CN112876214A - 一种微晶发泡陶瓷及其制备方法与应用 - Google Patents

一种微晶发泡陶瓷及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种微晶发泡陶瓷及其制备方法与应用,其原料包括质量比为30‑100:5‑70的发泡陶瓷料和玻璃料;该发泡陶瓷料包括以下原料:黄金尾矿、膨润土、高岭土、滑石、方解石、发泡剂、减水剂;该玻璃料包括以下原料:黄金尾矿、氧化钙、氧化锌、氧化钡、碳酸钠、硼砂。该微晶发泡陶瓷掺配了大量功能性玻璃料,不仅降低了发泡温度,节约能源成本;还利用了玻璃料中的晶相在烧结过程中析晶,从而提高了强度与功能性;并且在大量利用固废(含量≥70%),同时还保证微晶发泡陶瓷具有实用价值的抗压强度(≥7.95MPa)和容重(300‑700kg/m3),实现了固废的高附加值利用。

Description

一种微晶发泡陶瓷及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域,具体涉及一种微晶发泡陶瓷及其制备方法与应用。
背景技术
20世纪80年代以来,我国发泡陶瓷保温材料的开发应用经历了两个阶段:第一个阶段是利用特定原料进行小规模生产,其产品应用于特定的耐火隔热、防火防腐等领域;第二个阶段是利用多种矿山尾矿和工业废渣为主要原料大规模生产,其产品在建筑节能领域得到应用。目前,在普通发泡陶瓷材料基础上已研发出了新一代产品微晶发泡陶瓷,其性能较普通发泡陶瓷有了进一步的提高,具体表现为:同等密度的制品其导热系数更低、吸水率更低、强度更高,在建筑节能领域的应用更具有适用性和优越性。微晶发泡陶瓷在近年来作为新型绿色建筑材料受到广泛关注,是目前世界范围内“建筑保温材料告别有机化、实现无机化”的研究重点。
尾矿作为大宗固废中数量大,利用率低的二次资源,是亟待解决的资源化利用难题。固废的高附加值利用是长期可持续解决固废利用的途径之一。已经公开了利用尾矿制备发泡陶瓷的相关技术,如何改善其工艺和制备方法,并且利用尾矿进一步制备功能性的微晶发泡陶瓷,以提高其附加值,并且提其高强度和功能性,降低烧结温度,是本领域亟需解决的技术难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微晶发泡陶瓷及其制备方法与应用,该微晶发泡陶瓷包括发泡陶瓷料和玻璃料,通过加入玻璃料,不仅可降低烧结温度和能源成本,而且利用玻璃料的析晶作用可增加微晶发泡陶瓷的强度。本发明的微晶发泡陶瓷具有满足工业应用要求的抗压强度和容重。
为此,第一方面,本发明提供一种微晶发泡陶瓷,其原料包括发泡陶瓷料和玻璃料,所述发泡陶瓷料和玻璃料的质量比为30-100:5-70;
所述发泡陶瓷料按重量份数计包括以下原料:黄金尾矿65-85份,膨润土6-12份,高岭土4-10份,滑石4-10份,方解石0-4份,发泡剂0.5-2.0份,减水剂0.3-1.0份;
所述玻璃料按重量份数计包括以下原料:黄金尾矿60-80份,氧化钙10-20份,氧化锌2-7份,氧化钡1-5份,碳酸钠1-4份,硼砂0-4份。
在优选的实施方式中,所述微晶发泡陶瓷的原料仅由发泡陶瓷料和玻璃料组成;优选地,所述发泡陶瓷料和玻璃料的质量之比为30-90:10-70。
在具体的实施方案中,所述发泡陶瓷料按重量份数计包括以下原料:黄金尾矿70-85份,膨润土8-12份,高岭土4-6份,滑石4-6份,发泡剂0.5-1.5份,减水剂0.5-1.0份。
在另一具体的实施方案中,所述玻璃料按重量份数计包括以下原料:黄金尾矿70-80份,氧化钙15-20份,氧化锌2-7份,氧化钡1-5份,碳酸钠2-4份,硼砂1-4份。
进一步,所述发泡剂选自碳化硅、碳粉、硅酸钠、碳酸钙、二氧化锰和三氧化二铁中的一种或两种以上的组合。
