李良龍 馬夢蘭 黎友海 汪成東 陳銀世 饒平根

摘 要：本文通過XRD、SEM、熱分析、光學熱膨脹儀等測試手段，分析了拋光磚廢渣的各項理化性能，并通過正交實驗法得到了拋光磚廢渣制備泡沫陶瓷的較優(yōu)工藝配方。實驗結(jié)果表明：拋光磚廢渣中的主要發(fā)泡物質(zhì)為拋光磨頭中引入的碳化硅顆粒；采用2 wt%的磨頭廢屑添加量、3℃/min的升溫速率、1170℃的燒成溫度、保溫時間為20 min的工藝可制得體積密度為0.35 g/cm3的泡沫陶瓷。

關(guān)鍵詞：拋光磚廢渣；泡沫陶瓷；發(fā)泡；體積密度

1 引言

拋光磚在建筑陶瓷產(chǎn)品中占比約50 %，拋光磚在磨削拋光過程中，磨削量可達0.3～0.5 mm，從而產(chǎn)生大量的拋光磚廢渣。其成分主要是產(chǎn)品表面被磨削的氧化鋁、氧化硅等陶瓷料和拋光磨料中的碳化硅、氯化鎂水泥及有機樹脂等[1-2]，由于其含有可發(fā)泡物質(zhì)，因此難以大規(guī)?；厥绽糜谔沾纱u的生產(chǎn)中。據(jù)測試統(tǒng)計，生產(chǎn)1 m2拋光磚可產(chǎn)生約1.5 kg的拋光廢料，磨頭損失約0.5 kg，因此，每平方米拋光磚將產(chǎn)生2.0 kg左右的廢料，每年國內(nèi)拋光磚生產(chǎn)所產(chǎn)生的廢渣可達上千萬噸，這些廢料大量堆積會造成嚴重的環(huán)境污染問題。

目前國內(nèi)外對陶瓷拋光廢料的綜合利用主要為：替代部分原材料以用于生產(chǎn)內(nèi)外墻釉面磚、陶瓷仿古磚[3]、多孔陶瓷[4-6]和免燒陶粒[7-9]等。

本文分析了拋光磚廢渣的各項理化性能，并通過正交實驗得到了拋光磚廢渣制備泡沫陶瓷的較優(yōu)工藝配方，以期為有效利用拋光磚廢渣提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和應用參考。

2 實驗內(nèi)容

2.1 實驗原料

本實驗采用的拋光磚廢渣由廣東天弼陶瓷有限公司提供，原料粒度小于200目。

2.2 實驗表征方法

本實驗采用荷蘭Panlytical公司Xpert PRO 型X 射線衍射儀檢測拋光磚廢渣物相組成；采用NETZSCH STA 449C 型綜合熱分析儀測定拋光磚廢渣TG曲線；采用德國ZEISS公司EVO18 型掃描電子顯微鏡對拋光磚廢渣形貌進行觀察；采用TOMMI型光學熱膨脹儀對樣品進行可視化觀察；根據(jù)國家標準GB/T 3810.3-2006，用煮沸法與體積法共同校準測試泡沫陶瓷的體積密度；采用美國Instron 公司5567 型萬能材料試驗機測定抗壓強度；采用高倍率光學體視顯微鏡對待測樣品進行氣孔形貌及均勻性的顯微觀察。

2.3 拋光磚廢渣的主要理化性能

2.3.1 成分分析

本實驗用拋光磚廢渣的化學組成如表1所示。從表1可知，拋光磚廢渣中所含的MgO含量比坯料偏高，這主要是因為拋光磚廢渣中含有一定量的由于拋光磨頭磨損而引入的氯氧鎂水泥，在其加熱過程中發(fā)生分解反應，釋放出水分和HCl氣體，最終產(chǎn)物為MgO。

圖1所示為拋光磚廢渣的XRD圖譜。由圖1分析可知，該物質(zhì)晶相主要由石英相組成，并含有部分的莫來石相，還含有少量的氫氧化鎂和氯化鎂水合物，即氯氧鎂水泥。石英相與莫來石相是拋光瓷質(zhì)磚時產(chǎn)生的陶瓷磚粉料，而氯氧鎂水泥是在拋光瓷質(zhì)磚時被拋掉的磨頭屑引入的。

2.3.2 顯微形貌觀察

對拋光磚廢渣進行SEM顯微形貌觀察，如圖2所示。拋光磚廢渣的形貌不規(guī)則，顆粒表面凹凸不平，粒徑較小，大多介于0.2～15 μm之間，表現(xiàn)出典型的瘠性料顯微特性。這是因為拋光磚廢渣主要是由SiC拋光磨頭拋光瓷質(zhì)磚產(chǎn)生的拋光廢屑，因而其形狀不規(guī)則，表面凹凸不平；且磨頭中的SiC粒度較細，所以拋光產(chǎn)生廢屑粒度較細。

