尾礦微晶玻璃的制備及其性能研究

侯芹芹，楊春娣，馬欣彤

(西安建筑科技大學(xué)華清學(xué)院，陜西 西安 710043)

尾礦微晶玻璃的制備及其性能研究

侯芹芹1，楊春娣1，馬欣彤1

(西安建筑科技大學(xué)華清學(xué)院，陜西西安710043)

文章研究了不同燒結(jié)溫度對(duì)微晶玻璃各項(xiàng)性能的影響，獲得了樣品性能指標(biāo)與溫度的變化規(guī)律。結(jié)果表明，隨著燒結(jié)溫度的升高，樣品的密度、莫氏硬度和抗腐蝕性等性能先增加后降低。當(dāng)燒結(jié)溫度在1000℃時(shí)，樣品的性能最好。密度為4.155g·cm-3，樣品的莫氏硬度大于6.5，酸中的重量損失為0.18%，堿性重量損失為0.05%。

微晶玻璃；尾礦；燒結(jié)

隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)增長方式使得我國資源短缺的矛盾日益突出，環(huán)境壓力越來越大。目前，我國尾礦堆放數(shù)量巨大，占用了大量的土地，對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染，甚至帶來了一些安全隱患，國家在尾礦維護(hù)方面也耗用了大量的人力、物力、財(cái)力等，效果也并不盡人意[1-2]。國家出臺(tái)了一系列政策，鼓勵(lì)將尾礦進(jìn)行高效再利用。

微晶玻璃也稱玻璃陶瓷，一般是指對(duì)添加了成核劑的具有特定組成的基礎(chǔ)玻璃進(jìn)行熱處理后所得到的含有大量微晶體和玻璃相均勻分布的多晶固體復(fù)合材料，具有抗水合、抗水化、抗氧化，機(jī)械強(qiáng)度高，介電損耗低，熱膨脹系數(shù)低，熱振穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，許多常規(guī)材料無法或難以達(dá)到，因而成為一類獨(dú)特的新型材料[3-5]。金屬尾礦主要成分是SiO2、CaO、Al2O3、MgO等無機(jī)金屬氧化物，而這些成分也是微晶玻璃生產(chǎn)所需要的重要原料。通過利用金屬尾礦制備微晶玻璃可以有效解決環(huán)境污染問題，同時(shí)合理利用廢棄物提高資源利用率，增加經(jīng)濟(jì)效益，響應(yīng)國家綠色可持續(xù)的發(fā)展戰(zhàn)略。

本文以銅尾礦為原料制得的微晶玻璃具有耐腐蝕、亮高度、高硬度等特點(diǎn)，在有效提高資源利用率的同時(shí)降低微晶玻璃的生產(chǎn)成本。此外，其與現(xiàn)有銅尾礦處理技術(shù)相比具有工藝簡單，低污染，低能耗，產(chǎn)品附加值高的優(yōu)點(diǎn)，所得產(chǎn)品在建筑材料、裝飾材料等領(lǐng)域具有巨大的市場(chǎng)潛力。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和儀器

銅尾礦、蒸餾水、1%NaOH、1%H2SO4、無水乙醇等原材料。CD-1700X型馬弗爐，SX3型陶瓷纖維節(jié)能高溫箱式電阻爐、101-3型電熱鼓風(fēng)干燥箱、電子天平、瑪瑙研缽。

1.2 試驗(yàn)方法

將銅尾礦粉碎處理后加無水乙醇研磨均勻后放入剛玉坩堝中，而后置于CD-1700X型馬弗爐中，由室溫以5℃/min的速率升溫至1450℃保溫4.5h，使得銅尾礦全部熔化，將融化的銅尾礦迅速從爐中取出，并直接水淬，獲得基礎(chǔ)玻璃相。將基礎(chǔ)玻璃置于馬弗爐中分別900℃、950℃、1000℃、1050℃、1100℃晶化2h，最后得到銅尾礦微晶玻璃。本研究采用燒結(jié)法制備微晶玻璃，所采用的工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 燒結(jié)溫度分析

不同溫度下銅尾礦所燒結(jié)的成品如圖2。

圖2 在不同溫度燒結(jié)銅尾礦的宏觀形貌

不同溫度下銅尾礦燒結(jié)情況如表1：

表1 不同溫度下燒結(jié)情況

由圖1、表1可知在實(shí)驗(yàn)過程中，當(dāng)溫度在900℃時(shí)，試樣燒結(jié)情況較950℃和1000℃時(shí)差，當(dāng)溫度升至1100℃，試樣開始融化，因此，該銅尾礦的最佳燒結(jié)溫度在950～1000℃之間。

2.2 密度分析

采用阿基米德排水法對(duì)不同溫度下銅尾礦所燒結(jié)微晶玻璃的密度進(jìn)行分析，如表2所示。

表2 不同溫度下燒結(jié)后微晶玻璃的密度

由表2可知，燒結(jié)溫度小于1000℃時(shí)，試樣的密度與燒結(jié)溫度呈正相關(guān)，即溫度升高有利于提高試樣密度；1000℃是試樣密度曲線的拐點(diǎn)，當(dāng)溫度超過1000℃時(shí)，試樣密度隨著溫度的繼續(xù)升高而迅速降低。

2.3 莫氏硬度分析

通過查表可知莫氏硬度的標(biāo)準(zhǔn)范圍，利用日常生活中常見的物品來劃刻樣品，從而大致確定其硬度范圍。指甲的莫氏硬度為2.5，硬幣為3.5，小鋼刀為5.5，玻璃為6.5.經(jīng)試驗(yàn)，試樣的莫氏硬度質(zhì)如表3所示。

