煤礦廢棄物煤矸石制備泡沫陶瓷的研究

任濤，胡新萍，王超男，姜威(山西工程技術學院，山西 陽泉 045000)

0 引言

煤炭作為主要燃料，在開采煤炭時會產生大量的廢棄物煤矸石，而陽泉市作為采煤主力軍，存在很多煤矸石堆，據報道，我國現有煤矸石堆約5 000多個，而且每年還在新增[1]，這樣大量的堆積不但占用了大量土地資源，同時還會嚴重污染環境[2]，對煤矸石的利用成為比較熱門的一大研究課題，而目前我國煤矸石的綜合利用率僅為65%左右，主要利用煤矸石制備燒結磚[3-4]。

泡沫陶瓷，也稱多孔陶瓷，微孔分布均勻且相互之間貫通，具有耐腐蝕、透過性高、比表面積大、耐高溫等特點，可應用于保溫隔熱隔音材料等[5]。胡明玉等[4]研究了煤矸石、頁巖、滑石和拋光渣等的用量對泡沫隔熱陶瓷密度、吸水率等的影響，同時研究發現滑石可降低燒成溫度。繆松蘭[6]等以拋光廢渣為主要原料，添加粘土類原料和溶劑類原料制備輕質陶瓷材料，研制出了以閉氣孔為主的輕質陶瓷材料。蔡紅玉等[7]以a-SiC為原料，Al2O3及SiO2為燒結助劑制備了SiC泡沫陶瓷，研究結果表明，燒結助劑有利于實現液相燒結并且降低燒結溫度。楊瑩等[8]以Al2O3、Y2O3作為燒結助劑，改善泡沫陶瓷致密度的問題，采用有機模板復制法及多次浸漬涂覆工藝制備了高強度碳化硅泡沫陶瓷材料，研究表明隨著燒結溫度的提高，孔棱致密度增加，抗壓強度顯著提高。周新濤[9]研究了用粉煤灰制備磷酸鹽泡沫陶瓷新工藝，并通過工藝的優化得到了綜合性能優越的泡沫陶瓷。

文章采用煤矸石塊、廢棄陶瓷片為主要原料，添加助溶劑滑石粉，造孔劑碳酸鈉，經壓制后分別在800 ℃、900 ℃、1 000 ℃及1 100 ℃下燒結制備煤矸石泡沫陶瓷，研究在不同燒成溫度下，其表觀密度、氣孔率、抗壓強度及宏觀氣孔形貌的變化。

1 實驗

1.1 實驗原料

實驗所用的主要原料有山西省陽泉市新景煤礦的煤矸石、山西省陽泉市平定縣瑩玉陶瓷有限公司的廢棄陶瓷，輔助原料有起助溶劑作用的滑石粉以及起發泡作用的碳酸鈉。

1.2 實驗流程

將煤矸石塊和廢棄陶瓷片破碎后，分別在行星式球磨機中球磨2 h，取出后過100目篩備用。將煤矸石粉在馬弗爐中1 000 ℃燒制1 h去除有機揮發物等，稱取煤矸石粉60 g，滑石粉25 g，廢棄陶瓷片15 g，碳酸鈉5 g，在球磨機中球磨1 h使粉末更加均勻并混勻。然后用液壓式壓片機以2 MPa的壓力干壓成型制得陶瓷生坯，尺寸大小為φ20*5 mm。將生坯放置在高溫馬弗爐中以10 ℃/min的升溫速率升溫至800 ℃，之后再以5 ℃/min的升溫速率升溫至900 ℃，1 000 ℃和1 100 ℃，再保溫30 min后隨爐冷卻，即可得到泡沫陶瓷樣品。

1.3 性能測試

利用阿基米德排水法測定煤矸石泡沫陶瓷的表觀密度，顯氣孔率；采用JSM-IT200掃描電鏡對樣品氣孔進行觀察表征；通過萬能試驗機測試樣品的抗壓強度。

2 實驗結果與分析

2.1 燒成溫度對表觀密度和顯氣孔率的影響

煤矸石泡沫陶瓷的體積密度和顯氣孔率隨燒制溫度的變化情況如圖1所示。由圖可知：隨著燒成溫度升高，體積密度先減小后迅速增加，氣孔率則先增加后減小。當燒成溫度為800℃時，泡沫陶瓷的體積密度為1.82 g/cm3，氣孔率為33.6%；當燒成溫度升到900 ℃時，泡沫陶瓷的體積密度為1.67 g/cm3，氣孔率為38.3%；當燒成溫度到1 000 ℃時，其體積密度稍有下降，為1.65 g/cm3，氣孔率為42.3%，氣孔率的增加是由于Na2CO3受熱分解產生CO2，CO2氣體在樣品內部產生氣孔；當燒成溫度上升到1 100 ℃時，體積密度增至2.56 g/cm3，氣孔率減少至4.6%，這是由于此時滑石的助熔效果變得非常明顯，使得樣品體積收縮變大，阻礙了氣孔的增大，氣孔率快速下降。

圖1 不同燒成溫度對泡沫陶瓷體積密度和氣孔率的影響

2.2 燒成溫度對樣品氣孔形貌的影響

不同溫度燒制泡沫陶瓷的宏觀形貌圖如圖2所示，從圖中可以看出：燒成溫度越高，制備的泡沫陶瓷試樣氣孔越大。當溫度為800 ℃ 時，氣孔小而均勻致密，當升高溫度為900 ℃時，氣孔有微微的長大趨勢，繼續升高溫度達到 1 000 ℃時，氣孔變大，泡沫陶瓷試樣平均孔徑增大，呈現疏松狀態，而當溫度為 1 100 ℃ 時，泡沫陶瓷試樣的平均孔徑繼續有微量的增大。這是由于燒成溫度低時，發泡劑碳酸鈉反應活性不高，發泡不充分，泡沫陶瓷致密度高，隨著燒成溫度增高，發泡劑的活性變高，分解產生的氣體增多，有利于氣泡長大。

圖2 不同燒成溫度下的煤矸石泡沫陶瓷試樣SEM圖

2.3 燒成溫度對抗壓強度的影響

不同燒成溫度對抗壓強度的影響如圖3所示。從圖中可以看出：隨著燒成溫度的升高，泡沫陶瓷的抗壓強度逐漸降低，這主要是因為燒成溫度增高，發泡劑碳酸鈉活性增強，產生的氣體增多，試樣內部氣孔多而疏松，抗壓強度低；另一方面，溫度越低，試樣內部的粘度越高，溫度升高時，粘結度有一定降低，抗壓強度下降，但強度值均滿足“高效能符合外墻外保溫材料”的抗壓強度的要求。

圖3 不同燒成溫度對抗壓強度的影響

3 結語

(1)隨著燒成溫度的升高，煤矸石泡沫陶瓷的體積密度先下降后升高，顯氣孔率先增加后急劇減少，當燒成溫度為1 000 ℃時，體積密度為1.65 g/cm3，氣孔率達到42.3%。

(2)隨著燒成溫度的增加，泡沫陶瓷的氣孔增大，抗壓強度下降。

(3)當燒成溫度增高時，滑石粉的助溶作用明顯增強，樣品的氣孔率下降，致密性增加，但粘結度下降使得抗壓強度降低，當燒成溫度為1 000 ℃時，抗壓強度達到22 MPa。