燒結(jié)溫度對錳渣制備多孔陶瓷材料的性能影響

摘 " " "要：以電解錳渣、廢玻璃、高嶺土、碳粉為原材料，在不同的燒結(jié)溫度下制備多孔陶瓷材料，研究了燒結(jié)溫度對多孔陶瓷材料性能的影響。通過XRD、SEM、壓縮強(qiáng)度測試、孔隙率測試對樣品的物相形貌及性能進(jìn)行了表征，結(jié)果表明燒結(jié)溫度為900 ℃的樣品，綜合性能最好，其抗壓強(qiáng)度為11.98 MPa， 孔隙率為59.1%。

關(guān) "鍵 "詞：電解錳渣；多孔陶瓷；燒結(jié)溫度；綜合性能

中圖分類號：TQ174.75 " " "文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A " " "文章編號： 1004-0935（2023）04-0478-03

當(dāng)今社會，工業(yè)發(fā)達(dá)迅速，金屬錳的相關(guān)產(chǎn)業(yè)也迅速發(fā)展起來，錳元素主要用于鋼鐵制造，清潔能源鋰離子電池正極材料等[1]。隨著對錳元素需求量的增多，富含錳礦的銅仁地區(qū)的錳產(chǎn)業(yè)發(fā)展越來越迅速。金屬錳主要通過電解或者氧化錳礦而得，不管采用哪種方法都會產(chǎn)生大量的副產(chǎn)品錳渣，大量錳渣無法得到大批量的處理及利用出現(xiàn)嚴(yán)重滯存現(xiàn)象。很多學(xué)者或研究單位都對其進(jìn)行了不同程度的研究，試圖解決錳渣存放、回收等問題，但都沒有取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展[2]。目前對于電解錳渣的現(xiàn)有處理方法主要有掩埋、露天堆放、回收利用等，這些方法都沒有成熟的技術(shù)，不僅成本非常的高且產(chǎn)生的危害也非常的大，例如占用大量的土地、造成資源浪費(fèi)、污染土壤及其水資源等。現(xiàn)在大家的研究方向主要是將錳渣制備成建筑材料[3]，如混凝土、瀝青、水泥、陶瓷材料、保溫材料等，還有的研究了錳渣的回收利用，如對錳渣所含的重金屬元素進(jìn)行提純。不管是哪一類的研究，都沒有從根本上解決錳渣問題，都不能將錳渣大規(guī)模的使用起來，綜上所述，錳渣的處理依然是急需解決的難題。陶瓷材料是一種無機(jī)非金屬材料，其種類較多，主要是根據(jù)其原材料及燒成工藝分類，其應(yīng)用廣泛，如建筑材料、航空領(lǐng)域等，如果能夠采用某種廉價(jià)的原材料制備出陶瓷材料，并能得到廣范應(yīng)用，那么在成本、環(huán)境友好方面也會有一定的突破，多孔陶瓷材料由于其特殊的物理化學(xué)性質(zhì)，近年來，對其感興趣的研究者越來越多，都希望能夠通過成本最低的手段獲得性能較好的成品，因此，本項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在前人研究的基礎(chǔ)上，前期已經(jīng)對錳渣含量對其制備多孔陶瓷材料的性能影響進(jìn)行了研究，已經(jīng)確定了錳渣制備多孔陶瓷材料的最佳配比，現(xiàn)在主要探索不同燒結(jié)溫度對電解錳渣制備多孔陶瓷材料性能影響，找到其燒結(jié)的最佳溫度，為后續(xù)的相關(guān)研究提供參考。

1 "實(shí)驗(yàn)部分

1.1 "實(shí)驗(yàn)原料及設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)所需的原材料電解錳渣來自某電解錳廠，廢玻璃選用的是雪花啤酒瓶，高嶺土選用的是國產(chǎn)的，其直徑為11微米，造孔劑選用的是碳粉，川東生產(chǎn)的。使用的主要設(shè)備詳見表1。

