粉煤灰质红外辐射卫生陶瓷的性能研究

董丽娜，胡克艳，顾幸勇，罗 婷

（景德镇陶瓷学院，江西 景德镇 333403）

粉煤灰质红外辐射卫生陶瓷的性能研究

董丽娜，胡克艳，顾幸勇，罗 婷

（景德镇陶瓷学院，江西 景德镇 333403）

粉煤灰是我国当前排量较大的工业废渣之一，将其变废为宝、综合开发利用，已成为我国目前经济建设中一项重要的技术经济政策。实验采用粉煤灰作为主要原料来制备红外辐射卫生陶瓷，主要研究了粉煤灰的含量对陶瓷的成型和性能的影响。采用SEM、红外发射率测量仪(IR)、INSTRON-1195万能测量仪等表征了试样的各种性能，结果表明：随着粉煤灰含量的增加，原料泥浆的可塑性指标下降，而烧结试样烧结性能和抗折强度不断提高，红外发射率却不断减小，当粉煤灰含量为36wt.%(M=2)时，烧结试样具有最优化的性能，即气孔率为3.96%，红外辐射率为0.877，抗折强度为90.72 MPa。

粉煤灰；红外辐射卫生陶瓷；可塑性；抗折强度；红外辐射率

0 前 言

粉煤灰，又称飞灰，是煤炭在燃煤锅炉中燃烧所残留的固体废物，主要来源于燃煤电厂。煤粉在锅炉内燃烧生成灰分，灰分发生熔融并在表面张力作用下团缩成球形，排出炉外时又受急冷作用，形成富含玻璃体的球状颗粒。由于粉煤灰各颗粒间的化学成分并不完全一致，使得在冷却排出的过程中，形成了不同的物相。其中Si、Al主要赋存在石英、莫来石和铝硅酸盐玻璃相中，Fe2O3基本上存在于铝硅酸盐中，Ca、Mg、B等元素主要分布在外壳玻璃层中[1-3]。以中国来说，我国粉煤灰的主要氧化物组成为：SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2等。

粉煤灰是我国当前排量较大的工业废渣之一，它的排放量逐年增加，给我国的国民经济建设、生态环境造成巨大压力。所以，如何将其变废为宝、综合开发利用，已成为我国目前经济建设中一项重要的技术经济政策。事实上，我国目前对粉煤灰的开发已经起步，在陶瓷行业得到较为广泛的应用[4,5]。研究采用工业废料粉煤灰作为原料制备红外辐射卫生陶瓷，通过实验工艺的优化，最大限度地利用工业废料粉煤灰来制备优良性能的红外辐射卫生陶瓷。

1 实验方法

1.1 实验原料

以工业废料粉煤灰、高岭土、钾长石、石英、黑泥、镁质粘土为实验原料，各原料的化学组成如表1所示。

1.2 原料组成设计及工艺方法

本实验采用的实验原料分为两类：一类是基础原料，分别是高岭土17%，石英15%，钾长石14%，占实验原料总质量46%的基础原料组成保持不变。另一类是变动原料，分别是粉煤灰，镁质粘土，黑泥，实验通过设计不同质量百分组成的变动原料，来达到工艺的优化效果，实现工业废料粉煤灰的最大化的利用。变动原料的具体组成设计为如表2所示。

按照原料组成设计，实验原料的湿法球磨破碎工艺按照料∶球∶水=1∶2∶1的比例在行星球磨机中以300 r/s快速磨0.5 h，球磨后浆料经过过筛、注浆成型、干燥、烧成得到烧结试样。采用的烧结工艺为：以5 ℃/min的升温速率升温至600 ℃，再以3 ℃/min的升温速率升温至1150 ℃并保温30 min，而后自然冷却至室温。

2 实验结果和讨论

2.1 粉煤灰含量对原料泥浆性能的影响

实验分别对试样A1-A6原料泥浆的流动性和可塑性进行了研究。测试结果如图1所示，设定M=粉煤灰wt.%／(黑泥wt.%+镁质黏土wt.%)，由图可见，随着粉煤灰含量M值的提高，实验原料泥浆的相对粘度不断增加，其原因在于粉煤灰遇水后结合水的能力强，会使得泥浆的流动性降低。但同时发现，随着粉煤灰含量M值的下降，泥浆的可塑性指标不断提高，有利于泥浆的注浆成型。而当M＜2后，泥浆可塑性指标变化不大，基本维持稳定。这是由于随着粉煤灰含量M值的下降，镁质粘土的含量在增加，可塑性良好的镁质粘土可以提高和稳定实验原料泥浆的可塑性指标。但需注意的是，加入的镁质粘土过量时，在注浆过程中水份将不易扩散，吸浆慢，坯体容易粘模，造成脱模困难，并且由于坯体湿差较大，引起收缩过大，坯体容易发生开裂和变形，同样不利于泥浆的注浆成型。综上研究发现当粉煤灰含量M=2时，即粉煤灰含量为36wt.%，泥浆的流动性和可塑性适合泥浆的注浆成型。

