烧结温度对铜尾矿多孔陶瓷物理性能的影响研究*

2016-11-28官钰洁

陶瓷 2016年10期

关键词：钾长石氏硬度吸水率

官钰洁

(佛山欧神诺陶瓷股份有限公司广东佛山 528138)

烧结温度对铜尾矿多孔陶瓷物理性能的影响研究*

官钰洁

(佛山欧神诺陶瓷股份有限公司广东佛山 528138)

以铜尾矿和钾长石为主要原料，添加CaCO3为发泡剂，制备多孔陶瓷。研究了烧结温度对尾矿多孔陶瓷晶相、硬度、密度和吸水率的影响。结果表明：尾矿多孔陶瓷的主晶相为白榴子石，硅灰石和镁黄长石。烧结温度升高有利于白榴子石相的形成，当烧结温度>1 160 ℃后，多孔陶瓷的硬度总体上随着烧结温度的升高而降低。尾矿多孔陶瓷的密度在1 150～1 180 ℃，随着烧结温度的变化不大。进一步提高烧结温度，但密度变化则非常明显。对于不同尾矿含量的多孔陶瓷，其吸水率都在1 180 ℃烧结温度时达到最大。

铜尾矿多孔陶瓷烧结温度物理性能

前言

随着国民经济的发展，矿产资源需求与日俱增，矿业开发规模随之加大，尾矿的排放、堆积量越来越大。而大量堆存的尾矿不仅增加了企业的成本支出，同时也对周围的生态环境带来了巨大的影响。因此，深入开展尾矿的综合利用可以获取更高的社会和经济效益[1～2]。其中，尾矿用作建筑材料是尾矿综合利用的有效途径之一[3～5]。通过调整尾矿的成分制备出各种性能的陶瓷材料，其前景极为可观。近几年，利用尾矿来制备多孔陶瓷的研究引起了相关行业极大的重视。

多孔陶瓷是一种经过高温烧结，体内具有彼此相通的或闭合的气孔的新型陶瓷材料。利用材料中孔洞的结构或表面积，结合材料本身的材质来达到需要的电、磁、声、热等物理化学性能，从而可用作过滤、分离、分散、渗透、隔热、换热、吸声、隔音、吸附载体反应和传感及生物用途的材料[6]。多孔陶瓷成本低廉，制造工艺简单且性能优良，具有广阔的应用前景。在全球经济发展的推动下，工业飞速发展，但随之也对节约资源，保护环境的要求越来越高。多孔陶瓷正是适应了这种形势发展的新材料，它能够提高效率，节约能源，尤其是在环境保护方面发挥着越来越大的作用。利用尾矿制备多孔陶瓷既解决了尾矿的回收利用的问题，也能生产出更多性能优良的建筑材料。

本实验通过对铜尾矿的成分和粒度进行分析，利用发泡工艺，添加CaCO3作为发泡剂，并添加钾长石适当调节铜尾矿中SiO2和Al2O3的比例，制备多孔陶瓷。采用X射线分析、肖氏硬度计等测试方法对尾矿多孔陶瓷的物相、肖氏硬度、密度、吸水率等进行了表征。研究了不同烧结温度对尾矿多孔陶瓷物理性能的影响。

1 实验

实验选用的主要原料为湖北黄石铜绿山尾矿，内蒙古钾长石和325目的碳酸钙粉末。其中，铜尾矿的主要矿物组成为(K,Na)4Fe2(Si4O10)2(OH,F)。

铜尾矿的粒度分析如表1所示；铜尾矿和钾长石的主要化学组成如表2所示。

表1 尾矿粒度分布

表2 原料化学组成(质量%)