2.3.3 熱分析

拋光磚廢渣的熱重曲線如圖3所示。由TG曲線可知，室溫到200℃之間的燒失量為0.75%，主要是物理吸附水的揮發(fā)；在200～600℃之間的燒失量為1.29%，主要是結(jié)構(gòu)水的脫附以及氫氧化鎂、氯氧鎂水合物的分解；在600～1200℃之間的燒失量為0.41%，主要是有機物的燒失和SiC的氧化反應。整個過程燒失重量為2.45%，與表1化學成分分析結(jié)果基本一致。由此可見，在拋光磚廢渣中有機物含量比較少，也進一步驗證了拋光磚廢渣的XRD物相分析結(jié)果：其晶相主要由石英和莫來石組成。

2.3.4 熱膨脹分析

為驗證導致拋光磚廢渣發(fā)泡的主要物質(zhì)，將拋光磚廢渣壓制成直徑為2 cm、高為1 cm的圓柱體狀的樣品放入TOMMI光學熱膨脹儀中，觀察不同溫度下樣品膨脹情況，如圖4所示。實驗測試條件為：樣品從室溫快速升溫到1200℃，升溫速率保持10℃/min，1200℃時保溫5 min。同時繪制該樣品升溫過程中的直徑與高度方向的熱膨脹曲線，如圖5所示，其中曲線1為直徑變化曲線，曲線2為高度變化曲線。

由圖5可知，從室溫升溫到800℃的過程中，樣品體積基本無變化，直徑與高度方向尺寸變化較小；爐內(nèi)溫度達到800～1130℃過程中，樣品開始呈現(xiàn)收縮趨勢，1000℃以上試樣寬度與高度方向尺寸出現(xiàn)明顯收縮，這是因為坯體內(nèi)出現(xiàn)低熔物，顆粒排列逐漸緊密，造成體積收縮；從1130℃左右開始，樣品由收縮轉(zhuǎn)為膨脹趨勢，并在1200℃保溫過程中，試樣直徑與高度方向尺寸仍繼續(xù)膨脹，這是由坯體內(nèi)反應釋放出氣體并在坯體硅酸鹽液相中沖出孔洞造成的體積膨脹。由此可知，樣品發(fā)泡起始溫度約為1130℃。由此得到的泡沫陶瓷發(fā)泡溫度區(qū)間為后期燒成溫度參數(shù)的制定提供較好的參考依據(jù)。

拋光磚廢渣中可能引起發(fā)泡的物質(zhì)有碳化硅、氯氧鎂水合物以及有機高分子樹脂。其中，氯氧鎂水合物分解產(chǎn)生氣體的溫度在160～600℃之間[10]，而由圖4可知，此溫度區(qū)間樣品尺寸并未發(fā)生顯著改變，故可排除氯氧鎂水合物為泡沫陶瓷發(fā)泡的主要物質(zhì)；有機樹脂一般在800℃以下就分解完全排出，而由圖4可知，泡沫陶瓷體積開始顯著膨脹的起始溫度已經(jīng)高于1100℃，故也可排除有機樹脂為泡沫陶瓷發(fā)泡的主要物質(zhì)。因此驗證出拋光磚廢渣中的主要發(fā)泡物質(zhì)只有可能為拋光磨頭中引入的碳化硅顆粒。

2.3.5 正交實驗內(nèi)容設(shè)計

通過前期大量基礎(chǔ)性實驗探索，得知利用拋光磚廢渣制備泡沫陶瓷時，燒成溫度、保溫時間、升溫速率以及磨頭廢屑的添加量為主要影響因素。為探討得到較優(yōu)因素配方，考察指標為泡沫陶瓷的體積密度、孔徑大小以及抗壓強度，故采用正交實驗來優(yōu)化。

3 正交實驗分析

3.1 正交實驗方案設(shè)計

本實驗每個因素設(shè)置3個水平，暫不考慮交互作用的影響，選用如表2所示正交表L9（34）來安排實驗。其中，A因素代表燒成溫度，B因素代表保溫時間，C因素代表升溫速率，D因素代表磨頭廢屑添加量。根據(jù)正交實驗設(shè)計，實驗方案與實驗結(jié)果如表3所示。

