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        利用廢渣生產(chǎn)微晶玻璃復(fù)合板

        2010-01-01 00:00:00楊會智,楊曉波,郝好山
        佛山陶瓷 2010年6期

        摘 要:本文介紹了微晶玻璃陶瓷復(fù)合板的工藝特點(diǎn),并利用鋁土礦選尾礦和粉煤灰制備微晶玻璃復(fù)合板,試驗(yàn)表明,利用廢渣生產(chǎn)的微晶玻璃復(fù)合板能夠充分保留微晶玻璃的優(yōu)良性能,同時(shí)能夠大量利用廢渣。

        關(guān)鍵詞:微晶玻璃-陶瓷復(fù)合板;新工藝;廢渣

        1 前言

        微晶玻璃又稱玻璃陶瓷, 是綜合玻璃和陶瓷技術(shù)發(fā)展起來的一種新型材料, 其理化性能集中了玻璃和陶瓷的雙重優(yōu)點(diǎn),具有高光澤度、優(yōu)異的物理機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性,以及綠色環(huán)保等優(yōu)良性能,有著廣闊的市場需求[1]。然而,大多數(shù)微晶玻璃是采用化工原料及水淬燒結(jié)方法,這使得微晶玻璃板材的成本過高。

        隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,大量的工業(yè)固體廢渣對環(huán)境造成很大的壓力;粉煤灰是火力發(fā)電廠排放的固體工業(yè)廢渣,目前主要用作灌漿材料、建筑工程材料等,如何更有效地變廢為寶,開發(fā)出使用價(jià)值更高的材料是粉煤灰利用的一個(gè)重要課題[2]。而國內(nèi)一些礦山將尾礦作井下充填料、覆土造田, 這只是一種粗糙的處理方式, 尾礦沒有被充分利用,取得的經(jīng)濟(jì)效益不大。利用工業(yè)廢渣制作微晶玻璃,既可節(jié)約成本,又可達(dá)到綜合利用資源和保護(hù)環(huán)境目的。

        通常,微晶玻璃陶瓷復(fù)合板采用兩次燒成工藝,即先燒結(jié)素坯,再布微晶玻璃粒料進(jìn)行二次燒結(jié)[3]。二次燒結(jié)過程中,由于使用微晶玻璃的大顆粒料,以及兩層材料的結(jié)合需要較高的燒結(jié)溫度,而這個(gè)溫度常常偏離微晶玻璃層的最優(yōu)燒結(jié)溫度,因此會造成微晶玻璃層氣孔較大、晶相含量降低,從而導(dǎo)致硬度的下降[4]。 本文提出利用鋁土礦選尾礦和粉煤灰生產(chǎn)微晶玻璃陶瓷復(fù)合板的新工藝[5],這種新工藝的特點(diǎn)是,廢渣使用量高,一次燒成,同時(shí)保證微晶玻璃層充分燒結(jié)。

        2 試驗(yàn)

        2.1原料

        實(shí)驗(yàn)所用鋁土礦選尾礦由中國鋁業(yè)公司鄭州研究院提供;粉煤灰來自鄭州熱電廠;玻璃料由佛山市歐神諾有限公司提供,其它輔助原料如石英砂在市場上購得。粉煤灰和鋁土礦選尾礦的化學(xué)組分如表1所示。

        2.2樣品的制備

        原料磨細(xì)過200目(75μm)篩,基板層用鋁土礦選尾礦、粉煤灰、石英砂與微晶玻璃板層用玻璃粉以質(zhì)量比40:30:17:13配比?;辶霞铀?wt%,混合造粒;玻璃料加8wt%PVA 溶液造粒。隨后分別倒入模具中,在40MPa的壓力下壓制成雙層坯體,坯體的基板層厚度約6.5mm, 微晶玻璃層厚度約1.5mm。樣品烘干后以一定的熱處理制度燒結(jié),燒結(jié)溫度為980oC,燒成周期為90min。

        2.3組成、結(jié)構(gòu)和性能測試

        采用法國SETARAM公司的Labsys型差熱分析儀對玻璃料進(jìn)行DSC測試,升溫速度為20℃/min,空氣氣氛。利用Philips公司的PW 1700型X射線衍射儀測定樣品的相組成,Cu靶;將燒結(jié)晶化后的試樣切割成小塊表面磨平并拋光,采用JEOL JSM-6700F型掃描電鏡形貌觀察樣品的微觀形貌,并利用EDS分析其元素組成。利用顯微硬度記測量樣品的硬度,測量時(shí)載荷為300g,加載時(shí)間15s;復(fù)合板的三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度利用德國Zwick/Roell Z030實(shí)驗(yàn)機(jī)完成,跨距30mm,加載速率0.5mm/min。

        3 結(jié)果與討論

        微晶玻璃復(fù)合板類似于瓷質(zhì)磚的生產(chǎn)工藝,但有一定的不同:

        (1) 基板料主要由工業(yè)廢渣、玻璃化廢渣和石英砂組成,有時(shí)需要加入一定的玻璃料以提高強(qiáng)度。工業(yè)廢渣所起的作用與瓷質(zhì)磚中粘土的作用類似;石英相作為填充相抑制燒結(jié)收縮和變形,同時(shí)對調(diào)整基板層和微晶玻璃層的熱膨脹系數(shù)有著重要的作用;玻璃化廢料主要用來提高強(qiáng)度,如果玻璃化廢料成分設(shè)計(jì)合理,則不用添加其他的玻璃料,實(shí)際上很多玻璃化廢料,如粉煤灰和鋼渣,在較低的燒結(jié)溫度下流動性差,會造成基板層乃至復(fù)合板的強(qiáng)度低,這時(shí)需要加入一定的低溫流動好的玻璃料。

        (2) 燒結(jié)溫度的選擇主要以微晶玻粒層獲得最優(yōu)的燒結(jié)晶化為依據(jù)。由于微晶玻璃層采用細(xì)分壓制燒結(jié),充分發(fā)揮表面晶化機(jī)制,并在最優(yōu)的燒結(jié)晶化溫度燒結(jié),微晶玻璃層晶化良好、硬度高,和純微晶玻璃板材的性能完全一樣。

        (3)通常硅灰石系微晶玻璃最優(yōu)燒結(jié)晶化溫度在1000oC左右,在這個(gè)燒結(jié)溫度下,基板層不能燒結(jié)致密,基板層強(qiáng)度主要由其中的玻璃料確定。試驗(yàn)測試的燒結(jié)收縮在1.4%左右,幾乎是一個(gè)常數(shù)。這樣的顯微結(jié)構(gòu)對于廢渣的利用、兩層材料的結(jié)合和變形的控制是有益的。較低的燒結(jié)收縮能夠很好地控制復(fù)合板的變形,并且對廢渣成分的變化不敏感。

        DSC試驗(yàn)確定微晶玻璃料的晶化峰溫為980oC,因此確定復(fù)合板樣品的燒結(jié)溫度為980oC。但研究表明[6],粉煤灰在高于1050oC燒成后,強(qiáng)度明顯提高。為了提高復(fù)合板的強(qiáng)度,將其中一組樣品的燒結(jié)溫度提高到1080 oC,由于此溫度高于微晶玻璃的晶化峰溫,故對微晶玻璃層原料的配比進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整。

        如圖1所示,DSC試驗(yàn)確定微晶玻璃料的玻璃轉(zhuǎn)變溫度、晶化起始溫度和晶化峰溫分別為690 oC、853 oC和983 oC,因此確定復(fù)合板樣品的燒結(jié)溫度為980 oC。已有的研究表明[6],粉煤灰粘土煅燒溫度高于1050 oC,強(qiáng)度明顯提高。為了提高復(fù)合板的強(qiáng)度,將其中一組樣品的燒結(jié)溫度提高到1080 oC,由于此溫度高于微晶玻璃的晶化峰溫,在此溫度下燒結(jié),導(dǎo)致微晶玻璃層有大量的殘余氣孔,因此對微晶玻璃層原料的配比進(jìn)行了調(diào)整,在微晶玻璃層中添加了15 wt%的鉀長石,通過鉀長石燒結(jié)熔化,提高微晶玻璃層的致密度。

        圖2為經(jīng)不同溫度燒結(jié)并拋光后的樣品照片,由圖2可以看出,復(fù)合板燒結(jié)良好,兩層材料結(jié)合良好,微晶玻璃層整體燒結(jié)致密。

        圖3b和3c分別為在980oC和1080oC燒結(jié)后的微晶玻璃樣品的SEM照片,圖3a為一商用拋光磚的SEM照片,由圖可見,微晶玻璃層的殘余氣孔的尺寸均小于100μm。980oC燒結(jié)的樣品,微晶玻璃層少量氣孔尺寸較大;1080oC燒結(jié)的樣品,氣孔的尺寸明顯減小,說明添加15wt%的鉀長石能明顯提高微晶玻璃層在較高燒結(jié)高溫下的致密性。圖3c中,顏色較深的大顆粒為殘余鉀長石相,EDS分析表明,其主要成分為K2O和SiO2。另外,由圖3c可看出,微晶玻璃層的氣孔明顯少于普通拋光磚。

        圖4為分別在980oC和1080oC燒結(jié)的微晶玻璃樣品的XRD圖譜,結(jié)果表明,微晶玻璃層的主要晶相為硅灰石。經(jīng)硬度和彎曲強(qiáng)度測試,980oC燒結(jié)微晶玻璃層維氏硬度為5.88GPa,1080oC燒結(jié)微晶玻璃層的維氏硬度為6.03GPa,而實(shí)驗(yàn)中所用的拋光磚的維氏硬度為4.80GPa;兩個(gè)燒結(jié)溫度下,復(fù)合板樣品的三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度分別為25MPa和39MPa。

        4 結(jié)論

        利用廢渣生產(chǎn)微晶玻璃玻璃復(fù)合板,采用類似于瓷質(zhì)磚的制備工藝,生產(chǎn)成本低,能夠大量利用工業(yè)廢渣,如本實(shí)驗(yàn)中廢渣的加入量大于50wt%;能夠保留微晶玻璃的優(yōu)點(diǎn),如高硬度和高耐磨性;同時(shí)生產(chǎn)成本較低,為利用低質(zhì)量原料以及工業(yè)廢渣生產(chǎn)建材提供了新思路。

        參考文獻(xiàn)

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