进一步,所述黄金尾矿按重量份数计包括以下成分:SiO2 70-85份,Al2O3 7-15份,K2O 1-6份,MgO 0-2份,Na2O 0-2份,Fe2O3 0-4份、CaO 0-4份。
进一步,所述膨润土按重量份数计包括以下成分:SiO2 65-75份,Al2O3 10-20份,K2O 0-5份,MgO 0-3份,Na2O 0-2份,Fe2O3 0-3份、CaO 0-3份。
进一步,所述高岭土按重量份数计包括以下成分:SiO2 65-75份,Al2O3 12-18份,K2O 1-6份,MgO 0-2份,Na2O 0-2份,Fe2O3 0-3份、CaO 0-2份。
进一步,所述滑石按重量份数计包括以下成分:SiO2 12-20份,MgO 33-46份,Al2O30-2份,K2O 0-2份,Na2O 0-2份,Fe2O3 0-2份、CaO 0-2份。
本发明所述的尾矿、膨润土、高岭土、滑石等原料的化学组成指将各种金属或矿物元素以氧化物计的含量,并非指其在尾矿、膨润土、高岭土、滑石中以氧化物存在的化合物含量。例如,可以通过本领域的常规检测方法获得以上化学组成结果,例如典型的烧失后或未烧失的荧光检测方法。当以烧失后荧光检测的方法时,通常所用烧失温度在900±5℃左右。
本发明所用的黄金尾矿、膨润土、高岭土、滑石等原料可以市购,或者自制,只要满足化学组成要求即可。
进一步,所述玻璃料的制备方法包括以下步骤:称取所述玻璃料的各原料,将各原料粉磨并混合均匀,然后依次经熔化、保温、水淬后制备得到所述玻璃料。
进一步,所述熔化的温度为1400-1550℃。
进一步,所述保温的时间为1-3h。
本发明的第二方面提供所述微晶发泡陶瓷的制备方法,包括:称取所述发泡陶瓷料的各原料和所述玻璃料,经混合均匀后,依次进行烧结、退火,即制备得到所述微晶发泡陶瓷。
进一步,所述玻璃料的制备方法包括以下步骤:称取所述玻璃料的各原料,将各原料粉磨并混合均匀,然后依次经熔化、保温、水淬后制备得到所述玻璃料。
进一步,所述熔化的温度为1400-1550℃。
进一步,所述保温的时间为1-3h。
进一步,所述烧结的温度为600-1300℃,所述烧结的时间为:达到烧结温度后保温1-5h。
在具体的实施方式中,当所述发泡剂为碳化硅时,所述烧结的温度为600-1300℃;当所述发泡剂为碳粉时,所述烧结的温度为600-900℃;当所述发泡剂为硅酸钠时,所述烧结的温度为800-900℃;当所述发泡剂为碳酸钙时,所述烧结的温度为700-1000℃;当所述发泡剂为二氧化锰时,所述烧结的温度为900-1200℃;当所述发泡剂为三氧化二铁时,所述烧结的温度为600-1200℃。
进一步,所述烧结依次包括第一烧结和第二烧结。在优选的实施方式中,当所述发泡剂为碳化硅时,所述烧结的升温速率为5-10℃/min,所述第一烧结的温度为650-850℃,达到所述第一烧结的温度后保温0.5-2h;所述第二烧结的温度为1000-1250℃,达到所述第一烧结的温度后保温1-3h。
进一步,所述退火的步骤包括:在15min之内降温至900℃,然后自然冷却至室温。
进一步,所述原料的粒径为200目以下;为满足该粒径,可以将所有原料混合均匀后研磨,或者分别研磨后再混合均匀。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
(1)本发明提供的微晶发泡陶瓷的原料中掺入大量固废(含量≥70%),实现了固体废物回收利用,变废为宝;本发明配比的玻璃料是以尾矿为主要原料制备的以β-硅灰石为主晶相的玻璃料,具有析晶能力的玻璃料在发泡烧结过程中同时析晶,可使得微晶发泡陶瓷具有功能性。
(2)本发明由于掺杂了大量的玻璃料,可以大幅度降低制备微晶发泡陶瓷时的烧结温度,具有节省能耗的优点。
