鎂還原渣泡沫玻璃的制備及性能

張耀斌，李明照，毛嘉，楊卓曉，吳翔

（太原理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024）

鎂還原渣泡沫玻璃的制備及性能

張耀斌，李明照，毛嘉，楊卓曉，吳翔

（太原理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024）

以鎂還原渣、玻璃粉為主要原料，（NaPO3）6為助熔劑，Na2B4O7·10H2O為穩(wěn)泡劑，CaCO3為發(fā)泡劑，采用燒結(jié)法制備鎂還原渣泡沫玻璃，研究了鎂還原渣摻量對(duì)泡沫玻璃的物相組成、密度、氣孔率、力學(xué)性能等的影響，結(jié)果表明：鎂還原渣制備的泡沫玻璃，主要晶相為CaSiO3，還有少量Ca2SiO4。當(dāng)鎂還原渣摻量為35%，在1000℃下燒結(jié)30 min時(shí)，制得的鎂還原渣泡沫玻璃性能較好，氣孔分布均勻，表觀密度682 kg/m3，孔隙率59.78%，吸水率0.66%，抗壓強(qiáng)度10.23 MPa。

鎂還原渣；制備；泡沫玻璃

0 引言

我國現(xiàn)已是最大的原鎂生產(chǎn)國，2014年產(chǎn)量約87萬t，每生產(chǎn)1t原鎂大約排出6～8t鎂還原渣[1-4]。鎂還原渣易粉化，水化溶液顯堿性，嚴(yán)重污染環(huán)境，目前，絕大多數(shù)被堆積或者直接掩埋，只有小部分被回收利用，如何將鎂還原渣資源化、變廢為寶是亟待解決的問題。

泡沫玻璃以其輕質(zhì)、耐腐蝕、低導(dǎo)熱系數(shù)等性能，已被廣泛應(yīng)用于建筑、化學(xué)和國防領(lǐng)域[5-7]。Bernardo E等[8]和Mear F等[9]以廢陰極射線管顯示器（CRT）為主要原材料燒結(jié)制成泡沫玻璃，為廢陰極射線管的再利用開辟了新途徑。陳波等[10]和陳興軍等[11]以粉煤灰燒結(jié)制成泡沫玻璃，得到的粉煤灰泡沫玻璃密度小、孔隙率高。王海波等[12]以含鈦高爐渣燒結(jié)制成了泡沫玻璃，并對(duì)發(fā)泡劑在泡沫玻璃的燒結(jié)過程中的作用做了進(jìn)一步探究。鎂還原渣中含有的SiO2、CaO為制備泡沫玻璃所需成分，但是，以鎂還原渣制備泡沫玻璃的研究少見報(bào)道。本文以鎂還原渣為原料制備泡沫玻璃，并研究泡沫玻璃的物相組成、表觀密度、孔隙率、吸水率、抗壓強(qiáng)度等，為鎂還原渣制備泡沫玻璃提供理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

本實(shí)驗(yàn)所用鎂還原渣來自山西某鎂廠，主要化學(xué)成分見表1；廢玻璃粉，200目；助熔劑為（NaPO3）6，發(fā)泡劑為CaCO3，穩(wěn)泡劑為Na2B4O7·10H2O。

表1 鎂還原渣的化學(xué)成分 %

1.2 試驗(yàn)方法

將鎂還原渣球磨至200目，然后與玻璃粉、發(fā)泡劑CaCO3、助熔劑Na2B4O7·10H2O、穩(wěn)泡劑（NaPO3）6等一起放入球磨罐中研磨30 min，再將坩堝放入馬弗爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)過程以5℃/min的升溫速率升溫至預(yù)設(shè)溫度，保溫一定時(shí)間后隨爐冷卻至室溫，脫模即得到鎂還原渣泡沫玻璃試樣，切割成所需尺寸進(jìn)行性能測試。

1.3 分析方法

采用X-射線衍射儀分析樣品物相組成；用PT-1036PC萬能材料試驗(yàn)機(jī)測試泡沫玻璃的抗壓強(qiáng)度；用排水法測試試樣的表觀密度。按式（1）計(jì)算樣品的孔隙率[9]：

式中：ρ1——表觀密度，kg/m3；

ρ2——粉末堆積密度，kg/m3。

根據(jù)式（2）計(jì)算樣品吸水率：

式中：m1——燒結(jié)后樣品的質(zhì)量，g；

m2——樣品在水中浸泡24 h后的質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交試驗(yàn)

固定發(fā)泡劑、助熔劑、穩(wěn)泡劑的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)（依次為3%、3%、4%）不變，選擇燒結(jié)溫度（A）、燒結(jié)時(shí)間（B）、鎂還原渣摻量（C）為3個(gè)因素，每個(gè)因素選取3個(gè)水平，按L9（33）進(jìn)行正交試驗(yàn)。根據(jù)正交試驗(yàn)進(jìn)一步調(diào)整原輔料的摻量。試驗(yàn)分5組進(jìn)行，每組工藝參數(shù)相同，各種原輔料的摻量見表2。正交試驗(yàn)因素水平見表3，試驗(yàn)設(shè)計(jì)及測試結(jié)果見表4。

