利用抛光废料为原料制备轻质多孔陶瓷.pdf

教授。通信联系人：汪永清，男，博士(20221ZDA04040)；景德镇市科技计划项目(2 0 2 2 4GY008-12)资助。基金项目：中央引导地方科技发展资金(区域创新体系建设-百城百园项目)修订日期：2 0 2 3-11-0 1。收稿日期：2 0 2 3-10-2 5。CHINACERANCINDUSTRY2024年2 月Feb.2024Vol.31,No.1第1期第3 1卷中国陶同瓷业DOI:10.13958/ki.ztcg.2024.01.004利用抛光废料为原料制备轻质多孔陶瓷徐景临，王少华，江涛1，方文涛1，吴丽丹1，张小珍，汪永清（1.景德镇欧神诺陶瓷有限公司，江西景德镇33340 0；2.景德镇陶瓷大学材料科学与工程学院，江西景德镇33340 3)摘要：探究了以建筑陶瓷抛光废料为原料制备轻质多孔陶瓷的可行性，研究了烧成温度、SiC含量、保温时间等对轻质多孔陶瓷性能的影响。实验结果表明：随着烧结温度的提高，以及SiC含量和保温时间的增加，轻质多孔陶瓷的平均孔径和整体塌度显著增大。轻质多孔陶瓷的抗折强度与平均孔径呈负相关。为了在轻质多孔瓷砖中实现均匀的孔径和无显著缺陷，SiC添加量为3wt.%，烧成温度为12 0 0，保温时间为30 min，能够获得平均孔径为1.11mm、体积密度为0.49g/cm、抗折强度为2.56 MPa的轻质多孔陶瓷。关键词：抛光废料；多孔陶瓷；碳化硅；回收利用中图分类号：TQ174.75文献标志码：A文章编号：10 0 6-2 8 7 4(2 0 2 4)0 1-0 0 18-0 5Preparation of Lightweight Porous Ceramics UsingPolishing Waste as Raw MaterialXU Jinglin,WANG Shaohua,JIANG Tao,FANG Wentao WULidan,ZHANG Xiaozhen2,WANGYongqing2(1.Jingdezhen Oceano Ceramics Co.,Ltd.,Jingdezhen 333400,Jiangxi,China;2.School of Materials Science and Engineering,Jingdezhen Ceramic University,Jingdezhen 333403,Jiangxi,China)Abstract:This paper explored the feasibility of using architectural ceramic polishing waste as raw material to prepare lightweightporous ceramics.The effect of sintering temperature,SiC content,and insulation time on the properties of lightweight porousceramics was investigated.Experimental results show that with increasing sintering temperature,SiC content,and holding time,the average pore size and overall collapse of the porous ceramics significantly increase.The flexural strength of lightweight po-rous ceramics is negatively correlated with the average pore size.To achieve uniform pore size and no significant defects inlightweight porous ceramics,SiC addition is of 3wt.%,a sintering temperature is of 1200 C,and an insulation time is of 30 minutes,lightweight porous ceramics with an average pore size of 1.1l mm,a bulk density of 0.49 g/cm,and a flexural strength of2.56 MPa were prepared.Key words:ceramic polishing waste;porous ceramics;Silicon Carbide;recycling0引言抛光类陶瓷产品在制备过程中需要对表面进行铣磨、校平、粗磨、细磨、抛光等处理，该过程会产生大量的抛光废料。