2.2 粉煤灰含量对烧结试样力学性能的影响

实验采用INSTRON-1195万能试验机测量了烧结试样的力学性能，其中测试样品的加工要求为：尺寸标准为: 4 mm×36 mm×3 mm, 倒角尺寸为0.1 mm, 表面抛光处理，测试采用三点弯曲法测量了烧结试样A1-A6的抗折强度。结果如图2所示，表明，随着粉煤灰含量M值的增加，烧结试样的抗折强度不断提高。

表1 实验所用原料的化学组成 (wt.%)Tab.1 The chemical composition of raw materials /wt.%

表2 实验原料组成的设计Tab.2 The design of raw material combination

陶瓷材料的力学性能跟其自身的显微结构密切相关，通过采用SEM测试技术分别对试样A1(M=0.33)，A3(M=1)，和A6(M=4)的显微结构进行了研究。如图3所示，从图中可以发现，试样中均发现了莫来石晶须的存在。并且，随着粉煤灰含量M值的提高，晶须的长径比不断提高，表明粉煤灰的加入有利于莫来石晶须的完好发育。粉煤灰促进试样莫来石晶须的发育，其原因之一是，粉煤灰中的莫来石种晶和少量杂质在液相烧结过程中有利于莫来石晶须的成核和发育[6]。原因之二为，粉煤灰中的玻璃相，在烧结过程中能直接参与粘土质成分的共熔，减少了莫来石晶核晶界的迁移势垒，有利于针状莫来石晶须的析出。

图1 粉煤灰含量对泥浆注浆性能的影响Fig.1 The infuence of fy ash content on the casting properties of slurry

根据陶瓷材料的断裂属性，我们知道在常温条件下陶瓷材料属于脆性断裂，针状莫来石晶须对于提高陶瓷材料这种脆性断裂属性的力学性能发挥着重要的作用[7,8]：(1)在陶瓷试样断裂过程中，针状晶须对开裂裂纹的发生具有桥联作用，从而抑制裂纹的扩展提高陶瓷试样的断裂能；(2)针状晶须对开裂裂纹的扩展具有偏转效应：陶瓷试样中的裂纹在扩展过程中遇到针状晶须时，由于应力场的作用裂纹更易改变扩展方向而沿着晶须长度方向扩展，即开裂裂纹发生偏转，裂纹偏转使裂纹扩展路径增长，消耗了更多的能量，提高了试样的断裂强度。故随着粉煤灰含量M值的提高，烧结试样的力学抗折强度不断提高。但过量的加入粉煤灰，原料泥浆的可塑性迅速下降，坯体难以成型。

图2 粉煤灰含量与烧结试样抗折强度的关系曲线Fig.2 The infuence of fy ash content on the fexural strength of sintered samples

图3 烧结试样的显微形貌(酸蚀): (a)试样A1; (b)试样A3; (c)试样A6Fig.3 Microscopic morphology of sintered samples (Acid etching)∶ (a)sample A1; (b)sample A3; (c)sample A6

2.3 粉煤灰含量对烧结试样红外辐射率的影响

实验采用红外发射率测量仪(IR)分别测量了烧结试样A1-A6的红外辐射率，如图4所示，结果表明，随着粉煤灰含量M值的提高，烧结试样的红外辐射率在不断下降。陶瓷红外辐射性能受制于试样多种因素的影响，比如试样的组成和晶格缺陷，试样的显微结构，试样的气孔率，试样的表面光泽度等等。实验采用排水法测试了各烧结试样的气孔率，结果如图5所示，显然随着粉煤灰含量M值的提高，烧结试样的气孔率迅速下降。这是由于随着粉煤灰含量M值的提高，烧结试样的液相量逐渐增加，坯体的致密度不断增大，所以烧结试样的气孔率不断下降，这是导致试样红外辐射率下降的原因之一。

同时，当烧结试样辐射层的组成和结构一定时，材料的红外辐射率还会受到表面状态的影响。这里的表面状态主要是指试样的表面粗糙程度，一般粗糙度越大，红外辐射率越高。我们知道随着粉煤灰含量M值的提高，烧结试样的液相量增加而促进烧结，使得试样的表面粗糙度下降，是导致试样红外辐射率下降的原因之二。虽然粉煤灰的掺入对生产高红外辐射卫生陶瓷是一个不利的影响因素，但是粉煤灰的加入没有从根本上改变陶瓷的高红外辐射性能，当M=2时，烧结陶瓷的红外辐射率依然达到0.877。

