利用煤礦廢棄物頁巖制備泡沫隔熱陶瓷研究

黃潔寧，胡明玉，彭金生

（南昌大學建筑工程學院，江西 南昌 330031）

利用煤礦廢棄物頁巖制備泡沫隔熱陶瓷研究

黃潔寧，胡明玉，彭金生

（南昌大學建筑工程學院，江西 南昌 330031）

以煤礦廢棄物頁巖為主要原料、拋光渣為主要成孔劑、滑石作為助熔劑，干壓成型后在一定溫度下焙燒成泡沫隔熱陶瓷。研究了不同原料組成、燒成制度等對泡沫陶瓷樣品的表觀密度、孔隙率、吸水率等的影響。在優化的條件下，即燒成溫度為1250 ℃、滑石含量為10%、拋光渣含量為25%時，可制備出表觀密度為0.80～0.90 g/cm3、孔隙率＞50%、吸水率＜2%的具有均勻分布閉氣孔的泡沫隔熱陶瓷，可作為一種新型綠色節能建筑材料。

煤礦廢棄物頁巖；隔熱；泡沫陶瓷

0 引 言

煤炭開采產生大量煤矸石、煤炭伴生頁巖等固體廢棄物，一般采用堆積或填埋等方法處理，這不僅侵占土地、污染環境，還造成巨大的安全隱患，且浪費了頁巖資源[1]。因此，對煤礦廢棄物的資源化利用是節能減排和礦區污染防治的緊迫工作。頁巖是由黏土物質經壓力、脫水、重結晶等作用，沉積形成的薄片狀層理沉積巖，用硬物擊打易裂成碎片，其主要礦物組成為高嶺石、石英、長石等[2]，具有利用的價值。

以采煤廢棄物頁巖、拋光渣為主要原料制備泡沫隔熱陶瓷，制備的材料含有大量封閉氣孔，其表觀密度小、吸水率低、導熱系數低的性能適合用作外墻及屋面的保溫隔熱材料[3,4]。此外，與傳統的有機保溫材料相比，該無機泡沫隔熱材料還具有耐腐蝕、穩定性好、不燃、不污染周圍環境等優點。利用煤礦廢棄物頁巖制備泡沫隔熱陶瓷可以達到資源高效利用、節能環保和降低成本等目的，具有巨大的社會和經濟效益。

1 實 驗

1.1 原材料

采用江西豐城曲江煤礦的煤礦廢棄物頁巖為主要原料，以滑石為助熔劑，加入江西高安陶瓷廠的玻化磚拋光渣作為成孔劑。其原料化學成分列于表1中。

圖1為頁巖的X射線衍射分析圖譜，由圖1可知，其主要礦物組成是石英。對拋光渣進行不同溫度下的燒失量分析，結果見表2。

表1 原材料主要化學成分 (wt.%)Tab.1 The chemical compositions of raw materials (wt.%)

圖1 頁巖X射線衍射圖Fig.1 X-ray diffraction diagram of shale

表2 拋光渣燒失量分析Tab.2 Ignition loss of polishing slag

拋光渣是制造拋光陶瓷玻化磚產品時產生的廢渣，是在拋光和切削的過程中產生的制品碎屑和磨頭碎屑，主要成分與玻化磚類似；在拋光廢水的處理中會引入絮凝劑來加快廢顆粒的沉淀，經壓濾后形成拋光渣。因此，拋光渣中還含有SiC、磨頭水泥粘結劑和有機物等[5]。從表2中可以看出，溫度為950 ℃時燒失量為3.08%，溫度升至1230 ℃時，燒失量逐漸減小。這是因為拋光渣中的磨頭水泥粘結劑和有機物會在950 ℃左右揮發，而溫度升高后其中的SiC與O2反應產生SiO2和CO2，是一個固相質量增加的過程[6]，故1230 ℃時的燒失量降低為1.99%。

1.2 實驗安排與測試

本試驗考慮到燒成溫度、滑石含量和拋光渣含量三者對泡沫隔熱陶瓷材料基本性能的影響，設計了三因素、三水平的正交試驗。因素和水平見表3，正交試驗設計見表4。

在實驗過程中，按各組不同的配比依次進行稱料，將原料、球磨石、水按1∶1∶1.05的比例進行球磨，時間為1 h。烘干、造粒后，得到含水率約為1%的粉料，將其在FW-4A粉末壓片機中以2 MPa的壓力成型，制成φ60 mm×10 mm的圓柱體壓片。