实验采用发泡法制备多孔陶瓷。首先将铜尾矿清洗、晒干，用振动磨进行研磨，使其粒度在200目以下。按照铜尾矿和钾长石质量比1∶x(x=1.0，1.5，2.0)进行配料，适当调节尾矿中SiO2和Al2O3的比例，在此基础上分别加入质量分数为7.5%的碳酸钙作为发泡剂，同时加入5%的PVA混合均匀。将混合均匀的粉料放入模具，用粉末压片机在18 MPa压力下将其成形为直径25 mm的圆片，并在高温电阻炉进行烧结，以5 ℃/min的速率分别升到1 150 ℃、1 160 ℃、1 180 ℃、1 200 ℃并保温1 h，然后再以5 ℃/min的速率冷却至850 ℃后再随炉冷却至室温。将烧结好的多孔陶瓷样品分别进行物相、肖氏硬度、密度、吸水率的测试分析。

本实验采用Rise-2002型激光粒度分析仪对尾矿的粒度进行分析；采用DY2198型X射线粉晶衍射仪对样品的物相进行测试；多孔陶瓷的硬度测试采用的是HS-19A型肖氏硬度计；参照GB/T 1966-1996《多孔陶瓷显气孔率、容重试验方法》对样品的密度和吸水率进行了测试。

2 结果与分析

2.1 铜尾矿多孔陶瓷的XRD分析

图1是烧结温度为1 150 ℃和1 180 ℃的铜尾矿多孔陶瓷的XRD图谱。

从图1可以看出，XRD图谱的衍射峰与卡片PDF 38-1423、PDF 27-0088、PDF 88-0845的衍射峰吻合，所含的主要物相为白榴子石KAlSi2O6，硅灰石CaSiO3和镁黄长石Ca2MgSi2O7。随着烧结温度的升高，位于2θ为31.28°的白榴子石相的衍射峰峰强增大，其表明了烧结温度的升高有利于白榴子石相的形成。

图1 不同温度下铜尾矿多孔陶瓷的XRD图谱

2.2 烧结温度对铜尾矿多孔陶瓷硬度的影响

图2是不同烧结温度下多孔陶瓷的肖氏硬度的变化图。

图2 不同烧结温度下铜尾矿多孔陶瓷的肖氏硬度

从图2可以看出，铜尾矿多孔陶瓷的肖氏硬度为20～32。对于铜尾矿与钾长石含量为1∶2的多孔陶瓷样品，其硬度随着烧结温度的增加而逐渐降低。而铜尾矿与钾长石含量为1∶1和1.0∶1.5的多孔陶瓷样品，硬度则随着温度的增加呈现先增加而后降低的趋势，其中样品的硬度在1 160 ℃时达到最大。由于碳酸钙在825 ℃开始分解释放气体，至1 100 ℃强烈分解，随着温度的增加，发泡剂分解越彻底，使样品中出现较多的孔状结构，致密度下降，宏观结构变疏松，导致样品的硬度下降。烧结温度在1 150 ℃、1 160 ℃和1 180 ℃时，铜尾矿多孔陶瓷的硬度随尾矿含量的减少而增大。这可能是由于尾矿中含有大量的氧化铁，它能够在高温分解释放气体产生气孔，随着尾矿含量的减少，样品中氧化铁的含量也随之减少，使得样品的致密度提高，硬度增大。

2.3 烧结温度对铜尾矿多孔陶瓷密度的影响

图3为烧结温度对铜尾矿多孔陶瓷的密度的影响。

图3 烧结温度对铜尾矿多孔陶瓷的密度的影响

从图3可以看出，在铜尾矿与钾长石比为1∶1时，多孔陶瓷的密度随着烧结温度的增加先增加再减少，在1 200 ℃烧结时，密度急剧降低。当铜尾矿与钾长石比为1.0∶1.5时，多孔陶瓷的密度在1 150～1 180 ℃随着烧结温度的变化不明显，在1 200 ℃烧结时，密度大幅度地降低。这是因为，在更高温烧结时，发泡剂或可挥发成分分解完全，在颗粒间形成的液相中产生气泡，液相冷却后气泡成为孔洞，导致铜尾矿多孔陶瓷内部形成较多孔隙，致密度下降。这与前面讨论的铜尾矿多孔陶瓷的肖氏硬度在更高温度烧结时的变化是一致的。对于尾矿与钾长石比为1∶2的多孔陶瓷，其密度随烧结温度的增加而增加。这是因为，钾长石含有较大量的碱金属氧化物，碱金属氧化物是烧结中的良好助溶剂，有效降低烧结温度，促进固体颗粒间形成液相，液相填充了固体颗粒间的空隙，使得多孔陶瓷致密度相对较高，因此可能出现密度增加的情况。

