CN107043274A - 一种以大掺量、低成本、高性能多孔陶瓷的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种大掺量、低成本、高性能多孔陶瓷的制备方法。本方法包括如下步骤：S1、以煤矸石和粉煤灰为原料，原料中煤矸石的质量分数为70～80％，粉煤灰的质量分数为20～30％；向原料中加入烧结助剂和造孔剂，烧结助剂和造孔剂的加入质量分别占原料质量的5％和5～15％，得到混合原料；S2、向混合原料中加入粘结剂得到总混料，将总混料压制成型；S3、将总混料烧制而成陶瓷。本发明制备得到的多孔陶瓷显气孔率达到29.38～44.08％，体积密度达到1.41～1.76g/cm3，抗压强度达到18.11～60.65MPa，可以广泛地应用于保温、隔音、透水材料。本发明有效地解决了矿业固体废弃物的大量堆积而对环境产生的污染，而且使资源更充分利用，具有良好社会、经济、环境效益。

Description

一种以大掺量、低成本、高性能多孔陶瓷的制备方法
技术领域
本发明涉及无机非金属材料科学多孔陶瓷领域，具体涉及一种大掺量、低成本、高性能多孔陶瓷的制备方法。
背景技术
煤矸石是煤层中或煤层周围伴生可燃物质的岩石，是采煤和洗煤过程中所排除的工业固体废弃物。从化学成分上看，煤矸石一般以硅、铝氧化物为主要成分，其中SiO2含量约为50-60wt％，Al2O3含量可高达30wt％,另外含有Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O等成分，同时还含有一定量的有机质，含有碳、氢、氧、氮和硫等元素。煤矸石是我国排放量最大的工业固体废弃物之一，其不仅压占土地，影响生态环境，矸石淋溶水也污染周围土壤和地下水，因此必须加强煤矸石的综合利用。
多孔陶瓷是一种新型功能陶瓷材料，它不仅具有普通陶瓷的耐高温、耐腐蚀、化学稳定性好和尺寸稳定性好等性能，同时还具有气孔率高、体积密度小、比表面积大等独特的物理表面特性，对液体和气体介质有选择的透过性、能量吸收等特性，而被广泛应用于冶金、石油、节能、化工、环保、生物医学、食品、制药、舰船、航空航天等领域。
目前相关文献中对利用煤矸石为原料制备多孔陶瓷的研究已有相关报道，例如中国专利文献CN103553705A公开了一种煤矸石制备堇青石质多孔陶瓷的方法，用煤矸石、滑石、氧化铝和氧化镁为原料，加入活性炭作为造孔剂制备堇青石质多孔陶瓷；中国专利文献CN104016698A公开的方法是以煤矸石、石英、粘土、铝矾土、炭黑为原料制备多孔陶瓷；中国专利文献CN105130489A公开了一种利用煤矸石制备多孔陶瓷的方法，用酸浸的煤矸石粉和一些添加剂(提供一些油相，水性的添加剂)，如油性主液相是石蜡油、石蜡、辛醇、邻苯二甲酸二异壬酯中的一种，而水性溶液是水、蔗糖溶液、甘油、硅酸钠溶液、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇等。按上述方法存在如下缺点：(1)煤矸石在原料配比中的使用量低；(2)原料中有较多的工业原料，例如炭黑成本较高；(3)工艺流程复杂，生产周期长；(4)产生废酸液，污染环境。
发明内容
为了解决上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种以大掺量、低成本、高性能多孔陶瓷的制备方法。本方法利用煤矸石和粉煤灰为主要原料合成多孔陶瓷，不仅可以降低多孔陶瓷的原料成本，还可以提高煤矸石和粉煤灰的综合利用，减少环境污染。
为了实现本发明的目的，本发明采用了以下技术方案：
一种大掺量、低成本、高性能多孔陶瓷的制备方法，其包括如下步骤：
