粉煤灰質(zhì)紅外輻射衛(wèi)生陶瓷的性能研究

董麗娜，胡克艷，顧幸勇，羅 婷

（景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333403）

粉煤灰質(zhì)紅外輻射衛(wèi)生陶瓷的性能研究

董麗娜，胡克艷，顧幸勇，羅 婷

（景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333403）

粉煤灰是我國(guó)當(dāng)前排量較大的工業(yè)廢渣之一，將其變廢為寶、綜合開發(fā)利用，已成為我國(guó)目前經(jīng)濟(jì)建設(shè)中一項(xiàng)重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策。實(shí)驗(yàn)采用粉煤灰作為主要原料來制備紅外輻射衛(wèi)生陶瓷，主要研究了粉煤灰的含量對(duì)陶瓷的成型和性能的影響。采用SEM、紅外發(fā)射率測(cè)量?jī)x(IR)、INSTRON-1195萬能測(cè)量?jī)x等表征了試樣的各種性能，結(jié)果表明：隨著粉煤灰含量的增加，原料泥漿的可塑性指標(biāo)下降，而燒結(jié)試樣燒結(jié)性能和抗折強(qiáng)度不斷提高，紅外發(fā)射率卻不斷減小，當(dāng)粉煤灰含量為36wt.%(M=2)時(shí)，燒結(jié)試樣具有最優(yōu)化的性能，即氣孔率為3.96%，紅外輻射率為0.877，抗折強(qiáng)度為90.72 MPa。

粉煤灰；紅外輻射衛(wèi)生陶瓷；可塑性；抗折強(qiáng)度；紅外輻射率

0 前 言

粉煤灰，又稱飛灰，是煤炭在燃煤鍋爐中燃燒所殘留的固體廢物，主要來源于燃煤電廠。煤粉在鍋爐內(nèi)燃燒生成灰分，灰分發(fā)生熔融并在表面張力作用下團(tuán)縮成球形，排出爐外時(shí)又受急冷作用，形成富含玻璃體的球狀顆粒。由于粉煤灰各顆粒間的化學(xué)成分并不完全一致，使得在冷卻排出的過程中，形成了不同的物相。其中Si、Al主要賦存在石英、莫來石和鋁硅酸鹽玻璃相中，F(xiàn)e2O3基本上存在于鋁硅酸鹽中，Ca、Mg、B等元素主要分布在外殼玻璃層中[1-3]。以中國(guó)來說，我國(guó)粉煤灰的主要氧化物組成為：SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2等。

粉煤灰是我國(guó)當(dāng)前排量較大的工業(yè)廢渣之一，它的排放量逐年增加，給我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、生態(tài)環(huán)境造成巨大壓力。所以，如何將其變廢為寶、綜合開發(fā)利用，已成為我國(guó)目前經(jīng)濟(jì)建設(shè)中一項(xiàng)重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策。事實(shí)上，我國(guó)目前對(duì)粉煤灰的開發(fā)已經(jīng)起步，在陶瓷行業(yè)得到較為廣泛的應(yīng)用[4,5]。研究采用工業(yè)廢料粉煤灰作為原料制備紅外輻射衛(wèi)生陶瓷，通過實(shí)驗(yàn)工藝的優(yōu)化，最大限度地利用工業(yè)廢料粉煤灰來制備優(yōu)良性能的紅外輻射衛(wèi)生陶瓷。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

以工業(yè)廢料粉煤灰、高嶺土、鉀長(zhǎng)石、石英、黑泥、鎂質(zhì)粘土為實(shí)驗(yàn)原料，各原料的化學(xué)組成如表1所示。

1.2 原料組成設(shè)計(jì)及工藝方法

本實(shí)驗(yàn)采用的實(shí)驗(yàn)原料分為兩類：一類是基礎(chǔ)原料，分別是高嶺土17%，石英15%，鉀長(zhǎng)石14%，占實(shí)驗(yàn)原料總質(zhì)量46%的基礎(chǔ)原料組成保持不變。另一類是變動(dòng)原料，分別是粉煤灰，鎂質(zhì)粘土，黑泥，實(shí)驗(yàn)通過設(shè)計(jì)不同質(zhì)量百分組成的變動(dòng)原料，來達(dá)到工藝的優(yōu)化效果，實(shí)現(xiàn)工業(yè)廢料粉煤灰的最大化的利用。變動(dòng)原料的具體組成設(shè)計(jì)為如表2所示。