抛光废料中因含有SiC和氯氧镁水泥等（来自于磨头的损耗）高温发泡成分，在热处理时容易引起基体的发泡或变形，是目前难以回收利用的一类废料。然而，利用这种高温发泡原理，在材料内部形成均匀封闭的气孔，可用于制作轻质保温隔热材料，为抛光废料的绿色资源化利用提供了可能轻质多孔陶瓷是最有前途的建筑隔热材料之一，具有分布均匀且内部相互贯通的三维立体网络骨架结构，孔隙率可调（最高可达9 0%）、制造温度较低（约10 0 0 130 0）等特性。与有机类隔热材料相比，轻质多孔陶瓷还具有不易燃烧、理化性Received date:2023-10-25.Revised date:2023-11-01.Correspondent author:WANG Yongqing,Male,Ph.D.,Professor.E-mail:19.期第31卷第徐景临等：利用抛光废料为原料制备轻质多孔陶瓷能稳定、环境安全且不易降解等诸多优点 2 。目前，发泡工艺法是制备轻质多孔陶瓷最简易有效的方法。其原理是利用高温发泡物质在高温下产生挥发性气体，从而形成多孔结构。王淑娟等 3 利用油页岩废渣为发泡剂，与高岭土和石英构建的体系在1050下烧制4h后，得到孔隙率为36.8%、抗压强度为34.8 8 MPa的多孔陶瓷。蔺万鹏 41以用量6%的二水石膏为发泡剂，熳烧温度12 6 0 下熳烧30 min后，得到气孔率为51.7%、抗压强度为13.6 8 MPa、导热率仅为0.315W/(mK)的多孔陶瓷。由此可见：随着矿物原料成本的增加，利用工业废渣在多孔陶瓷制备中不仅能提供化学组成，还能引人发泡剂成份，从而实现了资源的再利用 5。本文以抛光废料为主要原料，辅以SiC为发泡剂，借助光学照片、XRD、SEM 等测试手段探究烧成温度、SiC含量、保温时间等对轻质多孔陶瓷发泡情况及性能的影响。抛光废料在轻质多孔陶瓷中的应用，不仅能够有效降低生产成本，而且能减少陶瓷废料的排放，保护环境。1实验1.1实验原料实验原料有抛光废料和碳化硅（SiC）。其中：抛光废料取自景德镇某大型建陶企业；SiC购自卓越合金粉末，平均粒径为1m。1.2木样品制备首先，将收集的抛光废料置于烘箱中，10 0 干燥至恒重，并过40 目筛后烘干保存。其次，以纯抛光废料为原料，按料：水：球比为1：0.7：3在行星球磨机中球磨，转速为350 rmp，球磨时间为30 min，并在相同工艺下分别加入lwt.%、2wt.%、3w t.%、4w t.%的SiC得到料浆。再次，将所有料浆烘干碾磨并过40 目筛后，加人6%的PVA溶液进行造粒，随后在12 MPa下压制成型。最后，将成型好的坏体在1140 12 30 进行烧，获得样品，并对样品的性能进行分析表征。1.3木样品性能表征采用X射线荧光光谱仪（XRF，A x io s A d-vance，德国布鲁克公司）分析抛光废料的化学组成。采用X射线衍射（XRD，D 8 A d v a n c e，德国Bruke公司）分析抛光废料和最终产品的晶相组成。采用扫描电子显微镜（SEM，日本日立SU8010）观察抛光废料的形貌。采用普通的光学相机观察轻质多孔陶瓷发泡情况。采用阿基米德原理测量烧成样品的体积密度。采用电子万能试验机（W D W-10，西安立创材料测试技术有限公司）对样品进行三点弯曲试验，测量试样的抗折强度。2实验结果与分析2.1抛光废料的理化性质从表1的XRF对抛光废料的化学组成分析可以看出，抛光废料的化学组成与传统陶瓷坏体类似。其中：SiO2含量最高，达到了59.2 2%；其次是17.2 5%的A1203，同时还有含量为9.39%的碱金属和碱土金属氧化物（RO+R2O）。需要注意的是，还有其他杂质占比达7.6 6%，这是因为部分由抛光磨头引人的杂质并非氧化物。图1为抛光废料的XRD图谱。从图1可以看出：抛光废料主要来源于砖坏表面的刨削产物，即石英和莫来石相。同时，还含有少量碳化硅和氯氧镁水泥，这是由抛光磨头的损耗所引人的。表1抛光废料的化学组成/wt.%Tab.1 Chemical composition of ceramic polishing waste/wt.%化学组成SiO2Al203Fe2O3TiO2CaoMgoK20Na20其他I.L.抛光废料59.2217.251.230.243.151.862.901.487.665.01图2 为抛光废料的SEM图。从图2 可以看出：抛光废料颗粒形状不规则，表面形貌不均匀，颗粒尺寸小，大部分在5 30 m之间。这是由于抛光废料主要由陶瓷砖抛光时产生的抛光碎屑组成。