鉬尾礦基發(fā)泡陶瓷墻材的制備及其性能研究

趙威，韓碩，陳明堃

（商洛學院化學工程與現代材料學院/陜西省尾礦資源綜合利用重點實驗室，陜西商洛 726000）

秦嶺和合南北、澤被天下，是我國中央水塔和文化象征。保護秦嶺生態(tài)環(huán)境，對實現中華民族可持續(xù)發(fā)展意義深遠[1-2]。商洛市位于秦嶺東南部，自然成礦地形條件得天獨厚，礦產資源豐富，已探明礦藏60多種，目前全市有大中型礦床40多處，其中釩、鉬、銀、鐵等20余種礦物含量居全省首位[3-5]。但是常年粗放型開采，導致尾礦成災。目前全市累計尾礦堆積量超1.72億噸，每年新增0.2億噸。而商洛市尾礦綜合利用率不足7%[6-7]，導致大量尾礦堆積，易造成水源污染、空氣渾濁、生態(tài)失衡。2020年3月出臺的《防范化解尾礦庫安全風險工作方案》[8-9]指出從2020年起，保證緊缺和戰(zhàn)略性礦產正常建設開發(fā)前提下，原則上全國尾礦庫數量只減不增。商洛部分尾礦庫已經排滿，由于沒有新的尾礦排放地，多家礦企停產。因此將尾礦快速消納、變廢為寶，勢在必行[10-11]。近年來，隨著綠色建筑、循環(huán)利用等要求的提出，采用尾礦為原料制備陶粒[12-13]、透水磚[14-15]、加氣混凝土[16]、發(fā)泡陶瓷[17-18]、微晶玻璃[19-20]等新型建筑材料已成為研究熱點。本文采用商洛市某縣大量堆積的鉬尾礦為原料制備高附加值鉬尾礦基發(fā)泡陶瓷墻體材料，研究原料配方、發(fā)泡劑含量和燒結溫度對鉬尾礦基發(fā)泡陶瓷墻材性能的影響，有望為鉬尾礦綜合利用提供新途徑。

1 材料與方法

1.1 原料

以商洛市某縣鉬尾礦為主要原料，加入鉀鈉石粉、粘土為輔助原料制備發(fā)泡陶瓷墻體材料。三種原料的具體化學組成采用X射線熒光光譜分析儀測定，如表1所示。

表1 鉬尾礦、鉀鈉石粉、粘土的化學組成

1.2 樣品制備

將鉬尾礦、鉀鈉石粉、粘土烘干后分別放入制樣粉碎機中粉碎90 s，過200目篩備用。然后將各粉料和發(fā)泡劑SiC按比例稱量，再按料：球=1：2的比例放入球磨罐中，行星球磨40 min。最后將攪拌均勻的粉末取出，再裝入坩堝，震蕩均勻，放入馬弗爐高溫燒成制得鉬尾礦基發(fā)泡陶瓷墻體材料。具體試驗流程圖見圖1所示。

圖1 鉬尾礦基發(fā)泡陶瓷墻體材料制備流程圖

1.3 發(fā)泡陶瓷墻材的性能表征

根據阿基米德排水法測試發(fā)泡陶瓷試樣的體積密度。采用we-600b型萬能試驗機檢測試樣的抗壓強度，每組重復6次，結果取平均值。根據國標GB/T 30100-2013建筑墻板要求測試發(fā)泡陶瓷的吸水率。采用佳能相機拍攝斷口形貌。

2 結果與討論

2.1 原料配比對發(fā)泡陶瓷墻材性能的影響

根據三種原料（鉬尾礦、鉀鈉石粉和粘土）的化學組成，設計四組不同配方，如表2所示。

表2 原料成分的配方

在表2四組配方中分別加入相同含量的0.4%發(fā)泡劑SiC，以8℃/min的升溫速度從室溫升溫到800℃，保溫60 min，再以3℃/min的升溫速度升溫至1150℃，保溫時間30 min，得到發(fā)泡陶瓷墻材的宏觀形貌如圖2所示。

從圖2中可以看出，配方1和配方2中，鉬尾礦含量為50%和60%時發(fā)泡陶瓷試樣氣孔大小不均勻。鉬尾礦含量為80%時，發(fā)泡陶瓷試樣平均孔徑相對較小，但均勻性較好。當鉬尾礦含量分別為70%時，制備的發(fā)泡陶瓷試樣平均孔徑約0.8 mm，大小適宜且分布均勻。

