一种微晶发泡陶瓷及其制备方法与应用

本发明涉及建筑材料技术领域，具体涉及一种微晶发泡陶瓷及其制备方法与应用。

背景技术：

20世纪80年代以来，我国发泡陶瓷保温材料的开发应用经历了两个阶段：第一个阶段是利用特定原料进行小规模生产，其产品应用于特定的耐火隔热、防火防腐等领域；第二个阶段是利用多种矿山尾矿和工业废渣为主要原料大规模生产，其产品在建筑节能领域得到应用。目前，在普通发泡陶瓷材料基础上已研发出了新一代产品微晶发泡陶瓷，其性能较普通发泡陶瓷有了进一步的提高，具体表现为：同等密度的制品其导热系数更低、吸水率更低、强度更高，在建筑节能领域的应用更具有适用性和优越性。微晶发泡陶瓷在近年来作为新型绿色建筑材料受到广泛关注，是目前世界范围内“建筑保温材料告别有机化、实现无机化”的研究重点。

尾矿作为大宗固废中数量大，利用率低的二次资源，是亟待解决的资源化利用难题。固废的高附加值利用是长期可持续解决固废利用的途径之一。已经公开了利用尾矿制备发泡陶瓷的相关技术，如何改善其工艺和制备方法，并且利用尾矿进一步制备功能性的微晶发泡陶瓷，以提高其附加值，并且提其高强度和功能性，降低烧结温度，是本领域亟需解决的技术难题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种微晶发泡陶瓷及其制备方法与应用，该微晶发泡陶瓷包括发泡陶瓷料和玻璃料，通过加入玻璃料，不仅可降低烧结温度和能源成本，而且利用玻璃料的析晶作用可增加微晶发泡陶瓷的强度。本发明的微晶发泡陶瓷具有满足工业应用要求的抗压强度和容重。

为此，第一方面，本发明提供一种微晶发泡陶瓷，其原料包括发泡陶瓷料和玻璃料，所述发泡陶瓷料和玻璃料的质量比为30-100：5-70；

所述发泡陶瓷料按重量份数计包括以下原料：黄金尾矿65-85份，膨润土6-12份，高岭土4-10份，滑石4-10份，方解石0-4份，发泡剂0.5-2.0份，减水剂0.3-1.0份；

所述玻璃料按重量份数计包括以下原料：黄金尾矿60-80份，氧化钙10-20份，氧化锌2-7份，氧化钡1-5份，碳酸钠1-4份，硼砂0-4份。

在优选的实施方式中，所述微晶发泡陶瓷的原料仅由发泡陶瓷料和玻璃料组成；优选地，所述发泡陶瓷料和玻璃料的质量之比为30-90：10-70。

在具体的实施方案中，所述发泡陶瓷料按重量份数计包括以下原料：黄金尾矿70-85份，膨润土8-12份，高岭土4-6份，滑石4-6份，发泡剂0.5-1.5份，减水剂0.5-1.0份。

在另一具体的实施方案中，所述玻璃料按重量份数计包括以下原料：黄金尾矿70-80份，氧化钙15-20份，氧化锌2-7份，氧化钡1-5份，碳酸钠2-4份，硼砂1-4份。

进一步，所述发泡剂选自碳化硅、碳粉、硅酸钠、碳酸钙、二氧化锰和三氧化二铁中的一种或两种以上的组合。

进一步，所述黄金尾矿按重量份数计包括以下成分：sio270-85份，al2o37-15份，k2o1-6份，mgo0-2份，na2o0-2份，fe2o30-4份、cao0-4份。

进一步，所述膨润土按重量份数计包括以下成分：sio265-75份，al2o310-20份，k2o0-5份，mgo0-3份，na2o0-2份，fe2o30-3份、cao0-3份。

进一步，所述高岭土按重量份数计包括以下成分：sio265-75份，al2o312-18份，k2o1-6份，mgo0-2份，na2o0-2份，fe2o30-3份、cao0-2份。

进一步，所述滑石按重量份数计包括以下成分：sio212-20份，mgo33-46份，al2o30-2份，k2o0-2份，na2o0-2份，fe2o30-2份、cao0-2份。

本发明所述的尾矿、膨润土、高岭土、滑石等原料的化学组成指将各种金属或矿物元素以氧化物计的含量，并非指其在尾矿、膨润土、高岭土、滑石中以氧化物存在的化合物含量。例如，可以通过本领域的常规检测方法获得以上化学组成结果，例如典型的烧失后或未烧失的荧光检测方法。当以烧失后荧光检测的方法时，通常所用烧失温度在900±5℃左右。

