煤矸石多孔陶瓷的制備工藝研究.pdf

1、煤矸石是我國(guó)最大宗的工業(yè)固體廢棄物，長(zhǎng)期的露天堆積導(dǎo)致大量土地被占?jí)?，污染了水體、土壤和大氣，對(duì)礦區(qū)的環(huán)境造成嚴(yán)重的危害，影響了人們的生命健康。隨著科技的進(jìn)步，煤矸石的綜合利用有了較大的發(fā)展，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。通過對(duì)煤矸石中化學(xué)成分分析發(fā)現(xiàn)，其中主要的成份氧化硅和氧化鋁與制備陶瓷的原材料相近，因此以煤矸石為原料制備多孔陶瓷，成為煤矸石資源化利用的新途徑。
　　多孔陶瓷是一種利用其孔隙結(jié)構(gòu)獲得優(yōu)異的物理性能和力學(xué)性能的功能結(jié)構(gòu)一體化

2、材料，由于具有較高的顯氣孔率、均勻分布的微孔、有發(fā)達(dá)的比表面體積、耐高溫、耐高壓等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天，醫(yī)學(xué)、環(huán)保、建筑、石油化工等行業(yè)，在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域和國(guó)民建設(shè)中發(fā)揮這巨大作用。
　　本文以淮南礦區(qū)煤矸石為主要原料,釆用添加造孔劑法和毛細(xì)管漿料法制備出了高氣孔率、高強(qiáng)度的多孔陶瓷材料。主要研究了煤矸石的酸浸處理、燒成溫度、保溫時(shí)間、添加劑含量、莫來石纖維的添加量以及漿料的固相含量等對(duì)多孔陶瓷顯氣孔率、抗壓強(qiáng)度、顯微結(jié)構(gòu)及物相

3、等的影響。研究結(jié)果如下：
　　1.制備陶瓷之前，研究了煤矸石原料的酸浸處理和煤矸石漿料的流變特性。
　　（1）采用酸浸法對(duì)煤矸石的雜質(zhì)含量進(jìn)行控制，通過除鐵率來表征雜質(zhì)去除的效果。除鐵率隨著混酸濃度的增加而提高，當(dāng)混酸濃度為5％HCl+21%H2SO4時(shí)，除鐵率達(dá)到68.32%；之后，隨著濃度的增加，除鐵率幾乎不再發(fā)生變化；
　?。?）通過調(diào)節(jié)pH值和分散劑的添加量來獲得高固相含量、低粘度的陶瓷漿料，隨著pH值和分散劑

4、含量的增加，漿料Zeta電位的絕對(duì)值呈先增大后減少的趨勢(shì)，當(dāng)pH值為10，聚羧酸分散劑的含量為0.1%時(shí)，Zeta電位的絕對(duì)值達(dá)到最大值56.75mV，此時(shí)，漿料的穩(wěn)定性最好。
　　2.采用添加造孔劑法制備多孔陶瓷，研究了以煤矸石中所含有的有機(jī)質(zhì)為造孔劑制備多孔陶瓷的燒結(jié)工藝；再添加淀粉造孔劑進(jìn)一步提高多孔陶瓷的顯氣孔率；并利用莫來石纖維改善了多孔陶瓷的高溫收縮特性；最后以煤矸石為主要原料，配以適量氧化鋁和氧化鎂，低溫制備了堇青石

5、多孔陶瓷。
　?。?）以煤矸石中所含有的有機(jī)質(zhì)為造孔劑制備多孔陶瓷：對(duì)比了未經(jīng)酸浸處理和酸處理后的煤矸石原料的燒結(jié)特性，隨著燒結(jié)溫度從1050℃升高到1300℃，酸處理煤矸石多孔陶瓷的抗壓強(qiáng)度隨燒結(jié)溫度的升高由12.75 MPa增加到141.3MPa、顯氣孔率則由40.87%下降到9.21%；而未經(jīng)酸處理的煤矸石多孔陶瓷，其抗壓強(qiáng)度由31.60MPa增加至84.35 MPa（1250℃）后減小到50.10MPa，孔隙率則由35.7