圖2 不同原料配比燒制的泡沫陶瓷宏觀形貌圖

表3為四組不同配方制備發(fā)泡陶瓷試樣的性能。從表3中可以看出，發(fā)泡陶瓷試樣的體積密度和抗壓強度隨著鉬尾礦含量的增加而增加，吸水率隨著鉬尾礦含量的增加先增加后減小。配方4鉬尾礦含量為80%時制得發(fā)泡陶瓷試樣的體積密度過大，不滿足輕質（體積密度＜0.7 g/cm3）的要求。而配方1鉬尾礦含量為50%時制得發(fā)泡陶瓷試樣的抗壓強度過低，不滿足高強（抗壓強度＞5 MPa）的要求。配方2制備發(fā)泡陶瓷試樣的體積密度略低于配方3，但配方3制備發(fā)泡陶瓷的抗壓強度明顯高于配方2。因此選擇配方3為制備泡沫陶瓷的最優(yōu)配方。

表3 不同原料配比泡沫陶瓷密度、吸水率和抗壓強度

2.2 發(fā)泡劑含量對發(fā)泡陶瓷墻材性能的影響

影響發(fā)泡陶瓷墻材的性能的因素很多，其中發(fā)泡劑含量就是最重要因素之一。本研究選擇0.2%，0.4%，0.6%，0.8%四組不同含量發(fā)泡劑（SiC），基于表3中配方3基礎上研究發(fā)泡劑含量對發(fā)泡陶瓷試樣性能的影響。四組不同含量發(fā)泡劑燒制發(fā)泡陶瓷試樣的宏觀形貌如圖3所示。

圖3 不同含量發(fā)泡劑燒制發(fā)泡陶瓷試樣宏觀形貌

從圖3中可以看出，不同含量發(fā)泡劑制備的發(fā)泡陶瓷試樣孔徑大小不一，隨著發(fā)泡劑含量的增加平均孔徑也增大。0.2%含量發(fā)泡劑制得的發(fā)泡陶瓷如圖4（a），平均孔徑約0.2 mm，氣孔率較低，這是由于發(fā)泡劑含量過少造成的發(fā)泡不充分的原因。而發(fā)泡劑含量為0.6%和0.8%制得的發(fā)泡陶瓷的平均孔徑過大，且氣孔分布不均勻。0.4%發(fā)泡劑制得的發(fā)泡陶瓷氣孔平均孔徑0.8 mm，大小適宜且分布均勻。

表4為不同含量發(fā)泡劑制備發(fā)泡陶瓷性。從表4中可以看出，隨著發(fā)泡劑含量的增加，發(fā)泡陶瓷試樣的體積密度由0.78 g/cm3降到0.43 g/cm3，抗壓強度也隨之減小，吸水率不斷升高。0.2%發(fā)泡劑制得發(fā)泡陶瓷的體積密度較大，不滿足輕質要求。0.6%和0.8%發(fā)泡劑制得發(fā)泡陶瓷的抗壓強度低于5 MPa，不滿足高強要求。0.4%發(fā)泡劑制得發(fā)泡陶瓷的抗壓強度為6.25 MPa，體積密度0.67 g/cm3，孔徑大小適宜且分布均勻。綜合考慮，選擇0.4%發(fā)泡劑為制備該發(fā)泡陶瓷墻材的最佳添加量。

表4 不同含量發(fā)泡劑制備發(fā)泡陶瓷的體積密度、吸水率和抗壓強度

2.3 升溫速率對發(fā)泡陶瓷墻材性能的影響

升溫速率的快慢直接影響泡沫陶瓷的氣孔率和孔徑大小，所以設三種不同升溫速率研究升溫速率對發(fā)泡陶瓷墻材性能的影響。低溫段從室溫升溫到800℃，均采用8℃/min的升溫速率，保溫20 min；然后進入高溫段，分別以1，3，5℃/min的升溫速率升溫到1150℃，保溫30 min制得鉬尾礦基發(fā)泡陶瓷墻體材料試樣，其宏觀形貌如圖4所示。