(3)本发明提供的微晶发泡陶瓷具有较高的抗压强度,利用本发明所述的配方制得的微晶发泡陶瓷的抗压强度可达到7.95MPa以上,满足工业应用的需求。
(4)本发明提供的微晶发泡陶瓷容重合理,利用本发明所述的配方制得的微晶发泡陶瓷的容重在300-700kg/m3之间,满足工业应用的需求。
(5)本发明提供的微晶发泡陶瓷采用了大量尾矿原料,从而有效提高了尾矿利用产品的附加值,是一种长期可持续解决固废利用的途径。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述,各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的,而并不认为是对本发明的限制。在附图中:
图1为CaO-Al2O3-SiO2系玻璃相图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式,然而应当理解,可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反,提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开,并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。实施例中未注明具体条件者,按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者,均为可以通过市售购买获得的常规产品。
以下实施例中所用黄金尾矿、膨润土、高岭土和滑石的主要化学组成如表1所示,所采用的检测方法为X射线荧光光谱分析(XRF),具体采用XRF-1800型X射线荧光光谱仪测定次级X射线进行物质成分分析。
表1原料中各成分的含量(份)
Figure BDA0002912275750000041
Figure BDA0002912275750000051
实施例1
本实施例提供一种微晶发泡陶瓷,其原料组成为质量比为1:9的玻璃料和发泡陶瓷料;所述发泡陶瓷料按重量份数计其原料组成为:黄金尾矿80份,膨润土10份,高岭土5份,滑石5份,碳化硅0.9份,减水剂0.9份。制备方法如下:
(1)按重量份数称取:黄金尾矿70.9份,氧化钙16.6份,氧化锌5.0份,氧化钡3.3份,碳酸钠2.5份,硼砂1.7份,磨细混合进行高温1500℃熔化,保温2小时,水淬,得到以β-硅灰石相为主晶相的玻璃料,其相图如图1所示。
(2)称取所述发泡陶瓷料的各原料及步骤(1)制备得到的玻璃料,进行破碎、球磨至200目以下,装模后采用电炉按照以下烧结温度曲线进行烧结:
室温-300℃40分钟,300℃-600℃40分钟,600℃-800℃30分钟,800℃保持60分钟,800℃-1050℃30分钟,1050℃-1150℃20分钟,1150℃保持60分钟,1150℃-900℃15分钟,900℃-室温(即自然冷却)。上述有区间范围的温度是指在所述的时间内升温或降温到终点。
经测试,本实施例的微晶发泡陶瓷抗压强度为7.95MPa,体积密度为399.1kg/m3。说明该微晶发泡陶瓷产品有质轻、高强的优异性能。
实施例2
本实施例提供一种微晶发泡陶瓷,其原料组成为质量比为3:7的玻璃料和发泡陶瓷料;所述发泡陶瓷料按重量份数计其原料组成为:黄金尾矿80份,膨润土10份,高岭土5份,滑石5份,碳化硅0.9份,减水剂0.9份。制备方法如下:
(1)按重量份数称取:黄金尾矿70.9份,氧化钙16.6份,氧化锌5.0份,氧化钡3.3份,碳酸钠2.5份,硼砂1.7份,磨细混合进行高温1450℃熔化,保温2.5小时,水淬,得到以β-硅灰石相为主晶相的玻璃料,其相图如图1所示。
(2)称取所述发泡陶瓷料的各原料及步骤(1)制备得到的玻璃料,进行破碎、球磨至200目以下,装模后采用电炉按照以下烧结温度曲线进行烧结:
