燒結(jié)溫度對(duì)銅尾礦多孔陶瓷物理性能的影響研究*

官鈺潔

(佛山歐神諾陶瓷股份有限公司 廣東 佛山 528138)

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燒結(jié)溫度對(duì)銅尾礦多孔陶瓷物理性能的影響研究*

官鈺潔

(佛山歐神諾陶瓷股份有限公司 廣東 佛山 528138)

以銅尾礦和鉀長(zhǎng)石為主要原料，添加CaCO3為發(fā)泡劑，制備多孔陶瓷。研究了燒結(jié)溫度對(duì)尾礦多孔陶瓷晶相、硬度、密度和吸水率的影響。結(jié)果表明：尾礦多孔陶瓷的主晶相為白榴子石，硅灰石和鎂黃長(zhǎng)石。燒結(jié)溫度升高有利于白榴子石相的形成，當(dāng)燒結(jié)溫度>1 160 ℃后，多孔陶瓷的硬度總體上隨著燒結(jié)溫度的升高而降低。尾礦多孔陶瓷的密度在1 150～1 180 ℃，隨著燒結(jié)溫度的變化不大。進(jìn)一步提高燒結(jié)溫度，但密度變化則非常明顯。對(duì)于不同尾礦含量的多孔陶瓷，其吸水率都在1 180 ℃燒結(jié)溫度時(shí)達(dá)到最大。

銅尾礦 多孔陶瓷 燒結(jié)溫度 物理性能

前言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，礦產(chǎn)資源需求與日俱增，礦業(yè)開(kāi)發(fā)規(guī)模隨之加大，尾礦的排放、堆積量越來(lái)越大。而大量堆存的尾礦不僅增加了企業(yè)的成本支出，同時(shí)也對(duì)周圍的生態(tài)環(huán)境帶來(lái)了巨大的影響。因此，深入開(kāi)展尾礦的綜合利用可以獲取更高的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益[1～2]。其中，尾礦用作建筑材料是尾礦綜合利用的有效途徑之一[3～5]。通過(guò)調(diào)整尾礦的成分制備出各種性能的陶瓷材料，其前景極為可觀。近幾年，利用尾礦來(lái)制備多孔陶瓷的研究引起了相關(guān)行業(yè)極大的重視。

多孔陶瓷是一種經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié)，體內(nèi)具有彼此相通的或閉合的氣孔的新型陶瓷材料。利用材料中孔洞的結(jié)構(gòu)或表面積，結(jié)合材料本身的材質(zhì)來(lái)達(dá)到需要的電、磁、聲、熱等物理化學(xué)性能，從而可用作過(guò)濾、分離、分散、滲透、隔熱、換熱、吸聲、隔音、吸附載體反應(yīng)和傳感及生物用途的材料[6]。多孔陶瓷成本低廉，制造工藝簡(jiǎn)單且性能優(yōu)良，具有廣闊的應(yīng)用前景。在全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的推動(dòng)下，工業(yè)飛速發(fā)展，但隨之也對(duì)節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境的要求越來(lái)越高。多孔陶瓷正是適應(yīng)了這種形勢(shì)發(fā)展的新材料，它能夠提高效率，節(jié)約能源，尤其是在環(huán)境保護(hù)方面發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。利用尾礦制備多孔陶瓷既解決了尾礦的回收利用的問(wèn)題，也能生產(chǎn)出更多性能優(yōu)良的建筑材料。

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)銅尾礦的成分和粒度進(jìn)行分析，利用發(fā)泡工藝，添加CaCO3作為發(fā)泡劑，并添加鉀長(zhǎng)石適當(dāng)調(diào)節(jié)銅尾礦中SiO2和Al2O3的比例，制備多孔陶瓷。采用X射線分析、肖氏硬度計(jì)等測(cè)試方法對(duì)尾礦多孔陶瓷的物相、肖氏硬度、密度、吸水率等進(jìn)行了表征。研究了不同燒結(jié)溫度對(duì)尾礦多孔陶瓷物理性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)選用的主要原料為湖北黃石銅綠山尾礦，內(nèi)蒙古鉀長(zhǎng)石和325目的碳酸鈣粉末。其中，銅尾礦的主要礦物組成為(K,Na)4Fe2(Si4O10)2(OH,F)。