3.2 正交實驗結(jié)果分析與討論

正交實驗結(jié)果分析如表4所示。通過極差計算可知：

（1） 體積密度指標分析

四個因素對實驗結(jié)果影響的主次程度依次為磨頭廢屑添加量（D）、燒成時升溫速率（C）、保溫時間（B）和燒成溫度（A）。

以制備低體積密度的泡沫陶瓷為優(yōu)，磨頭廢屑添加量（D）因素選擇水平2或3，升溫速率（C）因素選擇水平2，保溫時間（B）因素選擇水平2，燒成溫度（A）因素選擇水平1或3，綜合分析并考慮節(jié)能環(huán)保，得到優(yōu)方案為D2C2B2A1。

即采用2 wt%的磨頭廢屑添加量、3℃/min的升溫速率、20 min的保溫時間和1170℃的燒成溫度可得到體積密度較低的泡沫陶瓷。經(jīng)實驗驗證，此種工藝參數(shù)條件下制備的泡沫陶瓷體積密度為0.35 g/cm3，符合優(yōu)方案的分析結(jié)論。

（2） 孔徑指標分析

四個因素對實驗結(jié)果影響的主次程度依次為燒成溫度（A）、磨頭廢屑添加量（D）、升溫速率（C）和保溫時間（B）。

3.3 抗壓強度指標分析

四個因素對實驗結(jié)果影響的主次程度依次為升溫速率（C）、保溫時間（B）、燒成溫度（A）和磨頭廢屑添加量（D）。

以制備高抗壓強度的泡沫陶瓷為優(yōu)，升溫速率（C）選擇水平3，保溫時間（B）選擇水平1，燒成溫度（A）選擇水平1，磨頭廢屑添加量（D）選擇水平1，得到優(yōu)方案為C3B1A1D1。經(jīng)實驗驗證，此種工藝參數(shù)條件下制備的泡沫陶瓷抗壓強度為2.7 MPa，基本符合優(yōu)方案的分析結(jié)論。

4 結(jié)論

（1） 通過XRD物相分析及熱分析可知，拋光磚廢渣中晶相主要由石英和莫來石組成；熱膨脹分析表明，以拋光磚廢渣為原料的泡沫陶瓷發(fā)泡起始溫度約為1130℃，因此驗證了拋光磨頭中引入的碳化硅為主要發(fā)泡物質(zhì)。

（2） 通過正交實驗探索可知，對泡沫陶瓷的體積密度影響主次程度依次為磨頭廢屑添加量、燒成時升溫速率、保溫時間和燒成溫度。綜合泡沫陶瓷體積密度、抗壓強度、氣孔均勻性等分析，采用2 wt%的磨頭廢屑添加量、3℃/min的升溫速率、20 min的保溫時間及1170℃的燒成溫度為較優(yōu)配方和燒成制度，可制得體積密度為0.35 g/cm3的泡沫陶瓷。

參考文獻

[1] 繆松蘭，馬光華，李清濤，等.建筑陶瓷拋光廢渣制備輕質(zhì)陶瓷材 料的研究[J].陶瓷學報，2005，26（2）： 71～79.

[2] Amoros JL，OrtsM J，Garca-Ten J，et al.Effect of the green porous texture on porcelain tile properties[J].Journal of the European Ceramic Society，2007，27： 2295～2301.（下轉(zhuǎn)第12頁）

[3] 李玉峰.陶瓷廠廢料的開發(fā)和利用[J].佛山陶瓷，2003（3）：16～18.

[4] 韓復興.陶瓷廠廢料生產(chǎn)多孔陶瓷的研究[J].陶瓷研究，2002（1）： 24～27.

[5] Takao N，Xue M.J，Ri H.J.About the sound absorption characteristics of porous concrete，Symposium on the Design and Construction Method of PorousConcrete and Examples of its Recent Application[J]. Japan Concr Inst，2002，1（10）：127～132.

[6] Adam M，Narayanan N.Influence of aggregate size and gradation on acousticabsorption of enhanced porosity concrete[J]. ACI Material Journal，2004，1（101）：82～91.

[7] 稅安澤.一種利用陶瓷廢料制備夾心型免燒陶粒的方法[P].中國：200610037494.6，2006-06-23.

[8] 侯來廣，曾令可，程小蘇，等.利用拋光磚廢料制備包裹型免燒陶粒的研究[J].新型建筑材料，2006，10（8）：72～74.

[9] 戴英，裴新美，等. ?；u拋光廢料制備陶粒的研究[J]. 佛山陶瓷，2003，12（6）：13～14.

[10] 黃志雄，趙穎，秦麟卿，等.，氯氧鎂水泥的制備及其熱分解機理[J]. 武漢理工大學學報，2008，30（10）：40～42.