本发明所用的黄金尾矿、膨润土、高岭土、滑石等原料可以市购，或者自制，只要满足化学组成要求即可。

进一步，所述玻璃料的制备方法包括以下步骤：称取所述玻璃料的各原料，将各原料粉磨并混合均匀，然后依次经熔化、保温、水淬后制备得到所述玻璃料。

进一步，所述熔化的温度为1400-1550℃。

进一步，所述保温的时间为1-3h。

本发明的第二方面提供所述微晶发泡陶瓷的制备方法，包括：称取所述发泡陶瓷料的各原料和所述玻璃料，经混合均匀后，依次进行烧结、退火，即制备得到所述微晶发泡陶瓷。

进一步，所述玻璃料的制备方法包括以下步骤：称取所述玻璃料的各原料，将各原料粉磨并混合均匀，然后依次经熔化、保温、水淬后制备得到所述玻璃料。

进一步，所述熔化的温度为1400-1550℃。

进一步，所述保温的时间为1-3h。

进一步，所述烧结的温度为600-1300℃，所述烧结的时间为：达到烧结温度后保温1-5h。

在具体的实施方式中，当所述发泡剂为碳化硅时，所述烧结的温度为600-1300℃；当所述发泡剂为碳粉时，所述烧结的温度为600-900℃；当所述发泡剂为硅酸钠时，所述烧结的温度为800-900℃；当所述发泡剂为碳酸钙时，所述烧结的温度为700-1000℃；当所述发泡剂为二氧化锰时，所述烧结的温度为900-1200℃；当所述发泡剂为三氧化二铁时，所述烧结的温度为600-1200℃。

进一步，所述烧结依次包括第一烧结和第二烧结。在优选的实施方式中，当所述发泡剂为碳化硅时，所述烧结的升温速率为5-10℃/min，所述第一烧结的温度为650-850℃，达到所述第一烧结的温度后保温0.5-2h；所述第二烧结的温度为1000-1250℃，达到所述第一烧结的温度后保温1-3h。

进一步，所述退火的步骤包括：在15min之内降温至900℃，然后自然冷却至室温。

进一步，所述原料的粒径为200目以下；为满足该粒径，可以将所有原料混合均匀后研磨，或者分别研磨后再混合均匀。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明提供的微晶发泡陶瓷的原料中掺入大量固废(含量≥70％)，实现了固体废物回收利用，变废为宝；本发明配比的玻璃料是以尾矿为主要原料制备的以β-硅灰石为主晶相的玻璃料，具有析晶能力的玻璃料在发泡烧结过程中同时析晶，可使得微晶发泡陶瓷具有功能性。

(2)本发明由于掺杂了大量的玻璃料，可以大幅度降低制备微晶发泡陶瓷时的烧结温度，具有节省能耗的优点。

(3)本发明提供的微晶发泡陶瓷具有较高的抗压强度，利用本发明所述的配方制得的微晶发泡陶瓷的抗压强度可达到7.95mpa以上，满足工业应用的需求。

(4)本发明提供的微晶发泡陶瓷容重合理，利用本发明所述的配方制得的微晶发泡陶瓷的容重在300-700kg/m³之间，满足工业应用的需求。

(5)本发明提供的微晶发泡陶瓷采用了大量尾矿原料，从而有效提高了尾矿利用产品的附加值，是一种长期可持续解决固废利用的途径。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在附图中：

图1为cao-al2o3-sio2系玻璃相图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

以下实施例中所用黄金尾矿、膨润土、高岭土和滑石的主要化学组成如表1所示，所采用的检测方法为x射线荧光光谱分析(xrf)，具体采用xrf-1800型x射线荧光光谱仪测定次级x射线进行物质成分分析。

表1原料中各成分的含量(份)

实施例1

本实施例提供一种微晶发泡陶瓷，其原料组成为质量比为1:9的玻璃料和发泡陶瓷料；所述发泡陶瓷料按重量份数计其原料组成为：黄金尾矿80份，膨润土10份，高岭土5份，滑石5份，碳化硅0.9份，减水剂0.9份。制备方法如下：

(1)按重量份数称取：黄金尾矿70.9份，氧化钙16.6份，氧化锌5.0份，氧化钡3.3份，碳酸钠2.5份，硼砂1.7份，磨细混合进行高温1500℃熔化，保温2小时，水淬，得到以β-硅灰石相为主晶相的玻璃料，其相图如图1所示。

(2)称取所述发泡陶瓷料的各原料及步骤(1)制备得到的玻璃料，进行破碎、球磨至200目以下，装模后采用电炉按照以下烧结温度曲线进行烧结：

室温-300℃40分钟，300℃-600℃40分钟，600℃-800℃30分钟，800℃保持60分钟，800℃-1050℃30分钟，1050℃-1150℃20分钟，1150℃保持60分钟，1150℃-900℃15分钟，900℃-室温(即自然冷却)。上述有区间范围的温度是指在所述的时间内升温或降温到终点。

经测试，本实施例的微晶发泡陶瓷抗压强度为7.95mpa，体积密度为399.1kg/m³。说明该微晶发泡陶瓷产品有质轻、高强的优异性能。

实施例2

本实施例提供一种微晶发泡陶瓷，其原料组成为质量比为3:7的玻璃料和发泡陶瓷料；所述发泡陶瓷料按重量份数计其原料组成为：黄金尾矿80份，膨润土10份，高岭土5份，滑石5份，碳化硅0.9份，减水剂0.9份。制备方法如下：