2.4 烧结温度对铜尾矿多孔陶瓷吸水率的影响

图4为不同烧结温度下铜尾矿多孔陶瓷的吸水率变化图。

图4 不同烧结温度下铜尾矿多孔陶瓷的吸水率

由图4可知，铜尾矿多孔陶瓷的吸水率随着烧结温度的上升呈现先减少后增大再减少的趋势。烧结温度为1 200 ℃的尾矿多孔陶瓷样品的吸水率最小。烧结温度为1 150 ℃、1 160 ℃和1 180 ℃的尾矿多孔陶瓷样品的吸水率为16%～23%。烧结温度为1 150 ℃、1 160 ℃和1 180 ℃时，铜尾矿多孔陶瓷的吸水率变化随温度的变化不明显，当烧结温度提高到1 200 ℃时，多孔陶瓷样品表面玻璃化程度增加，使多孔陶瓷样品的吸水率下降。同时，由于多孔陶瓷样品表面的玻璃化，使多孔陶瓷样品表面形成一层不透水的“保护层”，增加了水渗透浸入多孔陶瓷内部的难度，使得多孔陶瓷的吸水率降低。相同烧结温度下，尾矿多孔陶瓷的吸水率随着尾矿含量的减少而逐渐减少。这是因为样品中能够产生气孔的氧化铁的含量随着尾矿含量的减少而减少，引起样品吸水率的下降。这与前面讨论的铜尾矿多孔陶瓷的肖氏硬度随尾矿含量减少的变化规律是一致的。另一方面，随着钾长石含量的增加，碱金属氧化物的含量随之增大，高温烧结时容易产生液相，当液相含量足够多时，在表面张力的作用下，液相会填充进颗粒间的孔隙中，占据孔隙的位置，压缩孔隙的空间，使通孔变成闭孔，甚至完全填满孔隙，导致样品的吸水率下降[7]。

3 结论

本实验通过将铜尾矿和钾长石进行适量配比，采用直接烧结的方法和发泡工艺，添加CaCO3作为发泡剂，制备了多孔陶瓷。经XRD测试分析，铜尾矿多孔陶瓷的主晶相为白榴子石、硅灰石和镁黄长石。研究结果表明，烧结温度对铜尾矿多孔陶瓷的晶体结构、硬度、体积密度和吸水率产生了重要的影响。烧结温度的升高有利于白榴子石相的形成。当烧结温度>1 160 ℃时，铜尾矿多孔陶瓷的硬度随着烧结温度的升高而减少。铜尾矿多孔陶瓷的密度在1 150～1 180 ℃时随着烧结温度的变化不大，而在1 200 ℃烧结时，密度变化非常明显。吸水率随着烧结温度的升高呈现先减少后增大再降低的趋势。对于不同尾矿含量的多孔陶瓷，其吸水率都在1 180 ℃烧结时达到最大。

1 赖才书,胡显智,字富庭.我国矿山尾矿资源综合利用现状及对策[J].矿产综合利用,2011(4):11～13

2 夏平,李学亚,刘斌.尾矿的资源化综合利用[J].矿业快报,2006(50):10～11

3 向鹏成,谢英亮.尾矿利用的经济性潜力分析[J].矿产保护与利用,2002(1):50～54

4 卢颖,孙胜义.我国矿山尾矿生产现状及综合治理利用[J].矿业工程,2007,5(2):53～55

5 陈甲斌,王海军,余良晖.铜矿尾矿资源调查评价、利用现状、问题与政策[J].矿产与矿业,2011(12):14～20

6 罗民华.多孔陶瓷实用技术[M].北京:中国建材工业出版社,2006

7 蒲永平,李品,董子靖.烧结温度对BaTiO3多孔陶瓷性能的影响[J].陕西科技大学学报,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