利用拋光磚廢渣制備泡沫陶瓷的工藝探索

李良龍 馬夢(mèng)蘭 黎友海 汪成東 陳銀世 饒平根

摘 要：本文通過XRD、SEM、熱分析、光學(xué)熱膨脹儀等測(cè)試手段，分析了拋光磚廢渣的各項(xiàng)理化性能，并通過正交實(shí)驗(yàn)法得到了拋光磚廢渣制備泡沫陶瓷的較優(yōu)工藝配方。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：拋光磚廢渣中的主要發(fā)泡物質(zhì)為拋光磨頭中引入的碳化硅顆粒；采用2 wt%的磨頭廢屑添加量、3℃/min的升溫速率、1170℃的燒成溫度、保溫時(shí)間為20 min的工藝可制得體積密度為0.35 g/cm3的泡沫陶瓷。

關(guān)鍵詞：拋光磚廢渣；泡沫陶瓷；發(fā)泡；體積密度

1 引言

拋光磚在建筑陶瓷產(chǎn)品中占比約50 %，拋光磚在磨削拋光過程中，磨削量可達(dá)0.3～0.5 mm，從而產(chǎn)生大量的拋光磚廢渣。其成分主要是產(chǎn)品表面被磨削的氧化鋁、氧化硅等陶瓷料和拋光磨料中的碳化硅、氯化鎂水泥及有機(jī)樹脂等[1-2]，由于其含有可發(fā)泡物質(zhì)，因此難以大規(guī)?；厥绽糜谔沾纱u的生產(chǎn)中。據(jù)測(cè)試統(tǒng)計(jì)，生產(chǎn)1 m2拋光磚可產(chǎn)生約1.5 kg的拋光廢料，磨頭損失約0.5 kg，因此，每平方米拋光磚將產(chǎn)生2.0 kg左右的廢料，每年國內(nèi)拋光磚生產(chǎn)所產(chǎn)生的廢渣可達(dá)上千萬噸，這些廢料大量堆積會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。

目前國內(nèi)外對(duì)陶瓷拋光廢料的綜合利用主要為：替代部分原材料以用于生產(chǎn)內(nèi)外墻釉面磚、陶瓷仿古磚[3]、多孔陶瓷[4-6]和免燒陶粒[7-9]等。

本文分析了拋光磚廢渣的各項(xiàng)理化性能，并通過正交實(shí)驗(yàn)得到了拋光磚廢渣制備泡沫陶瓷的較優(yōu)工藝配方，以期為有效利用拋光磚廢渣提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和應(yīng)用參考。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1 實(shí)驗(yàn)原料

本實(shí)驗(yàn)采用的拋光磚廢渣由廣東天弼陶瓷有限公司提供，原料粒度小于200目。

2.2 實(shí)驗(yàn)表征方法

本實(shí)驗(yàn)采用荷蘭Panlytical公司Xpert PRO 型X 射線衍射儀檢測(cè)拋光磚廢渣物相組成；采用NETZSCH STA 449C 型綜合熱分析儀測(cè)定拋光磚廢渣TG曲線；采用德國ZEISS公司EVO18 型掃描電子顯微鏡對(duì)拋光磚廢渣形貌進(jìn)行觀察；采用TOMMI型光學(xué)熱膨脹儀對(duì)樣品進(jìn)行可視化觀察；根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3810.3-2006，用煮沸法與體積法共同校準(zhǔn)測(cè)試泡沫陶瓷的體積密度；采用美國Instron 公司5567 型萬能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)定抗壓強(qiáng)度；采用高倍率光學(xué)體視顯微鏡對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行氣孔形貌及均勻性的顯微觀察。

2.3 拋光磚廢渣的主要理化性能

2.3.1 成分分析

本實(shí)驗(yàn)用拋光磚廢渣的化學(xué)組成如表1所示。從表1可知，拋光磚廢渣中所含的MgO含量比坯料偏高，這主要是因?yàn)閽伖獯u廢渣中含有一定量的由于拋光磨頭磨損而引入的氯氧鎂水泥，在其加熱過程中發(fā)生分解反應(yīng)，釋放出水分和HCl氣體，最終產(chǎn)物為MgO。

