含莫來石廢料添加對陶瓷性能的影響研究

吳 彤，黃春寶，曹曉國

（1. 清遠(yuǎn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與汽車工程學(xué)院，廣東 清遠(yuǎn) 511000；2. 廣東家美陶瓷有限公司，廣東 清遠(yuǎn) 511000；3. 廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，廣東 廣州 510006）

含莫來石廢料添加對陶瓷性能的影響研究

吳 彤1，黃春寶2，曹曉國3

（1. 清遠(yuǎn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與汽車工程學(xué)院，廣東 清遠(yuǎn) 511000；2. 廣東家美陶瓷有限公司，廣東 清遠(yuǎn) 511000；3. 廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，廣東 廣州 510006）

采用分離提純優(yōu)化技術(shù)制備富含莫來石組分的廢料，利用傳統(tǒng)燒結(jié)工藝制備廢料添加量高達(dá)60%的陶瓷燒結(jié)體，研究不同廢料摻雜量對樣品顯微結(jié)構(gòu)、物相組成及力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：莫來石廢料摻雜對物相組成、力學(xué)性能、熱穩(wěn)性及耐化學(xué)腐蝕性均滿足GB/T3810.4-2006相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在摻雜量達(dá)到30%時，樣品的綜合性能最佳，吸水率為5.36%，坯體強(qiáng)度1.53 MPa，燒結(jié)強(qiáng)度高達(dá)62.6 MPa，耐化學(xué)腐蝕性達(dá)到GLA標(biāo)準(zhǔn)。

廢料摻雜；顯微結(jié)構(gòu)；力學(xué)性能；固相反應(yīng)

0 引 言

隨著陶瓷產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，企業(yè)產(chǎn)生廢料急劇增加，在廢料回收利用中，富含一定莫來石晶體結(jié)構(gòu)的廢料研究目前主要集中于蜂窩陶瓷，水泥混凝土粗骨料，多孔陶瓷方面，魏澤民等[1]在環(huán)保透水磚方面也做出一定的研究，但將廢料直接應(yīng)用于建筑陶瓷中的研究不多。

建筑陶瓷廢料經(jīng)過分類收集，處理后，基本可以分為三類：磨邊工藝和刮平工藝廢料；輥道窯燒成過程廢品廢料；拋光工序廢料。其中第一類和第二類廢料經(jīng)過優(yōu)化處理后可以應(yīng)用于陶瓷磚生產(chǎn)中，第三類廢料由于含有較多的樹脂，碳化硅，氯氧鎂粘結(jié)劑，會導(dǎo)致坯體出現(xiàn)開裂等缺陷，故在經(jīng)過碳化提純后主要用于釉面磚底料中。本文將陶瓷廢料作為建筑陶瓷的主要配方組分，研究建筑陶瓷摻雜高達(dá)60%陶瓷廢料的內(nèi)在物理化學(xué)性質(zhì)及顯微結(jié)構(gòu)，并探討化學(xué)組成，微觀結(jié)構(gòu)及物理性能之間相互機(jī)理。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原 料

以仿古磚坯料和陶瓷廢料為初始原料。其中原料均來源于廣東某建筑陶瓷企業(yè)，廢料的化學(xué)組成如表1所示。廢料經(jīng)過優(yōu)化提純處理后，其主要組分是以SiO2，Al2O3為主要組分的礦物原料，堿金屬及堿土金屬中以MgO為主要組分，構(gòu)成莫來石體系。經(jīng)過X射線衍射(XRD)結(jié)果與X衍射標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫《PDF》對比，也驗(yàn)證了廢料的莫來石物相。

1.2 制 備

將廢料經(jīng)過提純化技術(shù)處理后，經(jīng)過造粒，陳腐后得到流動性較好的廢料，摻雜10%，20%，30%，40%，50 %，60%廢料至成熟坯料配方，加入一定的粘結(jié)劑后，經(jīng)過283MPa干壓成型，制得600×600 mm的陶瓷磚坯體。在1170 ℃下進(jìn)行燒結(jié)得到致密性良好的瓷片，利用三點(diǎn)抗折儀對燒結(jié)體進(jìn)行抗折強(qiáng)度測試。