室温-300℃40分钟,300℃-600℃40分钟,600℃-750℃30分钟,750℃保持60分钟,750℃-1050℃30分钟,1050℃-1100℃15分钟,1100℃保持60分钟,1100℃-900℃15分钟,900℃-室温(即自然冷却)。上述有区间范围的温度是指在所述的时间内升温或降温到终点。
经测试,本实施例的微晶发泡陶瓷抗压强度为8.81MPa,体积密度为425.2kg/m3。说明该微晶发泡陶瓷产品有质轻、高强的优异性能。
实施例3
本实施例提供一种微晶发泡陶瓷,其原料组成为质量比为5:5的玻璃料和发泡陶瓷料;所述发泡陶瓷料按重量份数计其原料组成为:黄金尾矿80份,膨润土10份,高岭土5份,滑石5份,碳化硅1.2份,减水剂0.9份。制备方法如下:
(1)按重量份数称取:黄金尾矿70.9份,氧化钙16.6份,氧化锌5.0份,氧化钡3.3份,碳酸钠2.5份,硼砂1.7份,磨细混合进行高温1400℃熔化,保温3小时,水淬,得到以β-硅灰石相为主晶相的玻璃料,其相图如图1所示。
(2)称取所述发泡陶瓷料的各原料及步骤(1)制备得到的玻璃料,进行破碎、球磨至200目以下,装模后采用电炉按照以下烧结温度曲线进行烧结:
室温-300℃40分钟,300℃-600℃40分钟,600℃-700℃30分钟,700℃保持60分钟,700℃-1050℃30分钟,1050℃保持60分钟,1050℃-900℃15分钟,900℃-室温(即自然冷却)。上述有区间范围的温度是指在所述的时间内升温或降温到终点。
经测试,本实施例的微晶发泡陶瓷抗压强度为10.13MPa,体积密度为550.5kg/m3。说明该微晶发泡陶瓷产品有质轻、高强的优异性能。
实施例4
本实施例提供一种微晶发泡陶瓷,其原料组成为质量比为7:3的玻璃料和发泡陶瓷料;所述发泡陶瓷料按重量份数计其原料组成为:黄金尾矿80份,膨润土10份,高岭土5份,滑石5份,碳化硅1.5份,减水剂0.9份。制备方法如下:
(1)按重量份数称取:黄金尾矿70.9份,氧化钙16.6份,氧化锌5.0份,氧化钡3.3份,碳酸钠2.5份,硼砂1.7份,磨细混合进行高温1550℃熔化,保温1.5小时,水淬,得到以β-硅灰石相为主晶相的玻璃料,其相图如图1所示。
(2)称取所述发泡陶瓷料的各原料及步骤(1)制备得到的玻璃料,进行破碎、球磨至200目以下,装模后采用电炉按照以下烧结温度曲线进行烧结:
室温-300℃40分钟,300℃-600℃40分钟,600℃-650℃30分钟,650℃保持60分钟,650℃-1000℃30分钟,1000℃保持60分钟,1000℃-900℃15分钟,900℃-室温(即自然冷却)。上述有区间范围的温度是指在所述的时间内升温或降温到终点。
经测试,本实施例的微晶发泡陶瓷抗压强度为12.11MPa,体积密度为698.6kg/m3。说明该微晶发泡陶瓷产品有质轻、高强的优异性能。
对比例1
本对比例提供一种发泡陶瓷,按重量份数计其原料组成为:尾矿80份,膨润土10份,高岭土5份,滑石5份,碳化硅0.6份,减水剂0.9份。制备方法如下:
按重量份数称取各原料,进行破碎、球磨至200目以下,装模后采用电炉按照以下烧结温度曲线进行烧结:
室温-300℃40分钟,300℃-600℃40分钟,600℃-825℃30分钟,825℃保持60分钟,825℃-1050℃30分钟,1050℃-1200℃30分钟,1200℃保持80分钟,1200℃-900℃15分钟,900℃-室温(即自然冷却)。上述有区间范围的温度是指在所述的时间内升温或降温到终点。
经测试,本实施例制备得到的发泡陶瓷抗压强度为7.0MPa,体积密度为360.9kg/m3