銅尾礦的粒度分析如表1所示；銅尾礦和鉀長(zhǎng)石的主要化學(xué)組成如表2所示。

表1 尾礦粒度分布

表2 原料化學(xué)組成(質(zhì)量%)

實(shí)驗(yàn)采用發(fā)泡法制備多孔陶瓷。首先將銅尾礦清洗、曬干，用振動(dòng)磨進(jìn)行研磨，使其粒度在200目以下。按照銅尾礦和鉀長(zhǎng)石質(zhì)量比1∶x(x=1.0，1.5，2.0)進(jìn)行配料，適當(dāng)調(diào)節(jié)尾礦中SiO2和Al2O3的比例，在此基礎(chǔ)上分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.5%的碳酸鈣作為發(fā)泡劑，同時(shí)加入5%的PVA混合均勻。將混合均勻的粉料放入模具，用粉末壓片機(jī)在18 MPa壓力下將其成形為直徑25 mm的圓片，并在高溫電阻爐進(jìn)行燒結(jié)，以5 ℃/min的速率分別升到1 150 ℃、1 160 ℃、1 180 ℃、1 200 ℃并保溫1 h，然后再以5 ℃/min的速率冷卻至850 ℃后再隨爐冷卻至室溫。將燒結(jié)好的多孔陶瓷樣品分別進(jìn)行物相、肖氏硬度、密度、吸水率的測(cè)試分析。

本實(shí)驗(yàn)采用Rise-2002型激光粒度分析儀對(duì)尾礦的粒度進(jìn)行分析；采用DY2198型X射線粉晶衍射儀對(duì)樣品的物相進(jìn)行測(cè)試；多孔陶瓷的硬度測(cè)試采用的是HS-19A型肖氏硬度計(jì)；參照GB/T 1966-1996《多孔陶瓷顯氣孔率、容重試驗(yàn)方法》對(duì)樣品的密度和吸水率進(jìn)行了測(cè)試。

2 結(jié)果與分析

2.1 銅尾礦多孔陶瓷的XRD分析

圖1是燒結(jié)溫度為1 150 ℃和1 180 ℃的銅尾礦多孔陶瓷的XRD圖譜。

從圖1可以看出，XRD圖譜的衍射峰與卡片PDF 38-1423、PDF 27-0088、PDF 88-0845的衍射峰吻合，所含的主要物相為白榴子石KAlSi2O6，硅灰石CaSiO3和鎂黃長(zhǎng)石Ca2MgSi2O7。隨著燒結(jié)溫度的升高，位于2θ為31.28°的白榴子石相的衍射峰峰強(qiáng)增大，其表明了燒結(jié)溫度的升高有利于白榴子石相的形成。

圖1 不同溫度下銅尾礦多孔陶瓷的XRD圖譜

2.2 燒結(jié)溫度對(duì)銅尾礦多孔陶瓷硬度的影響

圖2是不同燒結(jié)溫度下多孔陶瓷的肖氏硬度的變化圖。

圖2 不同燒結(jié)溫度下銅尾礦多孔陶瓷的肖氏硬度

從圖2可以看出，銅尾礦多孔陶瓷的肖氏硬度為20～32。對(duì)于銅尾礦與鉀長(zhǎng)石含量為1∶2的多孔陶瓷樣品，其硬度隨著燒結(jié)溫度的增加而逐漸降低。而銅尾礦與鉀長(zhǎng)石含量為1∶1和1.0∶1.5的多孔陶瓷樣品，硬度則隨著溫度的增加呈現(xiàn)先增加而后降低的趨勢(shì)，其中樣品的硬度在1 160 ℃時(shí)達(dá)到最大。由于碳酸鈣在825 ℃開(kāi)始分解釋放氣體，至1 100 ℃強(qiáng)烈分解，隨著溫度的增加，發(fā)泡劑分解越徹底，使樣品中出現(xiàn)較多的孔狀結(jié)構(gòu)，致密度下降，宏觀結(jié)構(gòu)變疏松，導(dǎo)致樣品的硬度下降。燒結(jié)溫度在1 150 ℃、1 160 ℃和1 180 ℃時(shí)，銅尾礦多孔陶瓷的硬度隨尾礦含量的減少而增大。這可能是由于尾礦中含有大量的氧化鐵，它能夠在高溫分解釋放氣體產(chǎn)生氣孔，隨著尾礦含量的減少，樣品中氧化鐵的含量也隨之減少，使得樣品的致密度提高，硬度增大。