表3 因素水平表Tab.3 The factors and their levels

將壓片放入烘干箱中干燥，再將其放入箱式電爐中，按圖2所示的燒成曲線進行燒制。待達到燒成溫度后，經自然冷卻可得到泡沫陶瓷制品。

采用阿基米德排水法測定泡沫陶瓷制品的表觀密度、孔隙率；以《GB3299-82日用陶瓷吸水率測定方法》為標準測定制品的吸水率。

2 結果與討論

2.1 正交試驗的極差分析

圖2 樣品燒成曲線Fig.2 Sintering curves of specimens

對燒成泡沫隔熱陶瓷試樣的表觀密度、孔隙率和吸水率進行測定，試驗結果見表4。

對正交試驗結果進行極差分析，計算結果見表5，并畫出趨勢圖，見圖3-圖5。

從表5中可以看出，不同因素對于泡沫隔熱陶瓷材料各指標的影響不同。從表觀密度這個指標來看，影響因素按主次順序為A＞B＞C，即燒成溫度＞滑石含量＞拋光渣含量。隨燒成溫度的升高，滑石、拋光渣的含量增多，材料表觀密度有降低的趨勢(見圖3)。為獲得表觀密度最低的材料，最佳方案應該是A3B3C3。

從孔隙率指標來看，影響因素按主次順序為A＞B＞C，即燒成溫度＞滑石含量＞拋光渣含量。燒成溫度升高、拋光渣含量增大，材料有孔隙率增大的趨勢；滑石含量為10%時，材料的孔隙率最大，滑石含量低于10%時，隨滑石含量降低孔隙率也降低，而滑石含量高于10%時，隨滑石含量增大孔隙率降低(見圖4)。為獲得孔隙率最大的材料，最佳方案應為A3B2C3。

表4 正交試驗設計及結果Tab.4 Design of orthogonal test and the test results

表5 正交試驗的極差分析Tab.5 The range analysis of the orthogonal test

圖4 因素與孔隙率指標的關系圖Fig.4 The relation of the factors and porosity

圖5 因素與吸水率指標的關系圖Fig.5 The relation of the factors and water absorption

對于材料的吸水率指標，影響因素按主次順序為A＞C＞B，即燒成溫度＞拋光渣含量＞滑石含量。燒成溫度升高，材料吸水率有增大的趨勢；滑石含量為10%時，材料吸水率最大，滑石含量小于10%或大于10%時，吸水率有減小的趨勢，但總體上差別不大；而隨拋光渣含量增大，材料吸水率有增大的趨勢(見圖5)。吸水率小，對材料的保溫隔熱有利，因此，A1B3C1為最佳方案。

2.2 各因素對材料性能影響的機理分析

(1)燒成溫度對材料性能的影響

頁巖的主要成分為SiO2，熔點較高，溫度低于1250 ℃時難以熔融。燒成溫度升高，頁巖的熔融狀態會更加理想，形成更多的液相以包裹成孔劑形成的氣孔。因此在燒成溫度較高的條件下，制備的陶瓷樣品表觀密度低、孔隙率大。從表5可以看出，燒成溫度較高時材料的吸水率也較大。這是因為制品在高溫環境下熔融物粘性降低，成孔劑產生的一部分氣體沖破液相物質，有逸出的可能性，閉氣孔脹大貫通、吸水率增大。

取相同的原料及配比進行燒制，圖6為不同的燒成溫度下材料內部氣孔的結構。從圖6(a)可以看出，燒成溫度為1250 ℃時材料形成了均勻分布的小氣孔；從圖6b可見，材料在1270 ℃的溫度下形成的氣孔較大。因此，燒成溫度并非越高越好，溫度過高會有過燒現象，對材料強度和保溫隔熱性產生不利的影響。

圖6 不同燒成溫度下材料內部的孔結構Fig.6 The pore structure of the material sintered at different temperatures

(2)滑石含量對材料性能的影響

要降低泡沫隔熱陶瓷的燒成溫度，必須降低原料的熔點。將滑石作為助熔劑摻入到原料中，其所含的MgO可以降低材料燒成溫度、擴大燒成范圍[7]，令頁巖能夠在較低溫度下熔融，并形成具有一定粘度和流動性的液相。從圖3中可以看出，隨著滑石含量增加，材料的表觀密度有降低的趨勢。滑石含量大則液相物質多，封閉的氣體也較多。從圖4中可以看出，滑石含量為10%時，材料的孔隙率最大，而在滑石含量更少或更多時，孔隙率均有減小的趨勢；含量過少，高溫粘度大、流動性不夠，成孔劑產生的氣體不易被包裹；含量過多，液相物質的流動性大，則成孔劑分解的氣體容易逸出，使孔隙率降低。

(3)拋光渣含量對材料性能的影響

研究表明，拋光渣中有機物的氧化和磨頭水泥粘結劑的分解對燒成發泡有一定的影響，但不是廢料中的主要發泡物質。拋光渣中的SiC在高溫下(1200 ℃左右)與O2反應產生的CO2或CO[8]，才是其發泡的主要原因：

因此，拋光渣含量越多，則原料中作為成孔劑的SiC也越多，產生的氣體量隨之加大，使得燒結體的孔隙率增大、表觀密度降低。在拋光渣含量為5%時，材料的吸水率最小(見圖5)，這是因為此時SiC的含量過低，制品內部未能形成一定的氣孔，材料較致密所導致的。若拋光渣含量過多，則其產生的氣體易在材料內部堆積，形成較大氣泡或連通的孔隙，對材料的性能有負面影響。

