最后随炉冷却，得到微晶玻璃。

4.根据权利要求1所述的一种以钾长石矿为原料直接烧结制备微晶玻璃的方法，其特征在于，所述的钾长石矿，按照重量百分比计，主要化学成分为SiO₂60%～70%，Al₂O₃ 15%～20%， K₂O 8.5%～15%， Na₂O 1%～4.9%， Fe₂O₃ 0.1%～0.5%。