YSZ短纤维增强日用陶瓷固废再烧结材料的研究.pdf

第 卷 第 期 年 月山东陶瓷.收稿日期 基金项目江西省重点研发计划项目()江西省教育厅科研项目()景德镇市科技计划项目()材料与科技 码:./.短纤维增强日用陶瓷固废再烧结材料的研究吕 智刘俊伯张小珍王少华江瑜华汪永清(.景德镇市瓷海瓷业有限公司.景德镇陶瓷大学材料科学与工程学院.景德镇市瓷海瓷业有限公司景德镇陶瓷大学材料科学与工程学院.景德镇陶瓷大学材料科学与工程学院.景德镇市瓷海瓷业有限公司景德镇陶瓷大学材料科学与工程学院.景德镇陶瓷大学材料科学与工程学院.)摘 要:中国传统陶瓷固废排放量巨大陶瓷固废的资源化利用不但可解决固废丢弃填埋引起的生态环境危害而且可节约大量天然矿物原料带来重要的社会经济效益 本文以烧结日用陶瓷固废为主要原料并引入少量氧化钇稳定氧化锆()短纤维作为增强相制备了高固废掺比的再生陶瓷材料 研究了纤维含量和烧成温度对制备的固废再烧结陶瓷材料的晶相组成、微观结构和力学性能等的影响结果表明:纤维的添加量对固废材料的烧结性能影响不大引入少量 可明显提高废瓷再烧结材料的力学性能其中 纤维添加量为 并在 烧成时样品的抗弯强度为 断裂韧性可达./关键词:日用陶瓷固废资源化利用 纤维增强断裂韧性 陶瓷制品具有耐化学腐蚀性好、机械强度高、耐高温等优良特性在人们的日常生活和各种工业生产中获得广泛应用如建筑瓷砖、卫生洁具、日用陶瓷和陶瓷结构件等 中国是全球最大的传统陶瓷生产国陶瓷生产已发展成为规模巨大的产业为国家经济发展做出了重要贡献然而陶瓷产业被普遍认为是一个高能耗和高污染的行业大量陶瓷固废的随意丢弃填埋对陶瓷产区生态环境带来严重的负面影响各国研究者为陶瓷固废的资源化利用付出了巨大努力 早期的研究主要是采用不同成分的陶瓷废料制备高性能的水泥或混凝土材料 从增加陶瓷固废的利用率的角度来看这是一种较理想的方法然而由此产生的废物的加工和运输成本是一个挑战阻碍了陶瓷废物在水泥和混凝土生产中的实际应用 事实上陶瓷废料主要由硅酸盐相组成的 因此更为理想的方法是将废物在工厂或工业园区内回收并生产特定的陶瓷产品这样可以节省许多天然矿物原料在一定程度上降低材料生产成本 例如 等研究了在瓷砖生产中回收瓷砖抛光废料的可行性发现使用 的陶瓷固废可获得令人满意的性能 烧结日用或卫生陶瓷固废在陶瓷固废中所占比例非常高由于技术条件的限制这些废瓷通常只被少量()回收利用于原产品生产 为了提高陶瓷固废的利用率和附加值最有效的方法是开发高固废掺比的再烧结陶瓷材料然而陶瓷固废主要由硅酸盐玻璃相和少量的石英、莫来石等晶相组成其组成特性决定了废瓷直接再烧结得到的陶瓷材料通常表现出低的力学强度和较差的断裂韧性(./)这不利于利用固废开发高附加值的日用卫浴配件、拉手和开关面板等陶瓷结构件为此本工作探讨利用日用陶瓷固废为主要原料(质量分数)制备高性能日用结构陶瓷材料的可行性主要研究添加 短纤维对废瓷再烧结陶瓷材料晶相组成、微观结构和力学性能的影响 研究表明通过加入适量的 纤维作为增强相可明显提高陶瓷固废再烧结陶瓷材料的抗弯强度和断裂韧性 实验.实验材料实验所用日用陶瓷固废来自景德镇陶瓷园区某日用陶瓷企业 废瓷片经清洗后使用滚筒球磨机粉碎并筛分分级得到粒径小于 目(.)的固废粉体原料其化学组成见表 分析显示废瓷原料主要由玻璃相组成并存在少量石英和莫来石晶相 摩尔分数为 的氧化钇稳定氧化锆()纤维(立方相长径比为 纯度.)购自南京理工宇龙新材料科技股份有限公司聚乙烯醇()购自阿拉丁生化科技股份有限公司.