2 "實(shí)驗(yàn)方法

1）首先將一定質(zhì)量的錳渣、洗凈的啤酒瓶放在烘干機(jī)中烘干，溫度設(shè)置為105 ℃，將烘干的錳渣和啤酒瓶分別在球磨機(jī)中研磨，過300目篩后存放在干燥箱中，隨后將電解錳渣、廢玻璃、高嶺土按20%、70%、10%比例混合均勻，碳粉外加0.5 g，混好的樣品在常溫下陳化12 h后移至溫度為65℃的烘干機(jī)中烘干至半干狀態(tài)，隨即壓成片狀，直徑為20 mm，選用的成型壓力5 MPa， 壓好的樣品全部放在干燥箱里烘干待燒，溫度為105 ℃，最后根據(jù)確定好的燒結(jié)曲線對樣品進(jìn)行燒結(jié)。本實(shí)驗(yàn)主要是研究燒結(jié)溫度對多孔陶瓷材料性能的影響，通過前期的實(shí)驗(yàn)，得出了錳渣制備多孔陶瓷材料的最優(yōu)配比，因此本實(shí)驗(yàn)選擇了上述的實(shí)驗(yàn)配比，燒結(jié)溫度范圍為800～1 000 ℃，梯度為50 ℃，燒結(jié)溫度分別800 ℃，850 ℃，900 ℃，950 ℃，1 000 ℃，對應(yīng)的樣品編號為H1、H2、H3、H4、H5，保溫時間1 h，隨爐冷卻，具體的燒結(jié)過程見圖1。

2 "結(jié)果與討論

2.1 "多孔陶瓷材料的物相及形貌分析

圖2是燒結(jié)溫度為900 ℃（H3）樣品的XRD圖譜，掃描速度為快速掃描，通過圖譜可以看出，樣品在2θ角為27°左右的衍射峰最強(qiáng)，用Jade軟件對樣品進(jìn)行了物相分析，發(fā)現(xiàn)樣品主要含SiO2，從圖上還可以看出，樣品的結(jié)晶度不是很好，這應(yīng)該跟樣品的制備、造孔劑、燒結(jié)溫度、配比等有關(guān)，通過前期的探索，發(fā)現(xiàn)錳渣含量越高，樣品的結(jié)晶度越好，但是綜合性能下降，具體原因，后期將會繼續(xù)探索；圖3為H3樣品的SEM形貌圖，放大倍數(shù)為100倍和5 000倍，從放大100倍的圖中可以看到，樣品的孔徑是不均勻的，從放大500倍的圖形中可以看到，樣品的結(jié)晶也不均勻，這可能是物料混合不均勻，本實(shí)驗(yàn)中，樣品的混合是手工混合，可能會出現(xiàn)局部混合不均勻，也有可能保溫時間選擇不合理造成的，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，樣品燒結(jié)的保溫時間對樣品的綜合性能也有較大的影響，具體原因正在進(jìn)一步探索中。

2.2 "燒結(jié)溫度對多孔陶瓷材料孔隙率和抗壓強(qiáng)度的影響

多孔陶瓷材料的一個重要性能指標(biāo)就是氣孔率，因此，本文采用阿基米德原理對樣品的氣孔率進(jìn)行了測定，圖4為樣品的氣孔率；其氣孔率分別為51.6%、55.7%、59.1%、65.3%、67.2%，隨著燒結(jié)溫度的升高，樣品的氣孔率是逐漸增大，燒結(jié)溫度為800 ℃時，樣品的氣孔率最低，原因可能是造孔劑的選擇，據(jù)文獻(xiàn)[4]報(bào)道，碳粉屬于低溫造孔劑，在800 ℃左右就會燃盡，因此，H1的樣品有可能是碳粉沒有完全燃燒，沒有充分形成氣孔，隨著溫度的升高，碳粉完全燃燒，形成了足夠的氣孔，孔隙率逐漸上升，燒結(jié)溫度為950 ℃到1 000 ℃的樣品，氣孔率變化沒有前面三個樣品的變化大，可能的原因是溫度太高，出現(xiàn)了部分過燒，產(chǎn)生液相，導(dǎo)致部分氣孔坍塌，所以變化有所改變[5]。

