CN107188534B - 一种利用陶瓷渣和单晶硅磨抛废料制备一体墙材的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种利用陶瓷渣和单晶硅磨抛废料制备一体墙材的方法，属于固体废弃物综合利用技术领域。该方法利用陶瓷渣和单晶硅磨抛废料自有的化学组成的特点，通过添加不同的添加剂，利用高温烧结和化学发泡的方法得到一种高性能的一体墙材。本发明工艺流程短，设备简单，可充分利用陶瓷渣和单晶硅磨抛废料的自身化学组成和不能直接循环利用缺点，得到的产品性能好，无环境污染。
Description
技术领域
本发明涉及固体废弃物综合利用技术领域，特别是指一种利用陶瓷渣和单晶硅磨抛废料制备一体墙材的方法。
背景技术
近年来，我国建筑能耗已占到社会总能耗的40％以上。在建筑能耗中，除了生活用水和电器用能之外，大部分的能耗主要用于建筑供暖通风与空调。因此，为了实现建筑节能，世界各地研究学者提出很多关于建筑节能的新概念，如被动房(Passive House)是最新出现的一个建筑节能方面的新概念，是指不需要通过主动的传统采暖方式和主动的传统的空调系统的形式的房屋。“被动房”的设计要求对围护结构保温标准有更高的要求，要求建筑墙体的传热系数低于0.15W/(m2.K)且建筑结构无热桥。目前，典型的被动房屋的外墙由外到内分别为外部砌砖层、空腔层、岩棉层、内部砌砖层等，其墙体结构复杂、施工难度较大、墙体材料消耗资源较高，可以预见，被动房的推广将导致中国的资源愈发紧张。所以，我们需要研究发泡结构与基体机构一体成型的建筑节能墙体材料。
此外，随着我国科学技术的不断进步，对于能源的需求不断加大，与此同时造成大量的废弃物的排放，造成严重的环境污染问题。
首先，随着我国建筑业的迅速发展，陶瓷砖在我国建筑陶瓷行业是成为一种优势产品。目前，我国陶瓷砖产量占世界总产量的80％以上，大量陶瓷砖不光意味着需要消费大量的原材料，还意味着会产生大量的废弃物。陶瓷渣是陶瓷企业在陶瓷砖的生产制作过程中，由于制品磨边和打磨等加工工序，产生的一种大量陶瓷工业固体废弃渣。据统计，生产1m2的陶瓷砖，经过磨边和打磨处理后，会产生1.5kg的废料，并损失0.6kg的磨头原料，因此共产生2.1kg左右的陶瓷渣。陶瓷渣中所含的主要化学成分为二氧化硅SiO2和氧化铝Al2O3。但是，陶瓷渣中还含有大量的抛光过程中磨头上的杂质，即碳化硅磨料和氯氧镁水泥粘结剂。陶瓷渣中的杂质，尤其是碳化硅在高温时发生氧化反应，使其在直接作为原料循环再利用过程中会造成产品的发泡膨胀现象，从而造成产品严重变形，甚至造成窑炉毁坏，因此目前陶瓷渣还无法在制陶过程中重新利用。在我国，90％以上的陶瓷渣主要还是采用填埋的方法处理。陶瓷渣堆放不仅会占用大量宝贵的土地资源，而且颗粒细小陶瓷渣很容易形成扬尘造成粉尘污染，造成严重的环境污染。如何减少陶瓷渣的污染，将其变废为宝，促进陶瓷渣的高效循环利用，是一个值得关注的问题。
其次，光伏产业进入了快速发展期，全球单晶硅年产量已超过10万吨。而制备太阳能电池时，通常需要将高纯硅锭切割成单元硅片。在切割过程中,根据理论计算将有44％的晶体硅被切磨为高纯硅(99.9999％纯度)“锯屑”进入到切割浆料中，而在实际加工过程中则有高达50％-55％的晶体硅以亚微米级硅粉的形式损失，切割过程造成单晶硅废料将以高纯硅、聚乙二醇和碳化硅的混合形式形成单晶硅磨抛废料。研究表明，我国每年光伏产业将有超过5万吨硅废料产生。目前，针对单晶硅和多晶硅切割废料浆的回收，研究人员做了大量工作，但在切割废料浆的回收方法中，大部分都是回收料浆中的聚乙二醇和碳化硅，而对于料浆中高纯硅的回收利用的研究很少，且技术还不够成熟。