按照原料組成設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)原料的濕法球磨破碎工藝按照料∶球∶水=1∶2∶1的比例在行星球磨機(jī)中以300 r/s快速磨0.5 h，球磨后漿料經(jīng)過過篩、注漿成型、干燥、燒成得到燒結(jié)試樣。采用的燒結(jié)工藝為：以5 ℃/min的升溫速率升溫至600 ℃，再以3 ℃/min的升溫速率升溫至1150 ℃并保溫30 min，而后自然冷卻至室溫。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 粉煤灰含量對(duì)原料泥漿性能的影響

實(shí)驗(yàn)分別對(duì)試樣A1-A6原料泥漿的流動(dòng)性和可塑性進(jìn)行了研究。測(cè)試結(jié)果如圖1所示，設(shè)定M=粉煤灰wt.%／(黑泥wt.%+鎂質(zhì)黏土wt.%)，由圖可見，隨著粉煤灰含量M值的提高，實(shí)驗(yàn)原料泥漿的相對(duì)粘度不斷增加，其原因在于粉煤灰遇水后結(jié)合水的能力強(qiáng)，會(huì)使得泥漿的流動(dòng)性降低。但同時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著粉煤灰含量M值的下降，泥漿的可塑性指標(biāo)不斷提高，有利于泥漿的注漿成型。而當(dāng)M＜2后，泥漿可塑性指標(biāo)變化不大，基本維持穩(wěn)定。這是由于隨著粉煤灰含量M值的下降，鎂質(zhì)粘土的含量在增加，可塑性良好的鎂質(zhì)粘土可以提高和穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)原料泥漿的可塑性指標(biāo)。但需注意的是，加入的鎂質(zhì)粘土過量時(shí)，在注漿過程中水份將不易擴(kuò)散，吸漿慢，坯體容易粘模，造成脫模困難，并且由于坯體濕差較大，引起收縮過大，坯體容易發(fā)生開裂和變形，同樣不利于泥漿的注漿成型。綜上研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)粉煤灰含量M=2時(shí)，即粉煤灰含量為36wt.%，泥漿的流動(dòng)性和可塑性適合泥漿的注漿成型。

2.2 粉煤灰含量對(duì)燒結(jié)試樣力學(xué)性能的影響

實(shí)驗(yàn)采用INSTRON-1195萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)量了燒結(jié)試樣的力學(xué)性能，其中測(cè)試樣品的加工要求為：尺寸標(biāo)準(zhǔn)為: 4 mm×36 mm×3 mm, 倒角尺寸為0.1 mm, 表面拋光處理，測(cè)試采用三點(diǎn)彎曲法測(cè)量了燒結(jié)試樣A1-A6的抗折強(qiáng)度。結(jié)果如圖2所示，表明，隨著粉煤灰含量M值的增加，燒結(jié)試樣的抗折強(qiáng)度不斷提高。

表1 實(shí)驗(yàn)所用原料的化學(xué)組成 (wt.%)Tab.1 The chemical composition of raw materials /wt.%

表2 實(shí)驗(yàn)原料組成的設(shè)計(jì)Tab.2 The design of raw material combination

陶瓷材料的力學(xué)性能跟其自身的顯微結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，通過采用SEM測(cè)試技術(shù)分別對(duì)試樣A1(M=0.33)，A3(M=1)，和A6(M=4)的顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。如圖3所示，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，試樣中均發(fā)現(xiàn)了莫來石晶須的存在。并且，隨著粉煤灰含量M值的提高，晶須的長(zhǎng)徑比不斷提高，表明粉煤灰的加入有利于莫來石晶須的完好發(fā)育。粉煤灰促進(jìn)試樣莫來石晶須的發(fā)育，其原因之一是，粉煤灰中的莫來石種晶和少量雜質(zhì)在液相燒結(jié)過程中有利于莫來石晶須的成核和發(fā)育[6]。原因之二為，粉煤灰中的玻璃相，在燒結(jié)過程中能直接參與粘土質(zhì)成分的共熔，減少了莫來石晶核晶界的遷移勢(shì)壘，有利于針狀莫來石晶須的析出。

圖1 粉煤灰含量對(duì)泥漿注漿性能的影響Fig.1 The infuence of fy ash content on the casting properties of slurry