1.3 表 征

用D/MAX-Ultima IV型X射線衍射儀分析物料的相組成。用日本株式會社S-3400N-Ⅱ掃描電鏡分析陶瓷樣品表面的微觀結(jié)構(gòu)。用KZJ-500型電動抗折試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摻雜廢料不同含量坯體破壞強(qiáng)度以及陶瓷燒結(jié)體的抗折強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 莫來石廢料摻雜對微觀結(jié)構(gòu)的影響

圖1為陶瓷坯體與莫來石廢料摻雜30%坯體的SEM照片。從圖中可以看出，在未添加廢料的陶瓷坯體中，孔隙較多，而添加了一定廢料的陶瓷坯體呈現(xiàn)出較好的有序度，在結(jié)構(gòu)中增加了坯體的強(qiáng)化效應(yīng)。顆粒細(xì)化將有助于改善材料塑性變形能力，避免脆性斷裂的發(fā)生，提高坯體的破壞強(qiáng)度。圖2是陶瓷燒結(jié)體與莫來石廢料摻雜30%燒結(jié)體的SEM照片。從圖中可以看出，未摻雜廢料坯體經(jīng)

過燒結(jié)后，陶瓷有明顯的孔洞，致密度較差。摻雜后燒結(jié)體，陶瓷無明顯孔洞，致密度較高，說明隨著摻雜料加入，促進(jìn)了陶瓷樣品的燒結(jié)[2]。這主要是由于MgO的加入，形成復(fù)相，燒結(jié)中形成一致熔融固溶體，晶界移動過程中將大型顆粒，氣體等缺陷推至表面，導(dǎo)致陶瓷體內(nèi)缺陷減少。

圖1 陶瓷坯體與莫來石廢料摻雜30%坯體的SEM照片(a未摻雜廢料，b摻雜廢料)Fig.1 Scanning electron microscope (SEM) photographs of ceramic bodies with and without 30% mullite crystal scrap (a not doped, b doped)

圖2 陶瓷燒結(jié)體與莫來石廢料摻雜30%燒結(jié)體的SEM照片(a未摻雜廢料，b摻雜廢料)Fig.2 Scanning electron microscope (SEM) photographs of the sintered ceramic bodies with and without 30% mullite crystal scrap (a not doped, b doped)

表1 陶瓷廢料成分分析(化學(xué)滴定法)Tab.1 Component analysis of the powder from brick polishing (chemical titration method)

2.2 莫來石廢料摻雜對相組成的影響

圖3是莫來石陶瓷廢料的XRD圖譜，從圖中可以看出，陶瓷廢料主要成分為SiO2， Al2O3， MgO三種化學(xué)組成[3-9]。摻雜陶瓷廢料樣品經(jīng)過燒結(jié)后，達(dá)到較致密狀態(tài)，這主要源于摻雜廢料中所含有的主要組成中，SiO2作為網(wǎng)絡(luò)形成體提供骨架結(jié)構(gòu)，Al2O3作為網(wǎng)絡(luò)中間體具有了網(wǎng)絡(luò)形成體與網(wǎng)絡(luò)變形體的雙重效能，而MgO作為網(wǎng)絡(luò)外體，在陶瓷燒結(jié)方面起到了助熔作用。表1是摻雜廢料經(jīng)過化學(xué)分析方法得出的主要組成列表，從表中可以看出，廢料的主要成分為SiO2，Al2O3，MgO。

