利用鋰尾礦生產發泡陶瓷的研究*

吳 冀 成智文 盧慶陽

(1 唐山莊信科技有限公司 河北 唐山 063000)(2 咸陽陶瓷研究設計院有限公司 陜西 咸陽 712000)

前言

隨著我國城市建設的發展，建筑耗能過大已成為一個丞待解決的問題。目前，國內用于保溫功能的建筑圍護墻外裝飾保溫材料多為有機材料，這種材料的缺點是易吸水變質、易燃燒、耐久性差。另一方面,我國工業尾礦的主要處理方式是堆放、填埋和綜合利用，其中堆放或填埋既占用了耕地，又污染了環境。因此，從建筑節能、工業尾礦利用的角度出發，開發兼具良好的保溫隔熱、節能、隔音、防火、與建筑體同壽命等多功能于一身的建筑陶瓷保溫材料，可替代現有的建筑圍護墻外裝飾有機保溫材料。利用工業尾礦生產建筑陶瓷保溫材料既解決了工業尾礦對環境的污染，又解決了建筑耗能過大的問題，是一種新型的綠色建筑陶瓷保溫材料產品。

保溫陶瓷板節能、防火等級高、高強度、耐腐蝕、與建筑同壽命且具有保溫隔熱性能，是當前研究的熱點[1]。萬云萍等[2]以建筑拋光泥為主要原料，于1 230 ℃燒結制備了吸水率為0.41%(質量分數)、抗壓強度為10.89 MPa、導熱系數為0.19 8 W/(m·K)的保溫陶瓷材料。羅淑芬等[3]以陶土尾礦于1 160 ℃燒結制備了吸水率為0.54%、抗壓強度為4.87 MPa、導熱系數為0.09 4 W/(m·K)的保溫陶瓷材料。楊航等[4]以鐵尾礦和廢石為主要原料,于1 160 ℃燒結制備了吸水率為0.48%、抗壓強度為2.20 MPa、導熱系數為0.09 0 W/(m·K)、防火等級為A級的保溫陶瓷材料。

利用鋰尾礦為主要原料制備保溫陶瓷板，以期對其進行綜合利用，同時彌補相關領域的研究不足。

2 實驗原料

本次實驗采用的主要原料來源于北方某廠生產過程中產生的鋰礦尾礦鋰尾礦，并添加高嶺土(陜西涇陽)、長石(陜西商洛)、方解石(陜西商洛)等陶瓷原料設計配方。各原料的化學組成見表 1。

表1 原料化學成分(wt%)

由上表可以看出鋰尾礦成分類似長石類原料，堿金屬氧化物含量相對較高，燒失較大，有利于制備發泡陶瓷。

3 發泡陶瓷的制備

3.1 基礎配比的確定

本研究以K2O-Al2O3-SiO2系統相圖為理論依據，通過查閱相關資料，分別采用鋰尾礦與高嶺土、長石、方解石等陶瓷原料進行樣品試制，添加高嶺土改善坯體可塑性；添加長石、方解石以降低產品燒成溫度；并外加一定量的發泡劑以在燒成時形成閉氣孔。采用正交試驗方法進行多組實驗。分別考察不同的配方對燒成溫度范圍、成孔性能、體積密度、產品強度的影響，并尋找最佳性能的坯體配比。滿足產品性能要求的坯體配比如表2所示。

表2 發泡陶瓷坯體配比(wt%)

3.2 工藝流程

保溫陶瓷板的制備工藝流程(見圖1)包括稱重混料、濕磨制漿、噴霧造粒、布料及入窯燒成，為獲得符合要求的保溫陶瓷板，需對工藝參數進行控制。

圖1 保溫陶瓷板的制備工藝流程圖

3.3 工藝參數

料∶球∶水=1∶2∶0.45;泥漿細度(250目篩篩余)≤1.00%;造粒料含水量≤1.5%;陳腐時間≥24 h;燒成溫度為1 180 ℃～1 220 ℃。

3.4 樣品表征

采用湘潭湘儀儀器有限公司生產的GKF-VIII硅酸鹽化學成分快速測定儀測定原料化學組成。使用篩分法測試了濕磨泥漿的細度。通過Archimedes原理測試了保溫陶瓷板的吸水率和體積密度。采用北京時代新天測控技術有限公司生產的TPMBE-300平板導熱儀測定了材料的導熱系數。通過日本電子株式會社制造的JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡對其顯微結構進行了觀測。