根據(jù)陶瓷材料的斷裂屬性，我們知道在常溫條件下陶瓷材料屬于脆性斷裂，針狀莫來石晶須對(duì)于提高陶瓷材料這種脆性斷裂屬性的力學(xué)性能發(fā)揮著重要的作用[7,8]：(1)在陶瓷試樣斷裂過程中，針狀晶須對(duì)開裂裂紋的發(fā)生具有橋聯(lián)作用，從而抑制裂紋的擴(kuò)展提高陶瓷試樣的斷裂能；(2)針狀晶須對(duì)開裂裂紋的擴(kuò)展具有偏轉(zhuǎn)效應(yīng)：陶瓷試樣中的裂紋在擴(kuò)展過程中遇到針狀晶須時(shí)，由于應(yīng)力場(chǎng)的作用裂紋更易改變擴(kuò)展方向而沿著晶須長(zhǎng)度方向擴(kuò)展，即開裂裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)，裂紋偏轉(zhuǎn)使裂紋擴(kuò)展路徑增長(zhǎng)，消耗了更多的能量，提高了試樣的斷裂強(qiáng)度。故隨著粉煤灰含量M值的提高，燒結(jié)試樣的力學(xué)抗折強(qiáng)度不斷提高。但過量的加入粉煤灰，原料泥漿的可塑性迅速下降，坯體難以成型。

圖2 粉煤灰含量與燒結(jié)試樣抗折強(qiáng)度的關(guān)系曲線Fig.2 The infuence of fy ash content on the fexural strength of sintered samples

圖3 燒結(jié)試樣的顯微形貌(酸蝕): (a)試樣A1; (b)試樣A3; (c)試樣A6Fig.3 Microscopic morphology of sintered samples (Acid etching)∶ (a)sample A1; (b)sample A3; (c)sample A6

2.3 粉煤灰含量對(duì)燒結(jié)試樣紅外輻射率的影響

實(shí)驗(yàn)采用紅外發(fā)射率測(cè)量?jī)x(IR)分別測(cè)量了燒結(jié)試樣A1-A6的紅外輻射率，如圖4所示，結(jié)果表明，隨著粉煤灰含量M值的提高，燒結(jié)試樣的紅外輻射率在不斷下降。陶瓷紅外輻射性能受制于試樣多種因素的影響，比如試樣的組成和晶格缺陷，試樣的顯微結(jié)構(gòu)，試樣的氣孔率，試樣的表面光澤度等等。實(shí)驗(yàn)采用排水法測(cè)試了各燒結(jié)試樣的氣孔率，結(jié)果如圖5所示，顯然隨著粉煤灰含量M值的提高，燒結(jié)試樣的氣孔率迅速下降。這是由于隨著粉煤灰含量M值的提高，燒結(jié)試樣的液相量逐漸增加，坯體的致密度不斷增大，所以燒結(jié)試樣的氣孔率不斷下降，這是導(dǎo)致試樣紅外輻射率下降的原因之一。

同時(shí)，當(dāng)燒結(jié)試樣輻射層的組成和結(jié)構(gòu)一定時(shí)，材料的紅外輻射率還會(huì)受到表面狀態(tài)的影響。這里的表面狀態(tài)主要是指試樣的表面粗糙程度，一般粗糙度越大，紅外輻射率越高。我們知道隨著粉煤灰含量M值的提高，燒結(jié)試樣的液相量增加而促進(jìn)燒結(jié)，使得試樣的表面粗糙度下降，是導(dǎo)致試樣紅外輻射率下降的原因之二。雖然粉煤灰的摻入對(duì)生產(chǎn)高紅外輻射衛(wèi)生陶瓷是一個(gè)不利的影響因素，但是粉煤灰的加入沒有從根本上改變陶瓷的高紅外輻射性能，當(dāng)M=2時(shí)，燒結(jié)陶瓷的紅外輻射率依然達(dá)到0.877。

圖4 粉煤灰含量對(duì)燒結(jié)試樣紅外發(fā)射性能影響Fig. 4 The infuence of fy ash content on the infrared emission performance of sintered samples

圖5 粉煤灰含量對(duì)試樣燒結(jié)性能影響Fig.5 The infuence of fy ash content on the sintering performance of sintered samples

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

(1)粉煤灰質(zhì)紅外輻射衛(wèi)生陶瓷的泥漿性能，隨著粉煤灰含量的逐漸提高，泥漿的粘度增加，可塑性不斷下降，當(dāng)粉煤灰含量M=2時(shí)，即粉煤灰含量為36wt.%，泥漿的流動(dòng)性和可塑性均適合泥漿的注漿成型，為粉煤灰最大限度的加入量。

(2)經(jīng)過1150 ℃溫度并保溫30 min的燒結(jié)工藝得到的燒結(jié)試樣，隨著粉煤灰含量的提高，試樣的燒結(jié)性能和力學(xué)抗折強(qiáng)度不斷提高，但試樣的紅外輻射率不斷下降。粉煤灰含量M=2時(shí)，燒結(jié)試樣的氣孔率、抗折強(qiáng)度和紅外輻射率分別為：3.96%、90.72 MPa和0.877，為實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)化性能。

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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。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(編號(hào)：51062007、51262014)。

顧幸勇(1960-)，男，教授。

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

E-mail:guxing-y@163.com