圖1所示為拋光磚廢渣的XRD圖譜。由圖1分析可知，該物質(zhì)晶相主要由石英相組成，并含有部分的莫來石相，還含有少量的氫氧化鎂和氯化鎂水合物，即氯氧鎂水泥。石英相與莫來石相是拋光瓷質(zhì)磚時(shí)產(chǎn)生的陶瓷磚粉料，而氯氧鎂水泥是在拋光瓷質(zhì)磚時(shí)被拋掉的磨頭屑引入的。

2.3.2 顯微形貌觀察

對(duì)拋光磚廢渣進(jìn)行SEM顯微形貌觀察，如圖2所示。拋光磚廢渣的形貌不規(guī)則，顆粒表面凹凸不平，粒徑較小，大多介于0.2～15 μm之間，表現(xiàn)出典型的瘠性料顯微特性。這是因?yàn)閽伖獯u廢渣主要是由SiC拋光磨頭拋光瓷質(zhì)磚產(chǎn)生的拋光廢屑，因而其形狀不規(guī)則，表面凹凸不平；且磨頭中的SiC粒度較細(xì)，所以拋光產(chǎn)生廢屑粒度較細(xì)。

2.3.3 熱分析

拋光磚廢渣的熱重曲線如圖3所示。由TG曲線可知，室溫到200℃之間的燒失量為0.75%，主要是物理吸附水的揮發(fā)；在200～600℃之間的燒失量為1.29%，主要是結(jié)構(gòu)水的脫附以及氫氧化鎂、氯氧鎂水合物的分解；在600～1200℃之間的燒失量為0.41%，主要是有機(jī)物的燒失和SiC的氧化反應(yīng)。整個(gè)過程燒失重量為2.45%，與表1化學(xué)成分分析結(jié)果基本一致。由此可見，在拋光磚廢渣中有機(jī)物含量比較少，也進(jìn)一步驗(yàn)證了拋光磚廢渣的XRD物相分析結(jié)果：其晶相主要由石英和莫來石組成。

2.3.4 熱膨脹分析

為驗(yàn)證導(dǎo)致拋光磚廢渣發(fā)泡的主要物質(zhì)，將拋光磚廢渣壓制成直徑為2 cm、高為1 cm的圓柱體狀的樣品放入TOMMI光學(xué)熱膨脹儀中，觀察不同溫度下樣品膨脹情況，如圖4所示。實(shí)驗(yàn)測(cè)試條件為：樣品從室溫快速升溫到1200℃，升溫速率保持10℃/min，1200℃時(shí)保溫5 min。同時(shí)繪制該樣品升溫過程中的直徑與高度方向的熱膨脹曲線，如圖5所示，其中曲線1為直徑變化曲線，曲線2為高度變化曲線。

由圖5可知，從室溫升溫到800℃的過程中，樣品體積基本無變化，直徑與高度方向尺寸變化較?。粻t內(nèi)溫度達(dá)到800～1130℃過程中，樣品開始呈現(xiàn)收縮趨勢(shì)，1000℃以上試樣寬度與高度方向尺寸出現(xiàn)明顯收縮，這是因?yàn)榕黧w內(nèi)出現(xiàn)低熔物，顆粒排列逐漸緊密，造成體積收縮；從1130℃左右開始，樣品由收縮轉(zhuǎn)為膨脹趨勢(shì)，并在1200℃保溫過程中，試樣直徑與高度方向尺寸仍繼續(xù)膨脹，這是由坯體內(nèi)反應(yīng)釋放出氣體并在坯體硅酸鹽液相中沖出孔洞造成的體積膨脹。由此可知，樣品發(fā)泡起始溫度約為1130℃。由此得到的泡沫陶瓷發(fā)泡溫度區(qū)間為后期燒成溫度參數(shù)的制定提供較好的參考依據(jù)。

拋光磚廢渣中可能引起發(fā)泡的物質(zhì)有碳化硅、氯氧鎂水合物以及有機(jī)高分子樹脂。其中，氯氧鎂水合物分解產(chǎn)生氣體的溫度在160～600℃之間[10]，而由圖4可知，此溫度區(qū)間樣品尺寸并未發(fā)生顯著改變，故可排除氯氧鎂水合物為泡沫陶瓷發(fā)泡的主要物質(zhì)；有機(jī)樹脂一般在800℃以下就分解完全排出，而由圖4可知，泡沫陶瓷體積開始顯著膨脹的起始溫度已經(jīng)高于1100℃，故也可排除有機(jī)樹脂為泡沫陶瓷發(fā)泡的主要物質(zhì)。因此驗(yàn)證出拋光磚廢渣中的主要發(fā)泡物質(zhì)只有可能為拋光磨頭中引入的碳化硅顆粒。

