CN112876214B - 一种微晶发泡陶瓷及其制备方法与应用 - Google Patents

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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 (20)

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；
所述的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；其中，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。
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。
4.如权利要求1所述的微晶发泡陶瓷，其特征在于，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、CaO0-3份。
5.如权利要求1所述的微晶发泡陶瓷，其特征在于，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、CaO0-2份。
6.如权利要求1所述的微晶发泡陶瓷，其特征在于，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，Na2O0-2份，Fe2O3 0-2份、CaO 0-2份。
7.权利要求1-6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。
8.如权利要求7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。
9.如权利要求8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℃；所述保温的时间为1-3h。
10.如权利要求7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。
11.如权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述发泡剂为碳化硅，所述烧结的温度为600-1300℃。
12.如权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述发泡剂为碳粉，所述烧结的温度为600-900℃。
13.如权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述发泡剂为硅酸钠，所述烧结的温度为800-900℃。
14.如权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述发泡剂为碳酸钙，所述烧结的温度为700-1000℃。
15.如权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述发泡剂为二氧化锰，所述烧结的温度为900-1200℃。
16.如权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述发泡剂为三氧化二铁，所述烧结的温度为600-1200℃。
17.如权利要求7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；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。
18.如权利要求17所述的制备方法，其特征在于，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℃。
19.如权利要求7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。
20.如权利要求7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；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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