S1、以煤矸石和粉煤灰为原料，原料中煤矸石的质量分数为70～80％，粉煤灰的质量分数为20～30％；向原料中加入烧结助剂和造孔剂，烧结助剂的加入质量占原料质量的5％，造孔剂的加入质量占原料质量的5～15％，得到混合原料；
S2、向混合原料中加入粘结剂得到总混料，将所述总混料压制成型；
S3、将压制成型的总混料烧制而成陶瓷。
优选的，混合前对煤矸石进行预处理，即将煤矸石清洗干净、烘干，然后破碎、球磨，最后经过160目筛分。
优选的，所述烧结助剂为碳酸钠。
优选的，所述造孔剂为木屑。
优选的，所述煤矸石、粉煤灰、烧结助剂和造孔剂采用球磨混合均匀。
优选的，步骤S2中，向煤矸石、粉煤灰、烧结助剂和造孔剂混合所得到的混合原料中加入聚乙烯醇水溶液作为粘结剂，所述聚乙烯醇水溶液的质量浓度为8％，将所得总混料进行造粒，然后压制成型；
优选的，所述聚乙烯醇水溶液的体积占所述总混料的体积的15～18％。
优选的，步骤S3中，烧制时的温度由室温升到最高烧成温度1000～1350℃，升温速率为5℃/min，在最高温度保温3h；随炉冷却，自然降温至室温即得到多孔陶瓷。
本发明的有益效果在于：
1)本发明以煤矸石、粉煤灰为原料，并以木屑为造孔剂，所述煤矸石、粉煤灰以及木屑均属于固体废弃物，不仅分布广泛，成本低廉，而且数量充足，便于供给。另外，煤矸石、粉煤灰和木屑等固体废弃物在原料的配比掺量达到90％以上，有效地解决了矿业固体废弃物的大量堆积而对环境产生的污染，而且使资源更充分利用，具有良好社会、经济、环境效益。
2)本发明利用大量的煤矸石、粉煤灰以及少量的纯碱和木屑，所合成的多孔陶瓷显气孔率达到29.38～44.08％，体积密度达到1.41～1.76g/cm3，抗压强度达到18.11～60.65MPa，可以广泛地应用于保温、隔音、透水材料。
附图说明
图1为1150℃烧成得到多孔陶瓷的XRD图谱。由图可知，其组成主要为莫来石和钠长石。
图2为典型多孔陶瓷的SEM照片。由图可知，多孔陶瓷空隙分布均匀，孔径尺寸在～50μm。
图3也为典型多孔陶瓷的SEM照片。由图可知，多孔陶瓷空隙分布均匀，孔径尺寸在～50μm。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不是用来限制本发明的范围。
实施例1
1)煤矸石的预处理：首先将煤矸石清洗干净、烘干，然后用颚式破碎机破碎、球磨，最后经过160目筛分；
2)原料混合：首先将步骤1)所得的煤矸石、粉煤灰按照比例混合，得到混合均匀的物料，其中各组分质量分数为煤矸石80％，粉煤灰20％，然后再加入原料质量的5％的纯碱作为烧结助剂以及原料质量的10％的木屑作为造孔剂，将煤矸石、粉煤灰、纯碱和木屑采用球磨混合均匀；
3)成型：向步骤2)所得的混合原料中加入质量浓度为8％的聚乙烯醇水溶液(聚乙烯醇水溶液的质量浓度为8％即聚乙烯醇水溶液中的聚乙烯醇质量占溶液总质量的比例为8％)作为粘结剂得到总混料，聚乙烯醇水溶液的体积占所述总混料的体积的15％；将总混料进行造粒，然后在4MPa下压制成型；
4)烧成：将步骤3)制备好的生坯放入箱式烧结炉中温度由室温升到最高烧成温度1150℃，升温速率为5℃/min，最高温度保温3h；随炉冷却，自然降温至室温即得到多孔陶瓷。
所得多孔陶瓷的气孔率为23.84％，密度为1.84g/cm3，抗压强度为21.43MPa。
实施例2
1)煤矸石的预处理：首先将煤矸石清洗干净、烘干，然后用颚式破碎机破碎、球磨，最后经过160目筛分；
2)原料混合：首先将步骤1)所得的煤矸石、粉煤灰按照比例混合，得到混合均匀的物料，其中各组分质量分数为煤矸石70％，粉煤灰30％，然后再加入原料质量的5％的纯碱为烧结助剂和原料质量的12％的木屑作为造孔剂，采用球磨混合均匀；
