添加劑對鋰尾礦制備泡沫玻璃陶瓷的作用研究

本研究以鋰尾礦為主要原料,選取碎玻璃、氟硅酸鈉、芒硝、硼砂為助熔劑,SiC為發泡劑,采用高溫熔融發泡法在850~975℃制備了氣孔分布均勻、孔徑大小合適的泡沫玻璃陶瓷材料,鋰尾渣的用量可達63%~70%。研究發現添加劑用量、燒結溫度和保溫時間對試樣發泡有較大的影響。利用70%鋰尾礦制備發泡陶瓷材料,可在燒結溫度為975℃、保溫時間為10min制備出容重為0.68g/cm
3,抗壓強度為4.14MPa,導熱系數為0./(m·K)的泡沫陶瓷材料。

我國鋰輝石礦儲備豐富,伴隨鋰工業的發展,每年鋰礦精選和生產鋰鹽所產生的鋰尾礦高達數百萬噸。相對落后的開采技術和粗放的加工模式造成了資源的浪費和環境污染。鋰尾礦中含有制 備硅酸鹽材料 的SiO2、Al
2O3、MgO、CaO 等化學成分,鋰尾礦磨細后,表面富含活性SiO2。目前,鋰渣再利用的途徑主要有代替粘土燒制水泥熟料,用作混合材生產水泥、代替部分水泥配制混凝土等。但鋰尾礦作為水泥熟料原料,其摻入量最多只能達到20%
[1];作為水泥摻合料雖然比高爐礦渣、磷渣具有一定的優勢,且具有良好的增稠保水效果[2~3],
但也易受地域因素的限制,無法實現大規模的生產利用。此外,鋰渣的堿度系數較低,在自然條件下沒有足夠的水化硬化能力,強度難以激發,在建材中的應用仍主要限于水泥的混合材或混凝土的摻合料,而且摻合量小于15%
[4]。因此,如何擴大鋰渣或鋰尾渣的綜合利用途徑,進一步發揮鋰渣潛在的應用價值,開發綠色環保的功能化建筑材料對促進我國國民經濟的發展、改善環境具有很重要的現實意義。
泡沫玻璃陶瓷是一種整體充滿微孔的材料,具有
優良的隔熱、保溫、隔音性能,且與混凝土、砂漿相容性好,耐高溫,而且不容易燃燒,可用于一些防火要求較高的施工部位
[5~6]。近年來,隨著我國建筑業快速增長和節能環保建筑占比的提高
[7~8],巨大的新增建設量及既有建筑改造為新型泡沫保溫建筑材料的發展提
供了廣闊的市場空間。鋰尾礦具有與粘土相似的化學組成,可以用它取代一部分傳統的陶瓷原料,用于陶瓷生產,同時其中還含有少量氧化鋰,可以提高坯料的機械強度和抗熱震性能。利用鋰尾礦為原料,制備高效節能建筑保溫隔
熱多孔材料,是拓寬其利用領域的有效途徑。筆者利用鋰尾礦為主要原料,添加其它輔料,研究添加劑對屏幕玻璃陶瓷制備過程中發泡效果的影響,開發新型低成本保溫隔熱材料技術。
1 實驗
1.
1 實驗原料與過程