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种微晶发泡陶瓷,其特征在于,所述微晶发泡陶瓷的原料包括发泡陶瓷料和玻璃料,所述发泡陶瓷料和玻璃料的质量比为30-100:5-70;
所述发泡陶瓷料按重量份数计包括以下原料:黄金尾矿65-85份,膨润土6-12份,高岭土4-10份,滑石4-10份,方解石0-4份,发泡剂0.5-2.0份,减水剂0.3-1.0份;
所述玻璃料按重量份数计包括以下原料:黄金尾矿60-80份,氧化钙10-20份,氧化锌2-7份,氧化钡1-5份,碳酸钠1-4份,硼砂0-4份。
2.如权利要求1所述的微晶发泡陶瓷,其特征在于,所述发泡剂选自碳化硅、碳粉、硅酸钠、碳酸钙、二氧化锰和三氧化二铁中的一种或两种以上的组合。
3.如权利要求1所述的微晶发泡陶瓷,其特征在于,所述黄金尾矿按重量份数计包括以下成分:SiO2 70-85份,Al2O3 7-15份,K2O 1-6份,MgO 0-2份,Na2O 0-2份,Fe2O3 0-4份、CaO0-4份;
优选地,所述膨润土按重量份数计包括以下成分:SiO2 65-75份,Al2O3 10-20份,K2O 0-5份,MgO 0-3份,Na2O 0-2份,Fe2O3 0-3份、CaO 0-3份;
优选地,所述高岭土按重量份数计包括以下成分:SiO2 65-75份,Al2O3 12-18份,K2O 1-6份,MgO 0-2份,Na2O 0-2份,Fe2O3 0-3份、CaO 0-2份;
优选地,所述滑石按重量份数计包括以下成分:SiO2 12-20份,MgO 33-46份,Al2O3 0-2份,K2O 0-2份,Na2O 0-2份,Fe2O3 0-2份、CaO 0-2份。
4.权利要求1-3任一项所述的微晶发泡陶瓷的制备方法,其特征在于,包括:称取所述发泡陶瓷料的各原料和所述玻璃料,经混合均匀后,依次进行烧结、退火,即制备得到所述微晶发泡陶瓷。
5.如权利要求4所述的微晶发泡陶瓷的制备方法,其特征在于,所述玻璃料的制备方法包括以下步骤:称取所述玻璃料的各原料,将各原料粉磨并混合均匀,然后依次经熔化、保温、水淬后制备得到所述玻璃料。
6.如权利要求5所述的微晶发泡陶瓷的制备方法,其特征在于,所述熔化的温度为1400-1550℃;
优选地,所述保温的时间为1-3h。
7.如权利要求4所述的制备方法,其特征在于,所述烧结的温度为600-1300℃,所述烧结的时间为:达到烧结温度后保温1-5h;
优选地,所述发泡剂为碳化硅,所述烧结的温度为600-1300℃;
优选地,所述发泡剂为碳粉,所述烧结的温度为600-900℃;
优选地,所述发泡剂为硅酸钠,所述烧结的温度为800-900℃;
优选地,所述发泡剂为碳酸钙,所述烧结的温度为700-1000℃;
优选地,所述发泡剂为二氧化锰,所述烧结的温度为900-1200℃;
优选地,所述发泡剂为三氧化二铁,所述烧结的温度为600-1200℃。
8.如权利要求4所述的制备方法,其特征在于,所述烧结依次包括第一烧结和第二烧结,所述第二烧结的温度大于所述第一烧结的温度;
优选地,达到所述第一烧结的温度后保温0.5-2h,达到所述第二烧结的温度后保温1-3h;
优选地,所述发泡剂为碳化硅,所述烧结的升温速率为5-10℃/min,所述第一烧结的温度为650-850℃,所述第二烧结的温度为1000-1250℃。
9.如权利要求4所述的制备方法,其特征在于,所述退火的步骤包括:在15min之内降温至900℃,然后自然冷却至室温。
10.如权利要求4所述的制备方法,其特征在于,所述微晶发泡陶瓷的各原料的粒径为200目以下;优选地,在所述混合均匀的步骤之前或之后包括以下步骤:将所述原料经粉碎或研磨至粒径小于等于200目。
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