圖5為樣品的抗壓強(qiáng)度，其抗壓強(qiáng)度分別為5.03 MPa、8.32 MPa、11.98 MPa、9.52 MPa、4.31 MPa，隨著燒結(jié)溫度的升高，樣品的壓縮強(qiáng)度首先降低隨后增加最后又降低，其中H3樣品的抗壓強(qiáng)度最高，達(dá)到11.98.3 MPa，H5樣品的抗壓強(qiáng)度最低，為4.31 MPa。

造成強(qiáng)度變化趨勢的原因可能是樣品里二氧化硅的含量以及樣品的物相，二氧化硅是陶瓷材料的強(qiáng)度來源[9]，其次就是燒結(jié)溫度的影響，燒結(jié)溫度較低，樣品結(jié)晶不完整，隨著溫度的升高，當(dāng)燒結(jié)溫度到達(dá)一定的溫度時，樣品會出現(xiàn)一定的玻璃相，有文獻(xiàn)表明，用廢玻璃制備多孔陶瓷材料時，其燒結(jié)的最高溫度約在900～950 ℃，造孔劑不同，保溫時間不同，最高燒結(jié)溫度會發(fā)生上下波動，當(dāng)燒結(jié)溫度超過上述溫度時，就會不同程度地產(chǎn)生液相，這些液相也填充氣孔，此外，溫度過高時，小孔會消失，變成大孔，根據(jù)文獻(xiàn)[6]，當(dāng)產(chǎn)生大孔時，就產(chǎn)生了微觀裂紋，力學(xué)性能就會下降，上述原因應(yīng)該就是造成多孔陶瓷材料抗壓強(qiáng)度的主要原因，后期將會從保溫時間，造孔劑類型等繼續(xù)探索錳渣制備多孔陶瓷材料的最佳條件。

3 "結(jié) 論

本文以錳渣、啤酒瓶、高嶺土、碳粉作為原材料制備了多孔陶瓷材料，結(jié)果表明：隨著燒結(jié)溫度的升高，樣品的孔隙率逐漸上升，抗壓強(qiáng)度先增加后下降，綜上所述，綜合性能最好的樣品為燒結(jié)溫度為900 ℃的樣品，其孔隙率為59.1%，抗壓強(qiáng)度為11.98 MPa，此實(shí)驗(yàn)結(jié)果為下一步的實(shí)驗(yàn)研究提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]張楊，劉少友，冉嵐，等. 表面活性劑輔助制備電石渣陶瓷磚工藝及其性能[J].中國陶瓷，2017，53（1）：76-81.

[2]羅飛，何慶文.環(huán)境功能材料的研究進(jìn)展及應(yīng)用[J].信息記錄材料，2019，20（10）：24-25.

[3]侯鵬坤.電解錳渣制備類硫鋁酸鹽水泥初步研究 [D].重慶：重慶大學(xué)，2009.

[4]徐鵬，張長森，馮厚坤.造孔劑對粉煤灰-城市污泥多孔陶瓷性能的影響[J].中國陶瓷，2015（4）：63-67.

[5]羅學(xué)維，石朝軍，陳上，等.電解錳渣制備輕質(zhì)發(fā)泡陶瓷保溫板工藝及性能研究[J].中國錳業(yè)，2016，34（6）：125-129.

[6]完么東智，李玉香.電解錳渣制備多孔陶瓷材料的性能表征[J].中國陶瓷，2018， 54（4）： 51-56.

Effect of Sintering Temperature on Properties of Porous Ceramics

YAO Qiu-man， WU Wen-cheng， ZHU Qin-qin， CAO Jiang-long， LUO Fei

（Tongren Polytechnic College， Tongren Guizhou 554300， China）

Abstract： Porous ceramic materials were prepared from electrolytic manganese slag， waste glass， kaolin and carbon powder at different sintering temperatures， and the effect of sintering temperature on the properties of porous ceramic materials was studied. The phase morphology and properties of the samples were characterized by XRD， SEM， compressive strength test and porosity test. The results showed that the samples sintered at 900 ℃ had the best comprehensive properties， with compressive strength of 11.98 MPa and porosity of 59.1%.

Key words： Electrolytic manganese residue;Porous ceramic; Sintering temperature; Comprehensive performance