3)成型：向步骤2)所得的混合原料中加入质量浓度为8％的聚乙烯醇水溶液(聚乙烯醇水溶液的质量浓度为8％即聚乙烯醇水溶液中的聚乙烯醇质量占溶液总质量的比例为8％)作为粘结剂得到总混料，聚乙烯醇水溶液的体积占所述总混料的体积的18％；将总混料进行造粒，然后在4MPa下压制成型；
4)烧成：将步骤3)制备好的生坯放入箱式烧结炉中，温度由室温升到最高烧成温度1230℃，升温速率为5℃/min，最高温度保温3h；随炉冷却，自然降温至室温即得到多孔陶瓷。
所得多孔陶瓷的气孔率为36.14％，密度为1.59g/cm3，抗压强度为46.81MPa。
实施例3
1)煤矸石的预处理：首先将煤矸石清洗干净、烘干，然后用颚式破碎机破碎、球磨，最后经过160目筛分；
2)原料混合：首先将步骤1)所得的煤矸石、粉煤灰按照比例混合，得到混合均匀的物料，其中各组分质量分数为煤矸石70％，粉煤灰30％，然后再加入原料质量的5％的纯碱为烧结助剂和原料质量的12％的木屑作为造孔剂，采用球磨混合均匀；
3)成型：向步骤2)所得的混合原料中加入质量浓度为8％的聚乙烯醇水溶液(聚乙烯醇水溶液的质量浓度为8％即聚乙烯醇水溶液中的聚乙烯醇质量占溶液总质量的比例为8％)作为粘结剂得到总混料，聚乙烯醇水溶液的体积占所述总混料的体积的17％；将总混料进行造粒，然后在4MPa下压制成型；
4)烧成：将步骤3)制备好的生坯放入箱式烧结炉中，温度由室温升到最高烧成温度1350℃，升温速率为5℃/min，最高温度保温3h；随炉冷却，自然降温至室温即得到多孔陶瓷。
所得到的多孔陶瓷的气孔率为5.98％，密度为1.81g/cm3，抗压强度为57.89MPa。

Claims (8)

1.一种大掺量、低成本、高性能多孔陶瓷的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
S1、以煤矸石和粉煤灰为原料，原料中煤矸石的质量分数为70～80％，粉煤灰的质量分数为20～30％；向原料中加入烧结助剂和造孔剂，烧结助剂的加入质量占原料质量的5％，造孔剂的加入质量占原料质量的5～15％，得到混合原料；
S2、向混合原料中加入粘结剂得到总混料，将所述总混料压制成型；
S3、将压制成型的总混料烧制而成陶瓷。
2.根据权利要求1所述的大掺量、低成本、高性能多孔陶瓷的制备方法，其特征在于：混合前对煤矸石进行预处理，即将煤矸石清洗干净、烘干，然后破碎、球磨，最后经过160目筛分。
3.根据权利要求1所述的大掺量、低成本、高性能多孔陶瓷的制备方法，其特征在于：所述烧结助剂为碳酸钠。
4.根据权利要求1所述的大掺量、低成本、高性能多孔陶瓷的制备方法，其特征在于：所述造孔剂为木屑。
5.根据权利要求1所述的大掺量、低成本、高性能多孔陶瓷的制备方法，其特征在于：所述煤矸石、粉煤灰、烧结助剂和造孔剂采用球磨混合均匀。
6.根据权利要求1所述的大掺量、低成本、高性能多孔陶瓷的制备方法，其特征在于：步骤S2中，向煤矸石、粉煤灰、烧结助剂和造孔剂混合所得到的混合原料中加入聚乙烯醇水溶液作为粘结剂，所述聚乙烯醇水溶液的质量浓度为8％，将所得总混料进行造粒，然后压制成型；
7.根据权利要求6所述的大掺量、低成本、高性能多孔陶瓷的制备方法，其特征在于：所述聚乙烯醇水溶液的体积占所述总混料的体积的15～18％。
8.根据权利要求6所述的大掺量、低成本、高性能多孔陶瓷的制备方法，其特征在于：步骤S3中，烧制时的温度由室温升到最高烧成温度1000～1350℃，升温速率为5℃/min，在最高温度保温3h；随炉冷却，自然降温至室温即得到多孔陶瓷。
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