目前为止，无论是单晶硅磨抛废料还是陶瓷渣都没有得到很好的应用，主要以填埋方式处理，形成大量的资源浪费，同时造成严重的环境污染。因此，有必要研究如何有效利用固废，减低资源和能源的消耗，解决中国当下资源相对短缺的矛盾。本专利结合上诉两种固体废料自身化学特性，提出一种利用陶瓷渣和单晶硅磨抛废料制备一体墙材的新方法。一方面，利用陶瓷渣自身碳化硅发泡的特性，通过采用化学发泡的方法，在添加剂作用下制备发泡多孔墙材，作为一体墙材的保温部分。另一方面，通过混合陶瓷渣和单晶硅磨抛废料，利用单晶硅磨抛废料中硅粉的氧化反应，抑制陶瓷渣中碳化硅的发泡，从而烧结制备致密的陶瓷基体材料，作为一体墙材的基体部分。
综上所述，由于一体墙材具有保温和基体两部分，所以其同时具有硬度大、耐热、抗腐蚀性、质量轻、导热系数小等特点，因此开发制备一体成型的墙材在建筑领域具有较好的应用前景。此外，针对现有陶瓷渣和单晶硅磨抛废料的问题，本专利提出结合利用两种废料自身化学特性制备一体墙材,不光避免了资源浪费，同时解决了由于废渣大量堆放造成的环境污染问题；此外，制备的一体墙材还具有很高的附加价值。因此，采用陶瓷渣和单晶硅磨抛废料直接制备高性能高附加价值的一体墙材变得至关重要。
发明内容
本发明针对目前陶瓷渣和单晶硅磨抛废料由于杂质的存在，无法循环再利用，且大量堆放造成环境污染等缺点，提供一种利用陶瓷渣和单晶硅磨抛废料制备一体墙材的方法。
该方法充分利用陶瓷渣本身的化学组成的特点(主要组成以SiO2和Al2O3为主，并含有大量的碱金属和碱土金属氧化物)，充分利用陶瓷渣中碳化硅造成的发泡缺点，采在其为化学发泡剂，转变为制备保温材料的优点，制备得到高性能的多孔保温部分。此外，充分利用单晶硅陶瓷渣中硅粉对陶瓷渣中杂质碳化硅发泡缺陷进行抑制修正，从而烧结制备高强度的基体部分。最后，通过一次成型与一次烧结工艺，烧结制备出一体墙材。
该方法具体为：以陶瓷渣制备保温层，以陶瓷渣和单晶硅磨抛废料的混合原料制备基体层，将保温层和基体层采用高温共烧的方法制得一体墙材，其中，保温层通过向陶瓷渣中加入添加剂和发泡剂制成，基体层通过混合陶瓷渣、单晶硅磨抛废料和添加剂烧结制成。
其中，陶瓷渣成分为SiO2：50～70wt％，Al2O3：10～30wt％，MgO：2～5wt％，CaO：2～4wt％，K2O：2～6％，Na2O：2～8％；所用的单晶硅磨抛废料成分为C：5～10wt％，Si：90～95wt％。
基体层中单晶硅磨抛废料添加量为所用陶瓷渣质量的5～20％。
保温层的添加剂为磷酸钠、氧化镁，发泡剂为碳化硅；其中，磷酸钠占陶瓷渣质量的0.5％～5％，氧化镁占陶瓷渣质量的1％～7％，碳化硅占陶瓷渣质量的0.5％～7％；基体层的添加剂为磷酸钠和氧化镁，其中，磷酸钠占陶瓷渣质量的1％～6％，氧化镁占陶瓷渣质量的2％～8％。
保温层和基体层两层原料采用一起压样，共同烧结制度，其烧结温度范围为1100～1200℃。
该方法所制得的一体墙材保温层和基体层的表观密度分别为300～500kg/m3和900～1800kg/m3，导热系数分别在0.2W/(m·K)和1.3W/(m·K)以下；墙材综合的屈服强度大于22MPa。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
本发明综合考虑了陶瓷渣和单晶硅磨抛废料本身的化学组成的特点，并对两者的特性进行有力结合。首先，将陶瓷渣中杂质造成的发泡缺点转变为制备发泡保温材料的优点，通过加入添加剂对主要原料进行调试，调节原料、添加剂和发泡剂的配比含量，使得发泡与基体软化相匹配，从而制备出气泡分布均匀的低密度发泡保温材料。其次，利用单晶硅磨抛废料中的主要成分硅粉对陶瓷渣中杂质缺陷进行抑制及修正，从而高温烧结出高强度的基体材料。最后，总结分析两部分研究的规律，提出进行一次性成型工艺，烧结制备出一体墙材。本发明工艺流程短，设备简单，易操作，可充分利用陶瓷渣和单晶硅磨抛废料，对环境有保护作用；且得到的产品附加值高，应用范围广。