因此，其不规则的形状和不均匀的表面形貌可归因于抛光碎屑的性质。图3为抛光废料的TG曲线图。根据TG曲线分析可知：室温至2 0 0 之间的重量损失为0.7 5%，主要归因于物理吸附水的挥发；6 0 0 12 0 0 时的重量损失为0.41%，主要归因于氯氧镁水泥的分解和SiC的氧化反应2.2燈烧温度对抛光废料性能的影响根据上述分析及文献调研可以推断，抛光废料中的SiC分解温度约为10 0 0 12 0 0。图4为抛光废料在不同烧成温度下制备多孔陶瓷的XRD图谱。从图4可以看到：经1140 烧成后，主要相为石英晶相。随着熳烧温度的升高，石英相衍射峰的强度逐渐降低。当达到12 30 时，石英衍射202024年2 月业中国陶周瓷QuartzSanidineSiliconcarbideMagnesium chloridehydroxidehydrate010203040506070809020/()图1抛光废料XRD图Fig.1 XRD pattern of ceramic polishing waste50m图2抛光废料的SEM图Fig.2 SEM image of ceramic polishing waste100.0质量变化：-0.7 5%99.599.0%/QL质量变化：-1.2 9%98.598.0质量变化：-0.41%97.5020040060080010001200Temperature/C图3抛光废料的TG曲线图Fig.3 TG curve of ceramic polishing waste峰的强度达到最低点，说明提高烧成温度促使抛光废料中的石英晶相熔融图5为纯抛光废料经不同温度热处理后的宏观断面图。从图5可以看出：当烧成温度达到1140时，多孔陶瓷砖内部仅有零星的气孔分布，此时发泡现象并不明显，原因是烧成温度刚刚超过抛光废料中SiC的分解起始温度，从而使得气泡无法充分生长。随着烧成温度的升高，抛光废料中SiC分解逐渐剧烈，从而产生大量CO和CO2气体排出 6 。同时结合XRD分析可以看出，石英峰强度的大幅降低，推测在高温下，陶瓷中大量液相生成，此时液相包覆在SiC表面，抑制了分解气体的溢出，从而形成大量气泡。Quzrtz,1230.1200.1170114001020304050607020/()图4抛光废料在不同烧成温度下制备多孔陶瓷的XRD图谱Fig.4 XRD patterns of ceramic polishing wasteat different sintering temperature114044.88 mm1170uu99s46.47 mm120047.47mm123000852.00mm图5纯抛光废料经不同温度热处理后的宏观断面图Fig.5 Macro cross-sectional view of ceramic polishing wasteafter heat treatment at different sintering temperature21第31卷第1期徐景临等：利用抛光废料为原料制备轻质多孔陶瓷表2 为纯抛光废料经不同温度烧后的性能参数。从表2 可以看出：多孔陶瓷内孔洞的平均孔径随烧成温度的升高而增大，而抗折强度和体积密度与烧成温度成反比。虽然纯抛光废料经1230烧成后，体积密度为0.9 8 g/cm，小于1g/cm，然而该体积密度仍然偏大，难以达到较好的隔热保温效果。因此，接下来的实验将在抛光废料中引人SiC，以促进坏体发泡，实现陶瓷材料的轻质多孔化。表2 丝纯抛光废料经不同温度燈烧后的性能参数Tab.2 Property parameters of ceramic polishing waste firedat different temperatures烧成温度体积密度抗折强度平均孔径/(g/cm)/MPa/mm11401.7829.500.0511701.5121.520.1012001.2211.970.1512300.989.790.402.3SiC含量对轻质多孔陶瓷性能的影响为了进一步提升多孔陶瓷的孔径尺寸，在抛光废料体系中分别加入1wt.%、2 w t.%、3w t.%、4wt.%的SiC，经12 0 0 烧成，研究SiC含量对轻质多孔陶瓷发泡情况和性能的影响。表3为SiC含量对轻质多孔陶瓷性能的影响。图6 为不同含量SiC样品经12 0 0 熳烧后的宏观截面图。经比较可知：当SiC添加量为1wt.%时，多孔陶瓷内部的气孔呈细密状态，气孔较小且孔壁较厚，并存在部分不均匀的空洞；当SiC添加量增加至2 wt.%和3wt.%时，多孔陶瓷内部的发泡较为充分，内部的平均孔径变大且气孔壁变薄，气孔扩大且均匀性良好；但增加SiC含量至4wt.