從圖4中可以看出，隨著升溫速率的提高，燒制的發(fā)泡陶瓷試樣平均孔徑減小，氣孔率降低。1℃/min的升溫速率由于速率過慢，發(fā)泡陶瓷試樣高溫停留時間長，導致發(fā)泡劑產生高溫氣體較多，試樣平均孔徑較大，部分漲破形成連通孔，孔徑分布不均勻。5℃/min的升溫速率由于升溫速率過快，導致發(fā)泡劑未得到充分反應，產生高溫氣體較少，氣孔分布雖均勻，但是平均孔徑過小，不滿足輕質要求。而3℃/min的升溫速率制得的發(fā)泡陶瓷試樣平均孔徑適宜，且氣孔分布均勻。

圖4 不同升溫速率制得發(fā)泡陶瓷試樣宏觀形貌

從表5不同升溫速率制備發(fā)泡陶瓷試樣性能可以看出，隨著升溫速率的增大，發(fā)泡陶瓷試樣的吸水率是逐漸降低的，但密度和抗壓強度是逐漸增大的。這是因為升溫速率越快，發(fā)泡陶瓷試樣在高溫停留時間越短，發(fā)泡劑反應越不充分，導致產生高溫氣體越少。結合圖4宏觀形貌圖綜合分析，選擇3℃/min的升溫速率為制備該發(fā)泡陶瓷墻材的較優(yōu)升溫速率。

表5 不同升溫速率制備發(fā)泡陶瓷試樣的體積密度、吸水率和抗壓強度

2.4 燒結溫度對發(fā)泡陶瓷性能的影響

發(fā)泡陶瓷的孔徑大小、氣孔均勻性跟燒結溫度關系密切。本研究分別設計1130，1140，1150，1160℃四組燒成溫度。研究燒結溫度對發(fā)泡陶瓷墻材性能的影響。

圖5為不同燒結溫度燒制發(fā)泡陶瓷試樣的宏觀形貌圖。從圖5中可以看出，隨著燒結溫度的升高，發(fā)泡陶瓷試樣的平均孔徑逐漸增大。1130℃和1140℃燒制的發(fā)泡陶瓷試樣，平均孔徑相對較小，氣孔率較低，不滿足輕質要求。當燒結溫度升至1160℃時，發(fā)泡陶瓷試樣的平均孔徑約1.8 mm，氣孔率過高，抗壓強度較低。而燒結溫度在1150℃制備的發(fā)泡陶瓷孔徑大小適宜，且分布均勻，相比其他三種燒結溫度，燒結溫度為1150℃時更適合燒制該發(fā)泡陶瓷墻材。

圖5 不同燒結溫度燒制發(fā)泡陶瓷試樣的宏觀形貌

從表6不同燒結溫度燒制發(fā)泡陶瓷試樣測試結果可以看出，隨著最終燒結溫度的升高，發(fā)泡陶瓷的體積密度和抗壓強度逐漸降低，吸水率隨燒結溫度的升高逐漸升高。1130℃和1140℃燒制的發(fā)泡陶瓷試樣，雖然抗壓強度較大，但體積密度也很大，不滿足輕質要求。1160℃燒制的發(fā)泡陶瓷試樣的平均孔徑較大，氣孔率過高，體積密度較低，同時抗壓強度較低，不滿足高強要求。而1150℃時的表面孔徑大小合適且均勻，既滿足輕質要求又滿足高強要求。故選擇1150℃作為該鉬尾礦基發(fā)泡陶瓷墻材的最終燒結溫度。最終制得的發(fā)泡陶瓷的平均孔徑約0.8 mm，抗壓強度為6.25 MPa，體積密度為0.67 g/cm3，吸水率為8.7%，導熱系數為0.13 W/(m·K)的發(fā)泡陶瓷墻體材料。

表6 不同燒結溫度燒制發(fā)泡陶瓷體積密度、吸水率和抗壓強度

3 結論

本文以商洛市某縣鉬尾礦為主要原料，加入鉀鈉石粉、粘土為輔助原料燒制鉬尾礦基發(fā)泡陶瓷墻體材料，其最佳原料配方為鉬尾礦70%、鉀鈉石粉20%、粘土10%。發(fā)泡劑SiC的最佳添加量為0.4%，高溫段最佳升溫速率為3℃/min，最佳燒結溫度為1150℃。在此基礎上制得發(fā)泡陶瓷墻材試樣的抗壓強度為6.25 MPa，體積密度為0.67 g/cm3，吸水率為8.7%，導熱系數為0.13 W/(m·K)。本研究可為商洛鉬尾礦綜合利用提供可行途徑。