煤矸石多孔陶瓷的制備工藝研究.pdf

1、煤矸石是我國最大宗的工業(yè)固體廢棄物，長期的露天堆積導致大量土地被占壓，污染了水體、土壤和大氣，對礦區(qū)的環(huán)境造成嚴重的危害，影響了人們的生命健康。隨著科技的進步，煤矸石的綜合利用有了較大的發(fā)展，應用范圍不斷擴大。通過對煤矸石中化學成分分析發(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)達的比表面體積、耐高溫、耐高壓等優(yōu)點，廣泛應用于航空航天，醫(yī)學、環(huán)保、建筑、石油化工等行業(yè)，在科學技術領域和國民建設中發(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管漿料法制備出了高氣孔率、高強度的多孔陶瓷材料。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多孔陶瓷顯氣孔率、抗壓強度、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。
　?。?）采用酸浸法對煤矸石的雜質(zhì)含量進行控制，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，當混酸濃度為5％HCl+21%H2SO4時，除鐵率達到68.32%；之后，隨著濃度的增加，除鐵率幾乎不再發(fā)生變化；
　　（2）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電位的絕對值呈先增大后減少的趨勢，當pH值為10，聚羧酸分散劑的含量為0.1%時，Zeta電位的絕對值達到最大值56.75mV，此時，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質(zhì)為造孔劑制備多孔陶瓷：對比了未經(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)在低溫燒結(jié)時易形成固溶體活化晶格并產(chǎn)生液相，促進了燒結(jié)反應的進行。但是雜質(zhì)含量過多時，在高溫燒結(jié)時易產(chǎn)生大量的玻璃相和氣泡，導致多孔陶瓷抗壓強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的24.55%增加到51.57%，此時多孔陶瓷的抗壓強度為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燒結(jié)線性收縮率。在高溫燒結(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，燒成線性收縮率達到14.22%，顯氣孔率僅為48.57%，而當添加30%的莫來石纖維時，燒成線性收縮率僅為2.22%，此時的顯氣孔率達到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。
　?。?）以煤矸石為原料，通過對多孔陶瓷孔隙結(jié)構(gòu)和機械性能的調(diào)節(jié)以及對其制備工藝的探索研究，制備除了高孔隙率、高強度的多孔陶瓷，為了進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)溫度達到1200℃時，堇青石相開始出現(xiàn)，隨著燒結(jié)溫度和保溫時間的增加，堇青石的含量逐漸增加，當溫度達到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，即毛細管漿料法。先利用純度較高的石英砂為原料，

10、探索毛細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，多孔陶瓷的顯氣孔率為55.82%，而抗壓強度為僅為0.83 MPa，而添加（5%CaO+3%Al2O3+2%MgO）混合料為助燒劑，在1370℃時，多孔陶瓷的顯氣孔率和抗壓強度分別達

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)于細煤矸石，以混合料為助燒劑、1250℃燒結(jié)的樣品，其抗壓強度和顯氣孔率分別為20.71MPa和34.97%，而添加細煤矸石的樣品，抗壓強