采用四川康定呷基卡鋰輝石浮選尾礦渣為主要原料,選取碎玻璃、氟硅酸鈉、芒硝、硼砂為添加劑,SiC為發泡劑,其中鋰尾礦和碎玻璃的化學組成見表1。通過化學組成確定基礎配方,然后按照實驗配合
料的設計配比加入添加劑(包括助溶劑和發泡劑)。碎玻璃和鋰尾礦經球磨處理后,再與其他原料進行混合,均勻后放入耐火磚模具內鋪平,并置于高溫爐內升溫,采用高溫發泡法制備泡沫陶瓷。
1.
2 性能檢測與表征
樣品脫模后,用磨床將樣品表面磨平,然后用切割機將樣品切成規則的試條,試樣經清洗、干燥后,進行性能測試和形貌觀測分析。試樣的導熱系數采用QTM-500導熱系數測試儀(上海圖新電子科技有限公司)進行測試。物相分析使用 D8型 X 射線衍射儀(德國布魯克 AXS公司)測定。用光學數字顯微鏡(舜宇光學科技(集團)有限公司)對材料進行微觀形貌觀測分析。
2 結果與討論
2.
1 助熔劑對鋰尾礦熔融性能的影響
實驗發現鋰尾礦在1 200℃左右才開始軟化,配合料在1 250℃未見全部熔融,達到其熔融發泡所需的溫度則更高。而發泡玻璃陶瓷 的發泡 溫度 一 般 在800~1 150℃,且常用發泡劑產生氣體的溫度較低,為
此,實驗選用玻璃粉、Na2SiF6、硼砂做助熔劑以降低鋰尾礦熔融溫度,并使物料在高溫下具有合適的粘度,避免發泡劑產生氣體逸出。
2.
1.
1 玻璃粉及其用量對鋰尾礦熔融性能的影響廢玻璃經研碎、過100目細篩后,按照5%,10%,
15%,20%比例摻入到鋰尾礦中,將混合好的物料倒入模具中,在高溫爐中加熱到1 200℃,摻入量的不同廢玻璃后試樣的熔融結果如表2所示。表2 玻璃粉摻量后鋰尾礦的熔融效果玻璃粉摻入量(%)
熔融情況
與未摻入玻璃粉時未有太大變化10原料未熔融,不具有流動性15開始熔融,有較多顆粒未熔物20有未熔顆粒存在,但是數量明顯減少混合料的熔融性能隨玻璃粉的摻入得到有效改善。玻璃粉摻入量大于15%時,混合料中只有部分物
料未熔融。玻璃粉是制備發泡陶瓷常用的助熔劑,可有效降低配合料的熔融溫度、加 速 玻 璃的 熔制 過程。但碎玻璃加入過多,容易引起產品的脆化。為此,玻璃粉的加入量控制在15%~20%,可加入其他助熔劑,改善混合料的熔融性能。
 
2 Na2SiF6 及其用量對鋰尾礦熔融性能的影響采用玻璃粉和 Na2SiF6 復合添加劑,觀察其對鋰尾礦熔融性能的影響。在加入15%的玻璃粉的物料中,再加入 5%、8%、10% 和15% 的 Na2SiF6,混合 均勻后,放入模具中考察物料從室溫到1 200℃的熔融情況。物料的熔融情況見表3。表3 Na2SiF6 摻入后試樣的熔融情況助熔劑組成熔融情況
15%碎玻璃+5%Na2SiF6顆粒幾乎消失,物料沒有流動性
15%碎玻璃+8%Na2SiF6顆粒料消失,稍有流動性,冷卻后呈灰青色
15%碎玻璃+10%Na2SiF6
流動性中等,冷卻后呈灰青色
15%碎玻璃+15%Na2SiF6物料有分層現象,下層幾乎完全熔融,上層酥松青白色,粘度很大從表3可以看出,加入 Na2SiF6 后混合料的熔點明顯降低。氟硅酸鈉可加速玻璃的形成反應,在玻璃中引人0.
5%~1%的氟,可提高玻璃熔制速度15%~16%,從而 降 低 玻 璃 液 粘 度 和 表 面 張 力。實 驗 發 現Na2SiF6 摻入量8%時,物料可呈現出一定的流動性。摻入15%的 Na2SiF6 時,雖然熔融效果明顯改善,但由于 Na2SiF6 中 F的揮發,熔融體上方出現明顯酥松現象。為此,Na2SiF6 添加量不宜太高,可在 Na2SiF6添加量為8%的基礎上,添入其他助熔劑進行調節。
3 硼砂的摻入和用量對鋰尾礦熔融性能的影響表4 硼砂摻入后試樣的熔融情況助熔劑組成熔融情況
15%碎玻+8%Na2SiF6+3%硼砂粘度較大,有分層現象,上層有酥松物質15%碎玻+
8%Na2SiF6+5%硼砂流動性較好,有分層現象,上層有酥松物質
15%碎玻璃+8%Na2SiF6+7%硼砂流動性較好,有分層現象,有酥松物質
15%碎玻璃+8%Na2SiF6+10%硼砂流動性良好,有分層現象,上層有酥松物質在玻璃和陶瓷原料中添加硼砂不僅具有助熔的作用,同時還有助于形成具有高化學耐久性、低熱膨脹和



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