利用锂尾矿生产发泡陶瓷的研究*

吴 冀 成智文 卢庆阳

(1 唐山庄信科技有限公司 河北 唐山 063000)(2 咸阳陶瓷研究设计院有限公司 陕西 咸阳 712000)

前言

随着我国城市建设的发展，建筑耗能过大已成为一个丞待解决的问题。目前，国内用于保温功能的建筑围护墙外装饰保温材料多为有机材料，这种材料的缺点是易吸水变质、易燃烧、耐久性差。另一方面,我国工业尾矿的主要处理方式是堆放、填埋和综合利用，其中堆放或填埋既占用了耕地，又污染了环境。因此，从建筑节能、工业尾矿利用的角度出发，开发兼具良好的保温隔热、节能、隔音、防火、与建筑体同寿命等多功能于一身的建筑陶瓷保温材料，可替代现有的建筑围护墙外装饰有机保温材料。利用工业尾矿生产建筑陶瓷保温材料既解决了工业尾矿对环境的污染，又解决了建筑耗能过大的问题，是一种新型的绿色建筑陶瓷保温材料产品。

保温陶瓷板节能、防火等级高、高强度、耐腐蚀、与建筑同寿命且具有保温隔热性能，是当前研究的热点[1]。万云萍等[2]以建筑抛光泥为主要原料，于1 230 ℃烧结制备了吸水率为0.41%(质量分数)、抗压强度为10.89 MPa、导热系数为0.19 8 W/(m·K)的保温陶瓷材料。罗淑芬等[3]以陶土尾矿于1 160 ℃烧结制备了吸水率为0.54%、抗压强度为4.87 MPa、导热系数为0.09 4 W/(m·K)的保温陶瓷材料。杨航等[4]以铁尾矿和废石为主要原料,于1 160 ℃烧结制备了吸水率为0.48%、抗压强度为2.20 MPa、导热系数为0.09 0 W/(m·K)、防火等级为A级的保温陶瓷材料。

利用锂尾矿为主要原料制备保温陶瓷板，以期对其进行综合利用，同时弥补相关领域的研究不足。

2 实验原料

本次实验采用的主要原料来源于北方某厂生产过程中产生的锂矿尾矿锂尾矿，并添加高岭土(陕西泾阳)、长石(陕西商洛)、方解石(陕西商洛)等陶瓷原料设计配方。各原料的化学组成见表 1。

表1 原料化学成分(wt%)

由上表可以看出锂尾矿成分类似长石类原料，碱金属氧化物含量相对较高，烧失较大，有利于制备发泡陶瓷。

3 发泡陶瓷的制备

3.1 基础配比的确定

本研究以K2O-Al2O3-SiO2系统相图为理论依据，通过查阅相关资料，分别采用锂尾矿与高岭土、长石、方解石等陶瓷原料进行样品试制，添加高岭土改善坯体可塑性；添加长石、方解石以降低产品烧成温度；并外加一定量的发泡剂以在烧成时形成闭气孔。采用正交试验方法进行多组实验。分别考察不同的配方对烧成温度范围、成孔性能、体积密度、产品强度的影响，并寻找最佳性能的坯体配比。满足产品性能要求的坯体配比如表2所示。

表2 发泡陶瓷坯体配比(wt%)

3.2 工艺流程

保温陶瓷板的制备工艺流程(见图1)包括称重混料、湿磨制浆、喷雾造粒、布料及入窑烧成，为获得符合要求的保温陶瓷板，需对工艺参数进行控制。

图1 保温陶瓷板的制备工艺流程图

3.3 工艺参数

料∶球∶水=1∶2∶0.45;泥浆细度(250目筛筛余)≤1.00%;造粒料含水量≤1.5%;陈腐时间≥24 h;烧成温度为1 180 ℃～1 220 ℃。

3.4 样品表征

采用湘潭湘仪仪器有限公司生产的GKF-VIII硅酸盐化学成分快速测定仪测定原料化学组成。使用筛分法测试了湿磨泥浆的细度。通过Archimedes原理测试了保温陶瓷板的吸水率和体积密度。采用北京时代新天测控技术有限公司生产的TPMBE-300平板导热仪测定了材料的导热系数。通过日本电子株式会社制造的JSM-5610LV型扫描电子显微镜对其显微结构进行了观测。

