煤矿废弃物煤矸石制备泡沫陶瓷的研究
2021-11-20任涛胡新萍王超男姜威山西工程技术学院山西阳泉045000
任涛，胡新萍，王超男，姜威(山西工程技术学院，山西 阳泉 045000)
0 引言
煤炭作为主要燃料，在开采煤炭时会产生大量的废弃物煤矸石，而阳泉市作为采煤主力军，存在很多煤矸石堆，据报道，我国现有煤矸石堆约5 000多个，而且每年还在新增[1]，这样大量的堆积不但占用了大量土地资源，同时还会严重污染环境[2]，对煤矸石的利用成为比较热门的一大研究课题，而目前我国煤矸石的综合利用率仅为65%左右，主要利用煤矸石制备烧结砖[3-4]。
泡沫陶瓷，也称多孔陶瓷，微孔分布均匀且相互之间贯通，具有耐腐蚀、透过性高、比表面积大、耐高温等特点，可应用于保温隔热隔音材料等[5]。胡明玉等[4]研究了煤矸石、页岩、滑石和抛光渣等的用量对泡沫隔热陶瓷密度、吸水率等的影响，同时研究发现滑石可降低烧成温度。缪松兰[6]等以抛光废渣为主要原料，添加粘土类原料和溶剂类原料制备轻质陶瓷材料，研制出了以闭气孔为主的轻质陶瓷材料。蔡红玉等[7]以a-SiC为原料，Al2O3及SiO2为烧结助剂制备了SiC泡沫陶瓷，研究结果表明，烧结助剂有利于实现液相烧结并且降低烧结温度。杨莹等[8]以Al2O3、Y2O3作为烧结助剂，改善泡沫陶瓷致密度的问题，采用有机模板复制法及多次浸渍涂覆工艺制备了高强度碳化硅泡沫陶瓷材料，研究表明随着烧结温度的提高，孔棱致密度增加，抗压强度显著提高。周新涛[9]研究了用粉煤灰制备磷酸盐泡沫陶瓷新工艺，并通过工艺的优化得到了综合性能优越的泡沫陶瓷。
文章采用煤矸石块、废弃陶瓷片为主要原料，添加助溶剂滑石粉，造孔剂碳酸钠，经压制后分别在800 ℃、900 ℃、1 000 ℃及1 100 ℃下烧结制备煤矸石泡沫陶瓷，研究在不同烧成温度下，其表观密度、气孔率、抗压强度及宏观气孔形貌的变化。
1 实验
1.1 实验原料
实验所用的主要原料有山西省阳泉市新景煤矿的煤矸石、山西省阳泉市平定县莹玉陶瓷有限公司的废弃陶瓷，辅助原料有起助溶剂作用的滑石粉以及起发泡作用的碳酸钠。
1.2 实验流程
将煤矸石块和废弃陶瓷片破碎后，分别在行星式球磨机中球磨2 h，取出后过100目筛备用。将煤矸石粉在马弗炉中1 000 ℃烧制1 h去除有机挥发物等，称取煤矸石粉60 g，滑石粉25 g，废弃陶瓷片15 g，碳酸钠5 g，在球磨机中球磨1 h使粉末更加均匀并混匀。然后用液压式压片机以2 MPa的压力干压成型制得陶瓷生坯，尺寸大小为φ20*5 mm。将生坯放置在高温马弗炉中以10 ℃/min的升温速率升温至800 ℃，之后再以5 ℃/min的升温速率升温至900 ℃，1 000 ℃和1 100 ℃，再保温30 min后随炉冷却，即可得到泡沫陶瓷样品。
1.3 性能测试
利用阿基米德排水法测定煤矸石泡沫陶瓷的表观密度，显气孔率；采用JSM-IT200扫描电镜对样品气孔进行观察表征；通过万能试验机测试样品的抗压强度。
2 实验结果与分析
2.1 烧成温度对表观密度和显气孔率的影响
煤矸石泡沫陶瓷的体积密度和显气孔率随烧制温度的变化情况如图1所示。由图可知：随着烧成温度升高，体积密度先减小后迅速增加，气孔率则先增加后减小。当烧成温度为800℃时，泡沫陶瓷的体积密度为1.82 g/cm3，气孔率为33.6%；当烧成温度升到900 ℃时，泡沫陶瓷的体积密度为1.67 g/cm3，气孔率为38.3%；当烧成温度到1 000 ℃时，其体积密度稍有下降，为1.65 g/cm3，气孔率为42.3%，气孔率的增加是由于Na2CO3受热分解产生CO2，CO2气体在样品内部产生气孔；当烧成温度上升到1 100 ℃时，体积密度增至2.56 g/cm3，气孔率减少至4.6%，这是由于此时滑石的助熔效果变得非常明显，使得样品体积收缩变大，阻碍了气孔的增大，气孔率快速下降。
图1 不同烧成温度对泡沫陶瓷体积密度和气孔率的影响
2.2 烧成温度对样品气孔形貌的影响
不同温度烧制泡沫陶瓷的宏观形貌图如图2所示，从图中可以看出：烧成温度越高，制备的泡沫陶瓷试样气孔越大。当温度为800 ℃ 时，气孔小而均匀致密，当升高温度为900 ℃时，气孔有微微的长大趋势，继续升高温度达到 1 000 ℃时，气孔变大，泡沫陶瓷试样平均孔径增大，呈现疏松状态，而当温度为 1 100 ℃ 时，泡沫陶瓷试样的平均孔径继续有微量的增大。这是由于烧成温度低时，发泡剂碳酸钠反应活性不高，发泡不充分，泡沫陶瓷致密度高，随着烧成温度增高，发泡剂的活性变高，分解产生的气体增多，有利于气泡长大。
图2 不同烧成温度下的煤矸石泡沫陶瓷试样SEM图
2.3 烧成温度对抗压强度的影响
不同烧成温度对抗压强度的影响如图3所示。从图中可以看出：随着烧成温度的升高，泡沫陶瓷的抗压强度逐渐降低，这主要是因为烧成温度增高，发泡剂碳酸钠活性增强，产生的气体增多，试样内部气孔多而疏松，抗压强度低；另一方面，温度越低，试样内部的粘度越高，温度升高时，粘结度有一定降低，抗压强度下降，但强度值均满足“高效能符合外墙外保温材料”的抗压强度的要求。
图3 不同烧成温度对抗压强度的影响
3 结语
(1)随着烧成温度的升高，煤矸石泡沫陶瓷的体积密度先下降后升高，显气孔率先增加后急剧减少，当烧成温度为1 000 ℃时，体积密度为1.65 g/cm3，气孔率达到42.3%。
(2)随着烧成温度的增加，泡沫陶瓷的气孔增大，抗压强度下降。
(3)当烧成温度增高时，滑石粉的助溶作用明显增强，样品的气孔率下降，致密性增加，但粘结度下降使得抗压强度降低，当烧成温度为1 000 ℃时，抗压强度达到22 MPa。