样品制备本实验引入 短纤维作为增强剂其添加量分别为、和(质量百分下同)按设定的原料配比称取 纤维和固废粉料采用行星球磨机混合均匀球磨机转速为/以自来水作为分散介质混料时间为 混合原料经充分干燥后与适量浓度为 的 溶液混合造粒再在室温下密闭陈腐 然后采用干压成型法在 压力下压制得到生坯最后将生坯置于高温电炉中升温至 保温 烧成自然冷却后得到废瓷再烧结样品 为便于比较还采用相同的方法在不同温度下制备了未添加 纤维的陶瓷固废直接再烧结样品表 日用废瓷原料的化学组成(质量分数)单位:氧化物质量分数.分析表征采用荷兰帕纳科 型 射线荧光光谱仪()分析固废原料的化学组成通过 射线衍射仪(德国布鲁克 型)分析样品 的 晶 相 组 成 采 用 韩 国 公司 型台式扫描电镜观察人造石样品的微观结构 基于阿基米德原理测定样品的吸水率 线收缩率是以试样烧成前的原始长度为基准用烧成前后的长度差与原始长度的比值计算 采用电子万能材料试验机(西 短纤维增强日用陶瓷固废再烧结材料的研究安力创 型)进行三点弯曲强度测试并通过式()计算得到样品的抗弯强度测试过程加载速度为./采用国标方法(/)通过单边切口梁法得到样品的断裂韧性 ()式中:为抗弯强度()为试样断裂时最大载荷()为试样的跨距()和 分别为试样断口截面宽度和高度()结果与讨论.分析图 为完全采用陶瓷固废作为原料制备的不同温度烧成得到的陶瓷样品的 图 从图中可见在 烧成后样品中的晶相包括石英相()和莫来石相()在 烧成时样品中的主晶相为石英相而莫来石相含量相对较低 随着温度的升高石英相衍射峰强度不断下降而莫来石相衍射峰强度稍有提高表明更多的石英晶体熔入玻璃相生成莫来石 图()为添加 纤维时在不同温度烧成制备的废瓷再烧结样品的 图 可见样品中除存在少量图 陶瓷固废直接再烧结材料的 图石英、莫来石相外主晶相为立方相()且随着温度升高相衍射峰强度基本不变表明其未明显参与高温反应 从图()还可见随着 纤维添加量的增加相的衍射峰强度不断增强而石英和莫来石晶相的衍射峰强度相应减小()不同烧成温度()()不同 纤维含量(/)图 不同烧成温度和不同 纤维含量时制备的样品 图.微观结构分析图 显示了 纤维添加量为 时在不同温度烧成得到的废瓷再烧结材料的断面微观结构图 从图中可以发现 烧成样品呈现最致密的结构只存在少量微小残留气孔 随着温度的升高气孔逐渐增大增多特别是烧成山东陶瓷温度达到 时样品中出现大量泡状孔洞这是高温下样品过烧导致液相产生量过多液相发泡所致 可以预见大量尺寸较大的闭口气孔的存在将对材料的力学性能造成不利影响 从图 可见在 烧成时不同 纤维加入量的样品总体上均可获得较为致密的微观结构仅在 纤维添加量为 时材料内部的小气孔数量略有增加微结构均匀性有所下降 由此可见 纤维加入量的提高并不会明显影响废瓷的烧结性能这也表明其不会明显与玻璃相反应而使纤维结构受到破坏()()()()图 添加 纤维不同烧成温度再烧结材料的断面 图()()()()图 不同 纤维添加量再烧结陶瓷材料样品断面的 图(/).物理性能分析与 纤维增强机理图()显示了烧成温度及 纤维含量对陶瓷固废再烧结材料的线收缩率的影响趋势从图中可以发现随着烧成温度提高样品的烧成收缩率逐渐减小这是由于在 以上烧成时液相量增加使气孔增多增大所致特别是烧成温度达到 时烧成收缩率大幅减小表明过多液相的产生使再烧结陶瓷体出现明显过烧现象这与图 所示的微观结构分析结果相符 由于采用经过高温烧结的废瓷作为主要原料 烧结样品的收缩率仅为 左右远低于采用矿物原料制备的陶瓷材料 这将有助于减小制品的烧成变形并可适当提高烧成速率 在相同烧成温度下随着 纤维含量增加烧成收缩率总体上稍有减小 从图()可见所有样品的吸水率均低于.