表2 原輔材料的摻量 %

表3 正交試驗(yàn)因素水平

表4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

由表4可知，鎂還原渣摻量為影響泡沫玻璃試樣表觀密度的主要因素，綜合考慮：選擇燒結(jié)溫度為1000℃，燒結(jié)時(shí)間為30 min。

2.2 鎂還原渣泡沫玻璃的XRD分析

不同鎂還原渣摻量泡沫玻璃的XRD圖譜如圖1所示。

圖1 不同鎂還原渣摻量泡沫玻璃的XRD圖譜

從圖1可以看出，不同鎂還原渣摻量的泡沫玻璃均顯示出明顯的CaSiO3晶相的衍射峰，說明泡沫玻璃在燒結(jié)的過程中出現(xiàn)析晶，CaSiO3由混合粉體中SiO2和CaO反應(yīng)生成，這些晶體相均勻分布于材料中，提高了泡沫玻璃的抗壓強(qiáng)度。另外圖譜中還有一些Ca2SiO4晶相衍射峰，因其量少而強(qiáng)度不高，是由鎂還原渣中殘留的Ca2SiO4造成的。當(dāng)鎂還原渣的摻量為30%時(shí)，2θ角在25°～35°時(shí)顯示出“饅頭峰”特征，表明存在玻璃相。隨著鎂還原渣摻量的增加，玻璃相逐漸消失。

2.3 鎂還原渣泡沫玻璃的形貌分析

不同鎂還原渣摻量泡沫玻璃的斷面形貌如圖2所示。

圖2 不同鎂還原渣摻量泡沫玻璃的斷面形貌

從圖2可以看出，不同摻量鎂還原渣制備的泡沫玻璃斷面形貌不同，均形成了大小不同的氣孔。當(dāng)鎂還原渣摻量為35%時(shí)氣孔比較均勻，經(jīng)測量孔徑為0.5～2.0 mm。氣孔的形成主要是燒結(jié)過程中溫度逐漸升高，發(fā)泡劑CaCO3釋放的CO2被軟化的粉體包覆。當(dāng)鎂還原渣摻量低時(shí)，由于氣孔的形成與熔融體的黏度有很大關(guān)系[8]，熔融鎂還原渣的黏度較小，對(duì)氣體的包覆作用較小，導(dǎo)致氣孔容易長大，一些相鄰的氣孔也易合并成較大的氣孔。而當(dāng)鎂還原渣含量偏高，相同燒結(jié)溫度下，一部分鎂還原渣無法完全融入軟化的粉體中，導(dǎo)致熔融體燒結(jié)程度降低，使得燒結(jié)樣品中出現(xiàn)裂縫。

2.4 鎂還原渣泡沫玻璃的性能

不同鎂還原渣摻量泡沫玻璃的性能見表5。

表5 不同鎂還原渣摻量泡沫玻璃的性能

從表5可看出，樣品的表觀密度隨鎂還原渣摻量增加而增大，這是因?yàn)殒V還原渣粉體的密度大于廢玻璃粉。隨著鎂還原渣摻量的增加，孔徑由大變小，孔隙率也逐漸降低。泡沫玻璃的吸水率主要受樣品中開口孔的影響[10]，樣品中開口孔的數(shù)量隨著燒結(jié)程度的降低而增大，因而樣品的吸水率隨著鎂還原渣摻量的增加而逐漸增大。

當(dāng)鎂還原渣摻量為25%時(shí)，表觀密度較小，孔隙率高，吸水率低，是制備泡沫玻璃希望得到的性能。但由于鎂還原渣摻量較低，氣孔大且不規(guī)則，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度低，限制了實(shí)際工程應(yīng)用。當(dāng)鎂還原渣摻量為35%，由于相對(duì)致密的結(jié)構(gòu)和相對(duì)均勻的孔分布和孔徑大小，抗壓強(qiáng)度明顯提高。而當(dāng)鎂還原渣摻量達(dá)到45%時(shí)，泡沫玻璃的燒結(jié)度降低，甚至無法燒結(jié)成為致密塊體，因而其抗壓強(qiáng)度也迅速降低。

綜合考慮，鎂還原渣摻量為35%時(shí)可制備性能較好的泡沫玻璃，此時(shí)其吸水率為0.66%，表觀密度682 kg/m3，孔隙率59.78%，抗壓強(qiáng)度10.23MPa，能滿足泡沫玻璃工業(yè)應(yīng)用要求。

3 結(jié)論

（1）摻鎂還原渣制備的泡沫玻璃，主要晶相為CaSiO3，還有少量Ca2SiO4。

（2）鎂還原渣摻量為35%時(shí)，制備的泡沫玻璃吸水率為0.66%，表觀密度682 kg/m3，孔隙率59.78%，抗壓強(qiáng)度10.23MPa，能滿足泡沫玻璃工業(yè)應(yīng)用的要求。

（3）鎂還原渣用于制備泡沫玻璃，不僅可以有效控制鎂還原渣的排放，達(dá)到化害為利、變廢為寶的目的，而且也為鎂還原渣的綜合利用開辟新途徑。

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Preparation and properties of magnesium reducing slag foam glass

ZHANG Yaobin，LI Mingzhao，MAO Jia，YANG Zhuoxiao，WU Xiang
（College of Materials Science and Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China）

Magnesium reducing slag foam glass was prepared by using magnesium reducing slag as raw materials，CaCO3，（NaPO3）6and Na2B4O7·10H2O as foaming agent，flux agent and foaming stabilizer respectively under sintering process.The influence of the amount of magnesium reducing slag on the phase composition，density，porosity and mechanical property of the foam glasses has been investigated，results illustrated that the main crystal phase of foam glass prepared by magnesium reducing slag is CaSiO3and little Ca2SiO4.When the content of magnesium reducing slag achieved 35%and sintering 30 min under 1000℃，foam glass exhibits optimal comprehensive properties and pore distributes medium（bulk density 682 kg/m3，porosity 59.78%，water absorption 0.66%and compressive strength 10.23 MPa）.

magnesium reducing slag，preparation，foam glass

TU55+1.33

A

1001-702X（2016）08-0022-05

山西省國際科技合作項(xiàng)目（2014081001-2）

2016-01-27

張耀斌，男，1991年生，碩士研究生。