2.3 燒結(jié)溫度對(duì)銅尾礦多孔陶瓷密度的影響

圖3為燒結(jié)溫度對(duì)銅尾礦多孔陶瓷的密度的影響。

圖3 燒結(jié)溫度對(duì)銅尾礦多孔陶瓷的密度的影響

從圖3可以看出，在銅尾礦與鉀長(zhǎng)石比為1∶1時(shí)，多孔陶瓷的密度隨著燒結(jié)溫度的增加先增加再減少，在1 200 ℃燒結(jié)時(shí)，密度急劇降低。當(dāng)銅尾礦與鉀長(zhǎng)石比為1.0∶1.5時(shí)，多孔陶瓷的密度在1 150～1 180 ℃隨著燒結(jié)溫度的變化不明顯，在1 200 ℃燒結(jié)時(shí)，密度大幅度地降低。這是因?yàn)?，在更高溫?zé)Y(jié)時(shí)，發(fā)泡劑或可揮發(fā)成分分解完全，在顆粒間形成的液相中產(chǎn)生氣泡，液相冷卻后氣泡成為孔洞，導(dǎo)致銅尾礦多孔陶瓷內(nèi)部形成較多孔隙，致密度下降。這與前面討論的銅尾礦多孔陶瓷的肖氏硬度在更高溫度燒結(jié)時(shí)的變化是一致的。對(duì)于尾礦與鉀長(zhǎng)石比為1∶2的多孔陶瓷，其密度隨燒結(jié)溫度的增加而增加。這是因?yàn)?，鉀長(zhǎng)石含有較大量的堿金屬氧化物，堿金屬氧化物是燒結(jié)中的良好助溶劑，有效降低燒結(jié)溫度，促進(jìn)固體顆粒間形成液相，液相填充了固體顆粒間的空隙，使得多孔陶瓷致密度相對(duì)較高，因此可能出現(xiàn)密度增加的情況。

2.4 燒結(jié)溫度對(duì)銅尾礦多孔陶瓷吸水率的影響

圖4為不同燒結(jié)溫度下銅尾礦多孔陶瓷的吸水率變化圖。

圖4 不同燒結(jié)溫度下銅尾礦多孔陶瓷的吸水率

由圖4可知，銅尾礦多孔陶瓷的吸水率隨著燒結(jié)溫度的上升呈現(xiàn)先減少后增大再減少的趨勢(shì)。燒結(jié)溫度為1 200 ℃的尾礦多孔陶瓷樣品的吸水率最小。燒結(jié)溫度為1 150 ℃、1 160 ℃和1 180 ℃的尾礦多孔陶瓷樣品的吸水率為16%～23%。燒結(jié)溫度為1 150 ℃、1 160 ℃和1 180 ℃時(shí)，銅尾礦多孔陶瓷的吸水率變化隨溫度的變化不明顯，當(dāng)燒結(jié)溫度提高到1 200 ℃時(shí)，多孔陶瓷樣品表面玻璃化程度增加，使多孔陶瓷樣品的吸水率下降。同時(shí)，由于多孔陶瓷樣品表面的玻璃化，使多孔陶瓷樣品表面形成一層不透水的“保護(hù)層”，增加了水滲透浸入多孔陶瓷內(nèi)部的難度，使得多孔陶瓷的吸水率降低。相同燒結(jié)溫度下，尾礦多孔陶瓷的吸水率隨著尾礦含量的減少而逐漸減少。這是因?yàn)闃悠分心軌虍a(chǎn)生氣孔的氧化鐵的含量隨著尾礦含量的減少而減少，引起樣品吸水率的下降。這與前面討論的銅尾礦多孔陶瓷的肖氏硬度隨尾礦含量減少的變化規(guī)律是一致的。另一方面，隨著鉀長(zhǎng)石含量的增加，堿金屬氧化物的含量隨之增大，高溫?zé)Y(jié)時(shí)容易產(chǎn)生液相，當(dāng)液相含量足夠多時(shí)，在表面張力的作用下，液相會(huì)填充進(jìn)顆粒間的孔隙中，占據(jù)孔隙的位置，壓縮孔隙的空間，使通孔變成閉孔，甚至完全填滿孔隙，導(dǎo)致樣品的吸水率下降[7]。