附图说明
图1为本发明的利用陶瓷渣和单晶硅磨抛废料制备一体墙材的方法保温层与基体层中SiC的反应机理图，(a)为反应剖面图，(b)为反应直观图；
图2为本发明实施例中一体墙材样品的扫描电镜图；
图3为本发明实施例中一体墙材样品的外观形貌图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明针对目前陶瓷渣和单晶硅磨抛废料由于杂质的存在，无法循环再利用，且大量堆放造成环境污染等问题，提供一种利用陶瓷渣和单晶硅磨抛废料制备一体墙材的方法。
如图1所示，该方法以陶瓷渣制备保温层，以陶瓷渣和单晶硅磨抛废料的混合原料制备基体层，将保温层和基体层采用高温共烧的方法制得一体墙材，其中，如图1(a)和图1(b)，保温层通过向陶瓷渣中加入添加剂和发泡剂制成，基体层通过混合陶瓷渣、单晶硅磨抛废料和添加剂烧结制成。
在具体实施过程中，一体墙材由两部分组成，因此原料配比也分为两层配料。保温层以陶瓷渣(主要成分为：SiO2：65.18wt％，Al2O3：18.83wt％，MgO：2.22wt％，CaO：2.61wt％，K2O：2.61％，Na2O：3.10％)为主要原料，然后添加2％磷酸钠，3％氧化镁和3％碳化硅作为添加剂。基体层以陶瓷渣(主要成分同上)和15％的单晶硅陶瓷渣为主要原料，然后添加1％磷酸钠和2％氧化镁作为添加剂。将两层原料分别搅拌混料，然后按照质量比1:2的比例分别导入模具中，并在模具中一次性预压成型。将胚体在马弗炉中按照事先制定好的烧结制度进行烧结，保温20min后自然冷却到室温，得到最终所要的样品。所得样品的扫描电镜和外观形貌分别如图2和图3所示。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种利用陶瓷渣和单晶硅磨抛废料制备一体墙材的方法，其特征在于：该方法以陶瓷渣制备保温层，以陶瓷渣和单晶硅磨抛废料的混合原料制备基体层，将保温层和基体层采用高温共烧的方法制得一体墙材，其中，保温层通过向陶瓷渣中加入添加剂和发泡剂制成，基体层通过混合陶瓷渣、单晶硅磨抛废料和添加剂烧结制成；
所述陶瓷渣为陶瓷砖的生产制作过程中磨边和打磨加工产生的固体废弃渣；
所述陶瓷渣成分为SiO2：50~70wt％，Al2O3：10~30wt％，MgO：2~5wt％，CaO：2~4wt％，K2O：2~6%，Na2O：2~8%；所用的单晶硅磨抛废料成分为C：5~10 wt%，Si：90~95wt%；
所述基体层中单晶硅磨抛废料添加量为所用陶瓷渣质量的5~20%；
所述保温层的添加剂为磷酸钠、氧化镁，发泡剂为碳化硅；其中，磷酸钠占陶瓷渣质量的0.5%~5%，氧化镁占陶瓷渣质量的1%~7%，碳化硅占陶瓷渣质量的0.5%~7%；所述基体层的添加剂为磷酸钠和氧化镁，其中，磷酸钠占陶瓷渣质量的1%~6%，氧化镁占陶瓷渣质量的2%~8%；
所述保温层和基体层两层原料采用一起压样，共同烧结制度，其烧结温度范围为1100~1200℃；
所制得的一体墙材保温层和基体层的表观密度分别为300~500kg/m3和900~1800kg/m3，导热系数分别在0.2W/(m·K)和1.3 W/(m·K)以下；墙材综合的屈服强度大于22MPa。
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