烧结样品虽然存在较多大的气孔(图()但仍表现出低的吸水率这是由于气孔主要以闭孔的形式存在图()为不同烧成温度和 纤维含量时制备的废瓷再烧结材料的抗弯强度 对不同 纤维含量样品均在 烧成时表现出最高的抗弯强度随着烧成温度进一步提高由于样品中气孔增多增大对其力学性能产生不利影响 对 烧成样品随着 纤维含量增加抗弯强度表现出先增加后减小的变化趋势其中在纤维含量为 时强度最高这表明适量纤维引入可通过纤维的拔出效应提高烧结陶瓷体的力学强度 而纤维含量过高时样品由于微结构均匀性下降(如图()所示)抗弯强度反而出现下降 在 烧成时 纤维含量对样品抗弯强度的影响相对较小 从图()可见废瓷再烧结材料样品的断裂 短纤维增强日用陶瓷固废再烧结材料的研究()烧成收缩()抗弯强度()吸水率()断裂韧性图 纤维添加对陶瓷固废再烧结材料性能的影响韧性也随着烧成温度提高而明显降低烧成温度为 样品断裂韧性值最高而烧成温度提高到 时其断裂韧性甚至低于废瓷直接再烧结样品的最高断裂韧性(./)烧结陶瓷材料的力学性能与其物相组成、微观结构、气孔或裂纹尺寸与形状等密切相关 本工作在 烧成、纤维含量为时制备的样品具有最高的抗弯强度和断裂韧性分别为 和./相对废瓷直接再烧结材料分别提高了 和 这可归功于与玻璃相紧密结合氧化锆纤维本身具有较高的强度、断裂能高可充分利用高长径比纤维的拔出效应和裂纹桥接效应达到增强增韧的目的 废瓷直接再烧结陶瓷基体主要由玻璃相组成玻璃相对裂纹的阻碍作用很小容易产生连续性贯穿基体中存在的少量针状莫来石晶体的的强韧作用有限 而本工作在添加适量 纤维后玻璃相含量相对减少陶瓷体中纤维的数量及均匀性都得以提高当裂纹从表面产生并在样品中拓展时在基体内存在着更多的纤维可以与裂纹两侧的玻璃相紧密结合纤维在裂纹两侧桥接而且纤维在基体中的拔出效应也能山东陶瓷消耗部分裂纹扩展的能量从而阻碍裂纹的持续扩展宏观表现为材料断裂韧性的增强 但过多()纤维的引入使样品烧结致密度及其微观结构均匀性下降力学性能相应衰减 结束语通过干压成型制备了 纤维增强的日用废瓷再烧结陶瓷材料 引入 纤维制备的陶瓷材料中的主要晶相为立方相 并存在少量石英和莫来石相 纤维未与玻璃相发生明显反应 纤维的含量对废瓷的烧结性能的影响较小在 烧成时不同 纤维含量的样品均可获得较为致密的微观结构 烧成温度进一步提高样品中气孔逐渐增大增多甚至出现明显过烧现象 适量 纤维的引入可充分利用高长径比纤维的拔出效应和裂纹桥接效应达到增强增韧的目的 纤维添加量为 并在 烧成制备的样品具有最高的抗弯强度和断裂韧性相对废瓷直接再烧结材料分别提高了 和 此外采用废瓷为主要原料制备的陶瓷材料表现出低的烧成收缩率这将有助于减小制品的烧成变形并可适当提高烧成速率 本工作制备的 纤维增强废瓷再烧结材料具有较高的力学强度和断裂韧性在卫浴配件、拉手和开关面板等日用陶瓷结构件产品开发方面具有良好的应用前景可有效提高陶瓷固废利用率和附加值参考文献 .:.():.:.:.().:.:.():.:.:.程云虹 黄菲 李亚洲.废弃陶瓷骨料混凝土抗冻性试验研究.混凝土():刘凤利.利用废陶瓷再生砂配制再生砂浆、混凝土的试验研究.郑州:河南大学.丁小蒙.废陶瓷再生粗骨料混凝土优化设计研究.南昌:华东交通大学.():.王少华 汪超 汪永清 等.陶瓷废料的产生和资源化利用现状.陶瓷学报 ():.(责任编辑:姚佳良)短纤维增强日用陶瓷固废再烧结材料的研究