(1)按重量份数称取：黄金尾矿70.9份，氧化钙16.6份，氧化锌5.0份，氧化钡3.3份，碳酸钠2.5份，硼砂1.7份，磨细混合进行高温1450℃熔化，保温2.5小时，水淬，得到以β-硅灰石相为主晶相的玻璃料，其相图如图1所示。

(2)称取所述发泡陶瓷料的各原料及步骤(1)制备得到的玻璃料，进行破碎、球磨至200目以下，装模后采用电炉按照以下烧结温度曲线进行烧结：

室温-300℃40分钟，300℃-600℃40分钟，600℃-750℃30分钟，750℃保持60分钟，750℃-1050℃30分钟，1050℃-1100℃15分钟，1100℃保持60分钟，1100℃-900℃15分钟，900℃-室温(即自然冷却)。上述有区间范围的温度是指在所述的时间内升温或降温到终点。

经测试，本实施例的微晶发泡陶瓷抗压强度为8.81mpa，体积密度为425.2kg/m³。说明该微晶发泡陶瓷产品有质轻、高强的优异性能。

实施例3

本实施例提供一种微晶发泡陶瓷，其原料组成为质量比为5:5的玻璃料和发泡陶瓷料；所述发泡陶瓷料按重量份数计其原料组成为：黄金尾矿80份，膨润土10份，高岭土5份，滑石5份，碳化硅1.2份，减水剂0.9份。制备方法如下：

(1)按重量份数称取：黄金尾矿70.9份，氧化钙16.6份，氧化锌5.0份，氧化钡3.3份，碳酸钠2.5份，硼砂1.7份，磨细混合进行高温1400℃熔化，保温3小时，水淬，得到以β-硅灰石相为主晶相的玻璃料，其相图如图1所示。

(2)称取所述发泡陶瓷料的各原料及步骤(1)制备得到的玻璃料，进行破碎、球磨至200目以下，装模后采用电炉按照以下烧结温度曲线进行烧结：

室温-300℃40分钟，300℃-600℃40分钟，600℃-700℃30分钟，700℃保持60分钟，700℃-1050℃30分钟，1050℃保持60分钟，1050℃-900℃15分钟，900℃-室温(即自然冷却)。上述有区间范围的温度是指在所述的时间内升温或降温到终点。

经测试，本实施例的微晶发泡陶瓷抗压强度为10.13mpa，体积密度为550.5kg/m³。说明该微晶发泡陶瓷产品有质轻、高强的优异性能。

实施例4

本实施例提供一种微晶发泡陶瓷，其原料组成为质量比为7:3的玻璃料和发泡陶瓷料；所述发泡陶瓷料按重量份数计其原料组成为：黄金尾矿80份，膨润土10份，高岭土5份，滑石5份，碳化硅1.5份，减水剂0.9份。制备方法如下：

(1)按重量份数称取：黄金尾矿70.9份，氧化钙16.6份，氧化锌5.0份，氧化钡3.3份，碳酸钠2.5份，硼砂1.7份，磨细混合进行高温1550℃熔化，保温1.5小时，水淬，得到以β-硅灰石相为主晶相的玻璃料，其相图如图1所示。

(2)称取所述发泡陶瓷料的各原料及步骤(1)制备得到的玻璃料，进行破碎、球磨至200目以下，装模后采用电炉按照以下烧结温度曲线进行烧结：

室温-300℃40分钟，300℃-600℃40分钟，600℃-650℃30分钟，650℃保持60分钟，650℃-1000℃30分钟，1000℃保持60分钟，1000℃-900℃15分钟，900℃-室温(即自然冷却)。上述有区间范围的温度是指在所述的时间内升温或降温到终点。

经测试，本实施例的微晶发泡陶瓷抗压强度为12.11mpa，体积密度为698.6kg/m³。说明该微晶发泡陶瓷产品有质轻、高强的优异性能。

对比例1

本对比例提供一种发泡陶瓷，按重量份数计其原料组成为：尾矿80份，膨润土10份，高岭土5份，滑石5份，碳化硅0.6份，减水剂0.9份。制备方法如下：

按重量份数称取各原料，进行破碎、球磨至200目以下，装模后采用电炉按照以下烧结温度曲线进行烧结：

室温-300℃40分钟，300℃-600℃40分钟，600℃-825℃30分钟，825℃保持60分钟，825℃-1050℃30分钟，1050℃-1200℃30分钟，1200℃保持80分钟，1200℃-900℃15分钟，900℃-室温(即自然冷却)。上述有区间范围的温度是指在所述的时间内升温或降温到终点。

经测试，本实施例制备得到的发泡陶瓷抗压强度为7.0mpa，体积密度为360.9kg/m³。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。