图4 粉煤灰含量对烧结试样红外发射性能影响Fig. 4 The infuence of fy ash content on the infrared emission performance of sintered samples

图5 粉煤灰含量对试样烧结性能影响Fig.5 The infuence of fy ash content on the sintering performance of sintered samples

3 实验结论

(1)粉煤灰质红外辐射卫生陶瓷的泥浆性能，随着粉煤灰含量的逐渐提高，泥浆的粘度增加，可塑性不断下降，当粉煤灰含量M=2时，即粉煤灰含量为36wt.%，泥浆的流动性和可塑性均适合泥浆的注浆成型，为粉煤灰最大限度的加入量。

(2)经过1150 ℃温度并保温30 min的烧结工艺得到的烧结试样，随着粉煤灰含量的提高，试样的烧结性能和力学抗折强度不断提高，但试样的红外辐射率不断下降。粉煤灰含量M=2时，烧结试样的气孔率、抗折强度和红外辐射率分别为：3.96%、90.72 MPa和0.877，为实验的最优化性能。

[1]赵春辉. 粉煤灰的综合利用[J]. 广东化工, 2012, 39 (1): 78-79.

ZHAO Chunhui, et al. Guangdong Chemical Industry, 2012, 39 (1): 78-79.

[2] 李燕孙, 金文辉, 王 群, 等. 粉煤灰等工业废料制备土聚水泥的试验研究[J]. 陶瓷学报，2011, 32 (4) : 571-576.

LI Yanshun, et al. Journal of Ceramics, 2011, 32 (4): 571-576.

[3] 姚志通. 固体废弃物粉煤灰的资源化利用[D]. 浙江: 浙江大学博士学位论文. 2010.

[4] SULTANA P, DAS S, BHATTACHARYA A, et al. Mullite formation in coal fly ash is facilitated by the incorporation of magnesium oxide[J]. Reviews on Advanced Materials Science, 2011, 27( 1): 69-74.

[5] 赵庆新, 孙伟, 郑克仁, 等. 粉煤灰掺量对高性能混凝土徐变性能的影响及其机理[J]. 硅酸盐学报, 2006, 34 (4): 446-451.

ZHAO Qingxin, et al. Journal of the Chinese Ceramic Society, 2006, 34 (4): 446-451.

[6] 谭丽, 董应超, 孙丽. 粉煤灰资源化合成莫来石材料及其性能研究[J]. 陶瓷学报, 2011, 32(2): 249-255.

TAN Li, et al. Journal of Ceramics, 2011, 32(2): 249-255.

[7] 胡克艳, 顾幸勇, 陈宗玲. 外加莫来石晶须增强80氧化铝瓷工艺研究[J]. 中国陶瓷, 2010, 46(1): 16-18.

HU Keyan, et al. China Ceramics , 2010, 46(1): 16-18.

[8] 胡克艳, 徐军, 唐慧丽. 铁钛共掺强韧化蓝宝石晶体的研究[J].物理学报, 2013, 62(2): 0662011-6.

HU Keyan, et al. Acta Physica Sinica, 2013, 62(2): 0662011-6.

Performance of Fly Ash Based Infrared Radiation Sanitary Ceramics

DONG Lina, HU Keyan, GU Xingyong, LUO Ting
(Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen 333403, Jiangxi, China)

Fly ash is one of the largest industrial waste sources in china. An important technologic and economic policy is to recycle and utilize fy ash comprehensively. In this experiment, fy ash was used as raw material to make infrared radiation sanitary ceramics, and the infuence of the fy ash content on the molding and performance of the samples was investigated. The sintered samples were detected by SEM, infrared emissivity measuring instrument (IR) and INSTRON-1195 universal measuring instrument. Results show that with the increasing content of fy ash the plasticity index of raw slurry decreased, while the bending strength of the sintered ceramics increased, and the infrared emissivity declined. When the fy ash content reached 36%, the sintered ceramics had the optimal performance with the porosity of 3.96% and the infrared emissivity of 0.877 and the bending strength of 90.72 MPa.

fy ash; infrared radiation sanitary ceramics; plasticity; bending strength; infrared emissivity

date: 2014-01-20. Revised date: 2014-03-25.

TQ174.76

A

1000-2278(2014)04-0407-04

10.13957/j.cnki.tcxb.2014.04.012

2014-01-20。

2014-03-25。

国家自然科学基金项目资助(编号：51062007、51262014)。

顾幸勇(1960-)，男，教授。

Correspondent author:GU Xingyong(1960-), male, Professor.

E-mail:guxing-y@163.com