4 結果與討論

要生產出合格的發泡陶瓷，對泥漿細度要進行嚴格控制。我們用3種不同細度的泥漿制備原料，并進行對比試驗。

4.1 泥漿細度對產品性能的影響

由表3可以看出，在成孔劑的加入量、燒成溫度相同的情況下，泥漿的細度越細小，產品的燒成溫度越低，玻璃相在成孔劑生成氣體之前已形成。

表3 泥漿細度對產品性能的影響

當泥漿細度變粗時，坯體中產生的玻璃相量不足，坯體的孔隙較大，成孔劑所生成的氣體就會逸出，從而使得坯體內形成的閉口氣孔量不足，所形成的樣品體積密度較大，導熱系數也隨之增大。故本研究中最優的泥漿細度(250目篩篩余)應控制在≤1.00%。

4.2 發泡劑對發泡陶瓷性能的影響

生產發泡陶瓷保溫材料，目前的成孔方法有很多，即加入有機物、微珠、經過物質間反應產生氣體形成孔等。我們通過大量的實驗，最后確定了一種較適合本產品的發泡劑，并進行了定量試驗，確定了最佳的加入量。發泡劑對試制樣品的影響如表4所示。

表4 發泡劑加入量對產品性能的影響

由表4可以看出，當溫度一定時，隨著成孔劑量的增加，樣品的體積密度減小；當成孔劑加入量一定時，隨著燒成溫度的提高，樣品的體積密度減小。因此，本研究中發泡劑最佳添加量為0.6%左右。

4.3 燒成溫度對發泡陶瓷性能的影響

陶瓷燒成是坯體致密化及晶粒長大的過程，而燒成溫度顯著影響保溫材料中的孔結構與孔徑。圖2為同一配比、相同放大倍數，燒成溫度在1 180 ℃～1 220 ℃。之間產品的掃描電鏡圖。在1 180 ℃燒制出的產品的孔徑較小，孔壁較厚，強度高，燒結情況良好。在1 200 ℃下燒制出的產品孔徑較大，孔壁的燒結性也較好，產品的抗折、抗壓強度都較高。在1 220 ℃燒制出的樣品孔徑較大，樣品內玻璃相明顯，所形成的孔壁較薄，產品的抗壓、抗折強度較1 200 ℃燒成的樣品差。故選擇 1 200 ℃為本研究的最佳燒成溫度。不同溫度下電鏡掃描圖如圖2所示。

(a)燒成溫度1 180 ℃

4.4 保溫陶瓷板的表面裝飾

(a)

對本研究中獲得的綜合性能最優的保溫陶瓷板進行了表面裝飾，以提高其檔次及美感。 其裝飾過程為對燒成切割后的保溫陶瓷板涂抹膩子并噴涂真石漆。圖 5a為未加工裝飾的保溫陶瓷板，圖 5b為裝飾后的保溫陶瓷板，尺寸300 mm×300 mm×30 mm，裝飾后的保溫陶瓷板可應用于內墻外墻裝飾且具有質輕、高耐久性的特點，是一種性能優異、市場前景廣闊的產品。

5 結論

(1)燒成溫度為1 200 ℃、泥漿細度(250目篩篩余)≤1.00%且發泡劑添加量為0.6%時制備的保溫陶瓷板性能最佳：體積密度0.42 g/cm3，導熱系數0.08 W/(m·K)，抗壓強度7.00 MPa。

(2)燒成溫度、泥漿細度以及發泡劑添加量等因素中，發泡劑添加量對保溫陶瓷板的孔結構、孔徑大小及分布影響最為顯著，是獲得保溫陶瓷板的關鍵。通過調節發泡劑添加量可獲得不同平均孔徑不同導熱系數的保溫陶瓷板。

(3)燒成溫度過高,導致晶粒異常長大，氣體來不及排出從而形成大尺寸氣孔，對于獲得低導熱系數不利；燒成溫度過高還會因過燒降低材料的強度。

(4)泥漿細度影響保溫陶瓷板的孔徑大小及分布:泥漿細度(250目篩篩余)>1.00%時，制備所得保溫陶瓷板中的孔徑尺寸增大，孔分布均勻性急劇下降，對于獲得低導熱系數不利。

利用鋰尾礦，經過試驗可以制備出具有質量輕、保溫隔熱、隔音、防火、強度高與建筑體同壽命等特點，符合標準要求的發泡陶瓷。該產品可以用作室內隔墻材料，也可以用作外墻、屋面、窯爐等保溫材料，根據需要可以加工成不同的形狀尺寸。鋰尾礦用量可達70%以上，綠色環保、節約資源。