4 结果与讨论

要生产出合格的发泡陶瓷，对泥浆细度要进行严格控制。我们用3种不同细度的泥浆制备原料，并进行对比试验。

4.1 泥浆细度对产品性能的影响

由表3可以看出，在成孔剂的加入量、烧成温度相同的情况下，泥浆的细度越细小，产品的烧成温度越低，玻璃相在成孔剂生成气体之前已形成。

表3 泥浆细度对产品性能的影响

当泥浆细度变粗时，坯体中产生的玻璃相量不足，坯体的孔隙较大，成孔剂所生成的气体就会逸出，从而使得坯体内形成的闭口气孔量不足，所形成的样品体积密度较大，导热系数也随之增大。故本研究中最优的泥浆细度(250目筛筛余)应控制在≤1.00%。

4.2 发泡剂对发泡陶瓷性能的影响

生产发泡陶瓷保温材料，目前的成孔方法有很多，即加入有机物、微珠、经过物质间反应产生气体形成孔等。我们通过大量的实验，最后确定了一种较适合本产品的发泡剂，并进行了定量试验，确定了最佳的加入量。发泡剂对试制样品的影响如表4所示。

表4 发泡剂加入量对产品性能的影响

由表4可以看出，当温度一定时，随着成孔剂量的增加，样品的体积密度减小；当成孔剂加入量一定时，随着烧成温度的提高，样品的体积密度减小。因此，本研究中发泡剂最佳添加量为0.6%左右。

4.3 烧成温度对发泡陶瓷性能的影响

陶瓷烧成是坯体致密化及晶粒长大的过程，而烧成温度显著影响保温材料中的孔结构与孔径。图2为同一配比、相同放大倍数，烧成温度在1 180 ℃～1 220 ℃。之间产品的扫描电镜图。在1 180 ℃烧制出的产品的孔径较小，孔壁较厚，强度高，烧结情况良好。在1 200 ℃下烧制出的产品孔径较大，孔壁的烧结性也较好，产品的抗折、抗压强度都较高。在1 220 ℃烧制出的样品孔径较大，样品内玻璃相明显，所形成的孔壁较薄，产品的抗压、抗折强度较1 200 ℃烧成的样品差。故选择 1 200 ℃为本研究的最佳烧成温度。不同温度下电镜扫描图如图2所示。

(a)烧成温度1 180 ℃

4.4 保温陶瓷板的表面装饰

(a)

对本研究中获得的综合性能最优的保温陶瓷板进行了表面装饰，以提高其档次及美感。 其装饰过程为对烧成切割后的保温陶瓷板涂抹腻子并喷涂真石漆。图 5a为未加工装饰的保温陶瓷板，图 5b为装饰后的保温陶瓷板，尺寸300 mm×300 mm×30 mm，装饰后的保温陶瓷板可应用于内墙外墙装饰且具有质轻、高耐久性的特点，是一种性能优异、市场前景广阔的产品。

5 结论

(1)烧成温度为1 200 ℃、泥浆细度(250目筛筛余)≤1.00%且发泡剂添加量为0.6%时制备的保温陶瓷板性能最佳：体积密度0.42 g/cm3，导热系数0.08 W/(m·K)，抗压强度7.00 MPa。

(2)烧成温度、泥浆细度以及发泡剂添加量等因素中，发泡剂添加量对保温陶瓷板的孔结构、孔径大小及分布影响最为显著，是获得保温陶瓷板的关键。通过调节发泡剂添加量可获得不同平均孔径不同导热系数的保温陶瓷板。

(3)烧成温度过高,导致晶粒异常长大，气体来不及排出从而形成大尺寸气孔，对于获得低导热系数不利；烧成温度过高还会因过烧降低材料的强度。

(4)泥浆细度影响保温陶瓷板的孔径大小及分布:泥浆细度(250目筛筛余)>1.00%时，制备所得保温陶瓷板中的孔径尺寸增大，孔分布均匀性急剧下降，对于获得低导热系数不利。

利用锂尾矿，经过试验可以制备出具有质量轻、保温隔热、隔音、防火、强度高与建筑体同寿命等特点，符合标准要求的发泡陶瓷。该产品可以用作室内隔墙材料，也可以用作外墙、屋面、窑炉等保温材料，根据需要可以加工成不同的形状尺寸。锂尾矿用量可达70%以上，绿色环保、节约资源。