表3 不同燒結(jié)溫度下試樣的硬度值范圍

由表3可知，隨著溫度的上升，試樣的莫氏硬度逐漸上升，在900℃-1000℃之間，試樣的硬度隨著溫度的上升逐漸增大，且增速明顯，說明在該溫度段內(nèi)，晶體內(nèi)部的原子熱運(yùn)動(dòng)明顯增強(qiáng)，在溫度達(dá)到1000℃時(shí)，原子間的引力和斥力趨于平衡，這個(gè)時(shí)刻晶體的莫氏硬度達(dá)到最高，大于6.5，試樣穩(wěn)定性最好，隨著溫度的持續(xù)升高，試樣的莫氏硬度迅速下降，猜想或?yàn)闇囟壬邔?dǎo)致試樣的堆積方式發(fā)生變化，晶格中各點(diǎn)的距離減少，振動(dòng)加強(qiáng)，排斥力增大，使晶格能降低，試樣的穩(wěn)定性降低，硬度下降。

2.4 耐酸堿性分析

將在不同溫度下燒結(jié)后的試樣置于1%的H2SO4溶液中浸泡24h后質(zhì)量變化情況如表4所示。

表4 酸性條件下試樣腐蝕程度隨溫度變化

表4(續(xù))

將在不同溫度下燒結(jié)后的試樣置于1%的NaOH溶液中浸泡24h后質(zhì)量變化情況如表5所示。

表5 堿性條件下試樣腐蝕程度隨溫度變化

由表4和表5可知，在900～1000℃之間，試樣的耐酸堿腐蝕性隨著溫度的上升逐漸增強(qiáng)，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是：隨著溫度的上升，試樣的表面積不斷減小，從而減小了與酸堿反應(yīng)的表面積，失重率下降，在燒結(jié)溫度為1000℃時(shí)失重率最低；燒結(jié)溫度高于1000℃，失重率隨溫度的升高而迅速提高。分析認(rèn)為，結(jié)合試樣密度與溫度的關(guān)系，當(dāng)燒結(jié)溫度高于1000℃后，試樣密度隨溫度升高而降低，質(zhì)量不變，則其體積和比表面積隨之增大，酸堿反應(yīng)的反應(yīng)界面面積增大，單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)速率提升，使試樣失重增加。

3 結(jié)論

本文以銅尾礦為原料，重點(diǎn)研究溫度對(duì)銅尾礦燒結(jié)制得的微晶玻璃各項(xiàng)性能的影響，在對(duì)比不同燒結(jié)溫度條件下制得的樣品密度、莫氏硬度和耐酸堿性等性能變化后得出結(jié)論：銅尾礦通過燒結(jié)制得微晶玻璃方案可行，具有高利用率、低污染等特點(diǎn)，且試樣密度隨溫度上升先減小后增大，莫氏硬度先隨溫度的升高而增大，后隨溫度的升高而降低，耐酸堿性隨著溫度的升高而逐漸降低。在燒結(jié)溫度控制在1000℃時(shí)，微晶玻璃試樣的各項(xiàng)性能達(dá)到最優(yōu)，密度達(dá)到峰值為4.155g·cm3，在酸性條件下，失重率最小，僅為0.18%，之后試樣的失重率開始上升；在堿性條件下，當(dāng)溫度為1000℃時(shí)，失重率最小僅為0.05%。且莫氏硬度大于6.5，因此1000℃是樣品銅尾礦燒結(jié)法制微晶玻璃的最佳燒結(jié)溫度。

[1] 龍文志.微晶玻璃及微晶玻璃幕墻[J].中國建材, 2001 (3) :47-49.

[2] 韓 茜,張 洋.鐵尾礦微晶玻璃的制備及其性能研究[J].商洛學(xué)院學(xué)報(bào), 2015 (6) :37-40.

[3] 徐鳳平，周興龍，胡天喜.我國尾礦資源利用現(xiàn)狀及建議[J].云南冶金, , 2007 , 36 (4) :25-27.

[4] 陳曉玲 .低硅鐵尾礦制微晶玻璃的試驗(yàn)研究[J].礦產(chǎn)綜合利用, , 2011 (5) :41-44.

[5] 劉 倩，周春生.銅尾礦微晶玻璃的制備及其性能研究[J].商洛學(xué)院學(xué)報(bào), , 2015 (6) :41-44.

(本文文獻(xiàn)格式：侯芹芹，楊春娣，馬欣彤.尾礦微晶玻璃的制備及其性能研究[J].山東化工，2017，46(16)：51-52.)

Preparation and Properties of Microcrystalline Glass from Tailings

Hou Qinqin1，Yang Chundi1，Ma Xintong1

(Xi'an University of Architecture and Technology Huaqing Collage，Xi'an 710043，China)

In this paper, the effects of different sintering temperatures on the properties of microcrystalline glass were investigated. The results showed that with the sintering temperature rising, the properties of the sample were increasing firstly and then decreasing. The properties of the sample were the best when the sintering temperature at 1000℃. The density was 4.155 g ·cm-3, the Mohs' hardness of the sample was greater than 6.5, the weight loss in acid was 0.18%, alkaline weight loss was 0.05%. Therefore, for the best properties, the best sintering temperature of this tailing was 1000℃.

microcrystalline glass; tailing; sintering

TQ171.733

：A

：1008-021X(2017)16-0051-02

2017-05-25

侯芹芹(1985—)，女，碩士研究生，講師，研究方向：功能材料的合成與應(yīng)用。