6、2%下降到0.21%后增加到3.35%。這是由于煤矸石中的雜質(zhì)在低溫?zé)Y(jié)時(shí)易形成固溶體活化晶格并產(chǎn)生液相，促進(jìn)了燒結(jié)反應(yīng)的進(jìn)行。但是雜質(zhì)含量過多時(shí)，在高溫?zé)Y(jié)時(shí)易產(chǎn)生大量的玻璃相和氣泡，導(dǎo)致多孔陶瓷抗壓強(qiáng)度急劇下降而顯氣孔率在降低到一定值后有所增加，因此必須采用有效的手段來控制煤矸石中的雜質(zhì)含量。
　?。?）以酸處理的煤矸石為原料制備出的多孔陶瓷顯氣孔率在50%以下，本文通過添加造孔劑的方法來進(jìn)一步提高其顯氣孔率。1200℃煅燒后

7、，添加60%的淀粉造孔劑可使多孔陶瓷的顯氣孔率由不加造孔劑時(shí)的24.55%增加到51.57%，此時(shí)多孔陶瓷的抗壓強(qiáng)度為17.44 MPa；并且隨著造孔劑的含量由40%增加到70%，顯氣孔率由44.16%增加到55.54%。由此可見，添加造孔劑可顯著提高多孔陶瓷的顯氣孔率。
　?。?）為了改善多孔陶瓷的高溫收縮性能，本文通過添加莫來石纖維來降低其高溫?zé)Y(jié)線性收縮率。在高溫?zé)Y(jié)過程中，隨著燒結(jié)溫度的增加，燒成收縮率逐漸增加，在1250

8、℃時(shí)，燒成線性收縮率達(dá)到14.22%，顯氣孔率僅為48.57%，而當(dāng)添加30%的莫來石纖維時(shí)，燒成線性收縮率僅為2.22%，此時(shí)的顯氣孔率達(dá)到65.62%。由此可見，莫來石纖維可有效降低多孔陶瓷的燒成收縮率，提高其顯氣孔率。
　　（4）以煤矸石為原料，通過對(duì)多孔陶瓷孔隙結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能的調(diào)節(jié)以及對(duì)其制備工藝的探索研究，制備除了高孔隙率、高強(qiáng)度的多孔陶瓷，為了進(jìn)一步提高煤矸石的資源化利用水平，通過配以適量氧化鋁和氧化鎂，在低溫條件下制

9、備出了具有低熱膨脹系數(shù)和優(yōu)良熱振穩(wěn)定性的堇青石多孔陶瓷。在燒結(jié)溫度達(dá)到1200℃時(shí)，堇青石相開始出現(xiàn)，隨著燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間的增加，堇青石的含量逐漸增加，當(dāng)溫度達(dá)到1225℃，即可得到純度較高的堇青石多孔陶瓷。相比于采用其他的原料制備的堇青石多孔陶瓷，其燒結(jié)溫度降低了約100℃。
　　3.為了進(jìn)一步探索減少多孔陶瓷在干燥和燒成過程中收縮的工藝條件，本文探討了一種新型的多孔陶瓷制備方法，即毛細(xì)管漿料法。先利用純度較高的石英砂為原料，

10、探索毛細(xì)管漿料法制備多孔陶瓷的工藝，然后利用此方法制備煤矸石多孔陶瓷。
　?。?）以石英砂為原料，探討助燒劑對(duì)多孔陶瓷燒結(jié)性能的影響，結(jié)果表明，助燒劑可以顯著改善多孔陶瓷的燒結(jié)性能，并且三元助燒劑的效果優(yōu)于二元系統(tǒng)。在不加助燒劑的情況下，1610℃時(shí)，多孔陶瓷的顯氣孔率為55.82%，而抗壓強(qiáng)度為僅為0.83 MPa，而添加（5%CaO+3%Al2O3+2%MgO）混合料為助燒劑，在1370℃時(shí)，多孔陶瓷的顯氣孔率和抗壓強(qiáng)度分別達(dá)

11、到40.14%和4.48 MPa，極大的降低了燒成溫度。
　?。?）以煤矸石為原料，以過0.075mm方孔篩的細(xì)煤矸石和5%CaO+3%Al2O3+2%MgO混合料為助燒劑，在不同燒結(jié)溫度的作用下，考察顯氣孔率和抗壓強(qiáng)度的變化，結(jié)果表明5%CaO+3%Al2O3+2%MgO混合料的助燒效果明顯優(yōu)于細(xì)煤矸石，以混合料為助燒劑、1250℃燒結(jié)的樣品，其抗壓強(qiáng)度和顯氣孔率分別為20.71MPa和34.97%，而添加細(xì)煤矸石的樣品，抗壓強(qiáng)