%时，多孔陶瓷内部出现明显的大孔洞缺陷，多孔陶瓷平均孔径反而有所下降，气孔的均匀性较差。产生这一现象原因是引人了过量的SiC颗粒，在高温下剧烈分解造成大量气体产出，这些气体被液相包覆，从而导致内部出现大孔洞缺陷。综合气孔尺寸、形貌及样品的性能考虑，选择的SiC加人量为3wt.%来进一步研究保温时间对样品性能的影响。2.4保温时间对轻质多孔陶瓷性能的影响在12 0 0 下熳烧加入3wt.%SiC的抛光废料体系中，进一步探究了保温时间对多孔陶瓷发泡情况的影响。图7 为轻质多孔陶瓷在不同保温时间下的宏观断面图。表4为保温时间对轻质多孔陶瓷性能的影响。从图7、表4中可以发现：当保温时间为15min时，多孔陶瓷中的内部孔隙相对表3SiC含量对轻质多孔陶瓷性能的影响Tab.3 Effect of SiC content on performance of lightweightporous ceramicsSic含量体积密度抗折强度平均孔径/wt.%/(g/cm)/MPa/mm10.832.760.8020.652.611.0630.502.591.2040.412.440.731%SiC64.60 mmw88112%SiC69.07mm3%SiC71.3 mm4%SiC74.64 m图6不同含量SiC样品经12 0 0 熳烧后的宏观截面图Fig.6 Macro cross-sectional view of lightweight porous ce-ramics with different SiC contents fired at 1200 较小，这是由于保温时间短，导致发泡剂分解不够充分。随着保温时间增至30 min，内部均匀性得到全面改善。在45min的保温时间下，多孔陶瓷表现出最佳的发泡性和孔隙均匀性。随着保温时间的进一步延长，内部孔洞尺寸进一步增大，但同时过长的保温时间会造成强度的进一步损失。因此，在实际生产应用中，应该综合考虑多个因素，以制定合理的烧成保温时间 7 。本文根据内部孔隙均匀性和能源效率的原则，建议将保温时间设置为30 min，在该保温时间范围内，可以得到内部孔洞均匀性、强度适宜的轻质多孔陶瓷材料。222024年2 月中国陶瓷业15 min67.20mm30min71.77mm45min73.35mm60 min75.13mm图7轻质多孔陶瓷在不同保温时间下的宏观断面图Fig.7 Macro cross-sectional view of lightweight porousceramics fired with different holding time表4保温时间对轻质多孔陶瓷性能的影响Tab.4 Effect of holding time on performance of lightweightporous ceramics保温时间体积密度抗折强度平均孔径/min/(g/cml)/MPa/mm150.562.820.95300.492.561.11450.492.151.39600.471.731.553结论本文以抛光废料为主要原料，制备了轻质多孔陶瓷，并研究了熳烧温度、SiC含量和保温时间对轻质多孔陶瓷发泡情况和性能的影响，可以得出以下结论。（1）抛光废料与传统矿物原料组成类似，以SiO2和Al2O3为主，但从晶相组成可以发现，其主要来源于陶瓷砖刨削产物，并含有抛光磨头损耗引人的SiC和氯氧镁水泥。（2）纯抛光废料随烧成温度的升高孔洞尺寸逐渐增大，抗折强度降低，但仍不能符合多孔陶瓷材料的要求。（3）在纯抛光废料中加人3wt.%SiC，经1200烧成后，轻质多孔陶瓷的气孔尺寸可达1.11mm，抗折强度为2.56 MPa，体积密度为0.49 g/cm。（4）保温时间的增加可提升平均孔径、降低强度。在实际生产应用中，可以根据具体性能要求进行修改，以达到对多孔陶瓷材料性能调控的目的。参考文献：1 王少华，李小女，汪超，等抛光废料在瓷质砖坏体中的应用研究 J.中国陶瓷，2 0 2 2,58(1)：49-56.2 韩复兴多孔陶瓷在陶瓷产业应用现状分析 陶瓷，2022(8):28-33.3 王淑娟，董娜娜利用油页岩废渣制备多孔陶瓷的研究.北方建筑,2 0 2 3,8(4):14-18.4蔺万鹏.以磷石膏为发泡剂制备多孔陶瓷及其性能研究D.绵阳：西南科技大学,2 0 2 3.5 姚青山浅述尾矿生产多孔陶瓷的研究及应用 陶瓷科学与艺术,2 0 2 2,56(8):42.6马北越，刘健，李定勇造孔剂对SiC多孔陶瓷材料性能的影响 J.耐火材料，2 0 2 0,54(4)：310-313.7唐健江，刘波波，杨建锋纳米碳化硅的重结晶对多孔碳化硅陶瓷制备的影响 J.粘接,2 0 19,40(8):8-11.