2.3 莫來石廢料摻雜對陶瓷力學(xué)等性能的影響

圖4是樣品強(qiáng)度隨摻雜物料用量的變化趨勢。從圖中可以看出，隨著摻雜廢料用量的增加，陶瓷坯體和陶瓷燒結(jié)體的強(qiáng)度發(fā)生了相反方向的變化。即坯體強(qiáng)度隨著廢料摻雜量的增加逐步下降，而樣品燒結(jié)體強(qiáng)度則隨著摻雜量的增加先減小后隨增加。這主要是由于廢料中含有較獨(dú)立礦物成分，坯料在處理過程中出現(xiàn)短暫混料不勻，壓制過程中受力不均等現(xiàn)象導(dǎo)致坯體強(qiáng)度略有下降。而燒結(jié)體強(qiáng)度隨著廢料摻雜量的遞增而增大，主要由于部分助熔礦物成分加入，相對燒結(jié)溫度有所下降，晶界移動加快，氣孔隨晶界移動至燒結(jié)體表面而排出形成體內(nèi)氣孔率較小陶瓷燒結(jié)結(jié)構(gòu)。同時在燒結(jié)過程中，隨著溫度不斷升高，摻雜物料中的化學(xué)成分與坯體發(fā)生固相反應(yīng)，形成一定固溶體[10]，使燒結(jié)后樣品致密度快速增加，故而強(qiáng)度呈現(xiàn)增大趨勢，最高可達(dá)到86.3 MPa。結(jié)合建筑陶瓷輥道窯生產(chǎn)特點(diǎn)，坯體在傳輸過程需具備一定強(qiáng)度，故選擇坯體強(qiáng)度和燒結(jié)體強(qiáng)度居中的配方作為最佳配方，即當(dāng)摻雜量為30%wt，坯體強(qiáng)度1.53 MPa，燒結(jié)體強(qiáng)度62.6 MPa符合生產(chǎn)需求。根據(jù)GB/T 3810.13-2006/ISO 10545-13:1995對樣品進(jìn)行檢測，樣品可以達(dá)到GLA標(biāo)準(zhǔn)，熱穩(wěn)定性滿足GB/T 3810.9-2006/ISO 10545-9:1994標(biāo)準(zhǔn)，樣品吸水率為5.36%。

圖3 莫來石陶瓷廢料的XRD譜Fig.3 X-ray diffraction (XRD) pattern of mullite crystal ceramic waste

圖4 樣品強(qiáng)度隨摻雜物料用量的變化趨勢Fig.4 The change of the sample strength with the content of the admixture

3 結(jié) 論

(1)通過對摻雜廢料分析得出，其主要組分為莫來石，為陶瓷樣品的摻雜使用提供了理論依據(jù)。

(2)莫來石廢料摻雜對陶瓷相組成及結(jié)構(gòu)有影響，摻雜量從0%增加至30%時，坯體有序度提高，燒結(jié)體致密化增大。

(3)莫來石廢料摻雜隨著引入量的增大，坯體強(qiáng)度逐漸下降，而燒結(jié)體強(qiáng)度先小幅下降后逐步增大。當(dāng)摻雜量達(dá)到30%時，綜合性能達(dá)到最優(yōu)，坯體強(qiáng)度1.53 MPa，燒結(jié)強(qiáng)度62.6 MPa，吸水率為5.36%，耐化學(xué)腐蝕性達(dá)到GLA標(biāo)準(zhǔn)。

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The Inf l uence of Mullite Crystal Waste on the Performance of Ceramics

WU Tong1, HUANG Chunbao2, CAO Xiaoguo3
(1. College of Mechanical Engineering, Qingyuan Polytechnic, Qingyuan 511000, Guangdong, China; 2. Guangdong Jiamei Ceramics Co., Ltd., Qingyuan 511000, Guangdong, China; 3. College of Materials and Energy, Guangdong University of Technology, Guagnzhou 510006, Guangdong, China)

Using the separation and purification, the waste material with rich mullite crystal content was prepared. Then the ceramic sintered body with 60% of waste material was fabricated by the traditional sintering process. Effects of different mullite scrap doping amounts on the microstructure, phase composition and mechanical performance were studied. The results show the composition, mechanical properties, thermal stability and chemical corrosion resistance of tha samples doped with mullite crystal waste materials meet the relevant standards of GB/ T3810. 4 - 2006. With 30% doping, the composite performance is the best, at which the water absorption rate is 5.36%, the body strength is 1.53 MPa, the sintering strength is 62.6MPa, and the chemical resistance meets the requirements of GLA.

scrap doping; microstructure; mechanical properties; solid phase reaction

date:2017-03-15. Revised date: 2017-03-18.

TQ174.9

A

1006-2874(2017)04-0024-04

10.13958/j.cnki.ztcg.2017.04.006

2017-03-15。

2017-03-18。

清遠(yuǎn)市產(chǎn)學(xué)研結(jié)合項(xiàng)目(001171720530040)； 清遠(yuǎn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級重點(diǎn)資助項(xiàng)目(ZK14001)。

吳彤，女，講師。

Correspondent author:WU Tong, female, Lecturer.

E-mail:wutong11201120@126.com