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)將銅尾礦和鉀長(zhǎng)石進(jìn)行適量配比，采用直接燒結(jié)的方法和發(fā)泡工藝，添加CaCO3作為發(fā)泡劑，制備了多孔陶瓷。經(jīng)XRD測(cè)試分析，銅尾礦多孔陶瓷的主晶相為白榴子石、硅灰石和鎂黃長(zhǎng)石。研究結(jié)果表明，燒結(jié)溫度對(duì)銅尾礦多孔陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)、硬度、體積密度和吸水率產(chǎn)生了重要的影響。燒結(jié)溫度的升高有利于白榴子石相的形成。當(dāng)燒結(jié)溫度>1 160 ℃時(shí)，銅尾礦多孔陶瓷的硬度隨著燒結(jié)溫度的升高而減少。銅尾礦多孔陶瓷的密度在1 150～1 180 ℃時(shí)隨著燒結(jié)溫度的變化不大，而在1 200 ℃燒結(jié)時(shí)，密度變化非常明顯。吸水率隨著燒結(jié)溫度的升高呈現(xiàn)先減少后增大再降低的趨勢(shì)。對(duì)于不同尾礦含量的多孔陶瓷，其吸水率都在1 180 ℃燒結(jié)時(shí)達(dá)到最大。

1 賴才書(shū),胡顯智,字富庭.我國(guó)礦山尾礦資源綜合利用現(xiàn)狀及對(duì)策[J].礦產(chǎn)綜合利用,2011(4):11～13

2 夏平,李學(xué)亞,劉斌.尾礦的資源化綜合利用[J].礦業(yè)快報(bào),2006(50):10～11

3 向鵬成,謝英亮.尾礦利用的經(jīng)濟(jì)性潛力分析[J].礦產(chǎn)保護(hù)與利用,2002(1):50～54

4 盧穎,孫勝義.我國(guó)礦山尾礦生產(chǎn)現(xiàn)狀及綜合治理利用[J].礦業(yè)工程,2007,5(2):53～55

5 陳甲斌,王海軍,余良暉.銅礦尾礦資源調(diào)查評(píng)價(jià)、利用現(xiàn)狀、問(wèn)題與政策[J].礦產(chǎn)與礦業(yè),2011(12):14～20

6 羅民華.多孔陶瓷實(shí)用技術(shù)[M].北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社,2006

7 蒲永平,李品,董子靖.燒結(jié)溫度對(duì)BaTiO3多孔陶瓷性能的影響[J].陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào),2013,31(5):54～57

Effects of Sintering Temperature on the Physical Properties of Porosity Ceramics Based on Copper Ore Tailings

Guan Yujie

(Foshan Oceano Ceramics Co.,Ltd.,Guangdong,Foshan,528138)

In this article, a kind of porosity ceramics was prepared using copper ore tailings and potassium feldspar with adding CaCO3as the pore-forming materials. The effects of sintering temperature on the crystallization phase, shore hardness, density, water absorption of the porosity ceramics were investigated systematically. The results indicate that the main crystalline phases of the porosity ceramics are leucite, wollastonite and akermanite. The increasing temperature favors the formation of leucite. The hardness of the porosity ceramics drops with the rise of temperature when the temperature above 1 160 ℃. The density of the porosity ceramics exhibits rather temperature independent behaviors in the range of 1 150 ℃ to 1 180 ℃. However, it changes obviously when further raising the temperature. For the porous ceramics with different content of copper ore tailings, the water absorption reaches maximum at 1 180 ℃。

Copper ore tailings; Porosity ceramics; Sintering temperature; Physical properties

官鈺潔(1988-)，碩士研究生，工程師；主要從事多孔陶瓷的研究工作。*

TQ175

A

1002-2872(2016)09-0033-04