2.3.5 正交實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

通過前期大量基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)探索，得知利用拋光磚廢渣制備泡沫陶瓷時(shí)，燒成溫度、保溫時(shí)間、升溫速率以及磨頭廢屑的添加量為主要影響因素。為探討得到較優(yōu)因素配方，考察指標(biāo)為泡沫陶瓷的體積密度、孔徑大小以及抗壓強(qiáng)度，故采用正交實(shí)驗(yàn)來優(yōu)化。

3 正交實(shí)驗(yàn)分析

3.1 正交實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)每個(gè)因素設(shè)置3個(gè)水平，暫不考慮交互作用的影響，選用如表2所示正交表L9（34）來安排實(shí)驗(yàn)。其中，A因素代表燒成溫度，B因素代表保溫時(shí)間，C因素代表升溫速率，D因素代表磨頭廢屑添加量。根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)方案與實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

3.2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析如表4所示。通過極差計(jì)算可知：

（1） 體積密度指標(biāo)分析

四個(gè)因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響的主次程度依次為磨頭廢屑添加量（D）、燒成時(shí)升溫速率（C）、保溫時(shí)間（B）和燒成溫度（A）。

以制備低體積密度的泡沫陶瓷為優(yōu)，磨頭廢屑添加量（D）因素選擇水平2或3，升溫速率（C）因素選擇水平2，保溫時(shí)間（B）因素選擇水平2，燒成溫度（A）因素選擇水平1或3，綜合分析并考慮節(jié)能環(huán)保，得到優(yōu)方案為D2C2B2A1。

即采用2 wt%的磨頭廢屑添加量、3℃/min的升溫速率、20 min的保溫時(shí)間和1170℃的燒成溫度可得到體積密度較低的泡沫陶瓷。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，此種工藝參數(shù)條件下制備的泡沫陶瓷體積密度為0.35 g/cm3，符合優(yōu)方案的分析結(jié)論。

（2） 孔徑指標(biāo)分析

四個(gè)因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響的主次程度依次為燒成溫度（A）、磨頭廢屑添加量（D）、升溫速率（C）和保溫時(shí)間（B）。

3.3 抗壓強(qiáng)度指標(biāo)分析

四個(gè)因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響的主次程度依次為升溫速率（C）、保溫時(shí)間（B）、燒成溫度（A）和磨頭廢屑添加量（D）。

以制備高抗壓強(qiáng)度的泡沫陶瓷為優(yōu)，升溫速率（C）選擇水平3，保溫時(shí)間（B）選擇水平1，燒成溫度（A）選擇水平1，磨頭廢屑添加量（D）選擇水平1，得到優(yōu)方案為C3B1A1D1。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，此種工藝參數(shù)條件下制備的泡沫陶瓷抗壓強(qiáng)度為2.7 MPa，基本符合優(yōu)方案的分析結(jié)論。

4 結(jié)論

（1） 通過XRD物相分析及熱分析可知，拋光磚廢渣中晶相主要由石英和莫來石組成；熱膨脹分析表明，以拋光磚廢渣為原料的泡沫陶瓷發(fā)泡起始溫度約為1130℃，因此驗(yàn)證了拋光磨頭中引入的碳化硅為主要發(fā)泡物質(zhì)。

（2） 通過正交實(shí)驗(yàn)探索可知，對(duì)泡沫陶瓷的體積密度影響主次程度依次為磨頭廢屑添加量、燒成時(shí)升溫速率、保溫時(shí)間和燒成溫度。綜合泡沫陶瓷體積密度、抗壓強(qiáng)度、氣孔均勻性等分析，采用2 wt%的磨頭廢屑添加量、3℃/min的升溫速率、20 min的保溫時(shí)間及1170℃的燒成溫度為較優(yōu)配方和燒成制度，可制得體積密度為0.35 g/cm3的泡沫陶瓷。

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