經過上述試驗和分析可知，不同因素對于泡沫隔熱陶瓷材料的性能有不同程度的影響，最佳方案的選擇不能只考慮一個方面。燒成溫度較低時，材料孔隙率低、吸水率低、表觀密度大；燒成溫度較高時，則材料氣孔貫通、吸水率大、表觀密度小，要根據材料的性能的選擇適合的溫度。滑石主要起助熔劑的作用，其對材料吸水率的影響不大，含量＞10%時材料的孔隙率大、表觀密度小。拋光渣作為成孔劑，含量低材料的吸水率低，但材料較致密、表觀密度大、孔隙率低，因此宜選擇較大含量的拋光渣摻入原料中。綜合考慮材料的性能，最終選擇A2B2C3作為最佳方案，即燒成溫度為1250 ℃、滑石含量為10%、拋光渣含量為25%，此時制品的表觀密度小、閉口孔隙率高、吸水率低，保溫隔熱性能良好。

3 結 論

(1)利用煤礦廢棄物頁巖作主要原料，摻入拋光渣作為成孔劑，可以制備出具有保溫隔熱性能的閉孔泡沫陶瓷材料。不僅解決了工業廢料的處理問題，還可利用簡單的生產工藝，制備出新型的綠色建筑節能材料，具有優越的經濟效益和環保效果。

(2)滑石的主要作用為助熔劑，拋光渣起著成孔作用。在滑石和拋光渣用量一定的情況下，影響泡沫隔熱陶瓷性能的因素主要為燒成溫度。在燒成溫度為1250 ℃、滑石含量為10%、拋光渣含量為25%時，燒結的制品性能較優。

(3)采用最佳方案所制備的泡沫隔熱陶瓷樣品質輕且閉氣孔分布均勻，其表觀密度為0.80～0.90 g/cm3、孔隙率＞50%、吸水率＜2%。

[1] 王彥峰. 論煤矸石綜合利用現狀[J]. 北方環境, 2011, 11: 52.WANG Yanfeng. Northern Environmental, 2011, 11: 52.

[3] 劉 彬, 劉 輝, 張春燕. 發泡陶瓷保溫板在屋面工程中的應用[J]. 中外建筑, 2012, 11: 102-104.

LIU Bin, et al. Chinese and Overseas Architecture, 2012, 11: 102-104.

[4] 吳志敏, 許錦峰, 張海遐, 等. 發泡陶瓷保溫板保溫系統及防火隔離帶建筑應用研究[J]. 新型建筑材料, 2010, 10: 1-5.

WU Zhimin, et al. New Building Materials, 2010, 10: 1-5.

[5] 繆松蘭, 馬光華, 李清濤, 等. 建筑陶瓷拋光廢渣制備輕質陶瓷材料的研究[J]. 陶瓷學報, 2005, 02: 71-79.

LIAO Songlan, et al. Journal of Ceramics, 2005, 02: 71-79.

[6] 黃惠寧, 柯善軍, 張國濤, 等. 拋光廢渣在陶瓷磚中的應用及現狀[J]. 佛山陶瓷, 2012, 07: 1-9.

HUANG Huining, et al. Foshan Ceramics, 2012, 07: 1-9.

[7] 謝遠紅. 助熔劑對氧化鋁陶瓷結構及性能影響的研究[J]. 陶瓷學報, 2007, 03: 177-180.

XIE Yuanhong. Journal of Ceramics, 2007, 03: 177-180.

[8] 奚修安. 拋光磚廢料的燒成發泡機理及應用研究[D]. 廣州:華南理工大學, 2011.

Recycling Waste Coal Shale for Foam Insulation Ceramics

HUANG Jiening, HU Mingyu , PENG Jinsheng
(College of Architectural Engineering, Nanchang University, Nanchang 330031, Jiangxi, China)

Foam insulation ceramics were prepared by means of dry pressing and sintering at a certain temperature, using waste coal shale as the main material, polishing slag as the main pore-forming agent and talc as the fux. The infuence of different material composition and sintering schedule on their apparent density, porosity rate and water absorption were studied. Under optimized conditions, i.e. sintered at 1250 ℃,with 10% talc, and 25% polishing slag, the specimens’ apparent densities were 0.80 ～ 0.90 g/cm3, their porosities were over 50% and their water absorptions were less than 2%, which could be a new kind of green energy-saving building material with closed pores of uniform distribution.

waste coal shale; heat insulation; foam ceramics

TQ174.75

A

1000-2278(2014)02-0168-05

2014-01-10

2014-01-20

國家自然科學基金項目(編號：51362021)；江西省2012年度研究生創新專項資金項目。

胡明玉(1958-)，女，博士，教授。

Received date:2014-01-10. Revised date: 2014--01-20

Correspondent author:HU Mingyu(1958-), female, Ph. D., Professor.

E-mail: humingyude@163.com