利用廢渣制備黑色陶瓷磚的研究

2019-08-07 07:34:46 佛山陶瓷2019年6期

範偉峰 羅飛 吳長發

摘 要:建築陶瓷除了在性能上追求高強度、高耐磨、多功能等,如何降低生産成本也是各廠家競爭的焦點。利用各類劣質原料來制備建築陶瓷是降低成本的有效途徑之一。本文選用四川某煉鐵廠廢渣,將其作爲原料直接應用于黑色陶瓷磚配方中,同時研究了廢渣對陶瓷磚的呈色、燒成收縮及斷裂模數等的影響。

關鍵詞:廢渣;黑色陶瓷;強度;經濟效益

1 前 言

建築陶瓷除了在性能上追求高強度、高耐磨、多功能等,如何降低生産成本也是各廠家競爭的焦點[1-3]。利用各類劣質原料來制備建築陶瓷是降低成本的有效途徑之一,因此各種工業廢料進入了人們的視野。鐵尾礦是選礦廠在特定的技術條件下,將鐵礦石破碎磨細,選取鐵精礦後排放的廢渣,是工業固體廢棄物的主要組成部分之一[4,5]。隨著鋼鐵工業的迅速發展,鐵礦石開采量不斷增加,選礦廠排出的尾礦量也日益增多。大量的尾礦通常采用堆填處置,不僅占用土地、汙染環境,而且工廠還得支付土地征用費、運輸費和填埋費等,增加生産成本,同時也造成了資源浪費。在環境保護和資源節約意識日益增強的今天,尾礦綜合利用被認爲是實現礦業可持續發展的重要途徑,其作爲二次資源已引起世界各國的廣泛關注[6-8]。鐵尾礦含有大量的過渡金屬離子,在高溫下可使陶瓷磚坯體呈現較深的顔色,因此,可將其應用于陶瓷磚坯中制備通體黑色陶瓷磚。本文選用四川某煉鐵廠廢渣,將其作爲原料直接應用于黑色陶瓷磚配方中,同時研究了廢渣對陶瓷磚的呈色、燒成收縮及斷裂模數等的影響。

2 實驗部分

2.1 實驗原料

實驗所用的主要原料包括:含鐵錳廢渣(取自四川某煉鐵廠)、陶瓷坯料(佛山歐神諾陶瓷有限公司)。

2.2 試樣的制備與表征

將廢渣粉按一定的比例(1、3、5、8、10%)加入陶瓷坯粉料中,經過球磨、過篩、幹燥、過篩、壓制成型、幹燥燒成等工序,制備陶瓷磚樣品。同時,將含2%坯用黑色色料的色坯在相同的溫度制度下燒成,作爲對比試樣。

采用數顯電動抗折儀(DPK型,湘潭湘儀儀器有限公司)對試樣的強度進行檢測;采用美國X-rite公司X-rite8200分光光度計測試試樣的L*a*b*值。L*a*b*參數中,L*代表明度,正a*代表紅色,負a*代表綠色,正b*代表黃色,負b*代表藍色。測試前對儀器進行黑白標准板校正,消除因電信號不穩定帶來的測試誤差。每個樣本測三次,取測試的平均值,作爲該樣品的色度值。

3 結果與討論

廢渣的化學組成包括:氧化鋁5.18%、氧化硅15.26%、三氧化二鐵46.71%、二氧化钛11.48%、氧化錳7.45%、三氧化二鉻2.62%、氧化鈣2.75%、氧化鎂2.78%、氧化鈉3.68%及其他,其中三氧化二鐵、二氧化钛、氧化錳和三氧化二鉻均是著色氧化物。

表1爲添加坯用黑色色料試樣的L*a*b*值。由表可知,添加黑色色料的坯體a*值和b*值較小,分別爲0.65和3.23,說明試樣的顔色較深,通過觀察實際試樣,試樣顯通體黑色。

顔色是光和眼睛相互作用産生的,是人的大腦對投射在視網膜上不同波長光線進行辨認的結果。物體的顔色決定于它對光線的透過、吸收和反射,若物質對白光中所有顔色的光全部吸收,則呈現出黑色;若反射所有顔色的光,則呈現出白色;若透過所有顔色的光,則爲無色。因此,透明物體的顔色由它能夠透過的色光決定;不透明物體的顔色由它反射的色光決定,其實質都與物質的結構密切相關。圖1爲添加坯用黑色色料試樣在可見光波長範圍內的反射率曲線。由圖可知,未添加黑色色料的坯體在高波長的黃光部分反射率較高,說明坯體顔色偏黃調。而添加2%黑色色料的坯體在可見光波長範圍內反射率較低,平均反射率爲~10%,結合a*值和b*值較小,說明試樣呈黑色。

表2爲添加廢渣試樣的L*a*b*值。由表可知,隨著廢渣加入量的增加,試樣的明度L*值逐漸減小,且a*值和b*值均向減小方向變化,說明試樣的黑色逐漸加深。圖2爲添加廢渣的試樣在可見光波長範圍內的反射率曲線。由圖可知,隨著廢渣添加量的逐漸增加,試樣在可見光波長範圍內反射率逐漸減小,當添加量小于8%時,其平均反射率在10%左右波動。

表3爲添加不同著色物的試樣的顔色性能。由表可知,添加2%坯用色料與添加10%廢渣的試樣,其a*值和b*值較爲接近,且添加10%廢渣的試樣具有更低的L*值,說明在呈色性能上10%廢渣可替代2%坯用色料。圖3爲添加2%坯用色料與添加10%廢渣的試樣在可見光波長範圍內的反射率曲線,由圖可知,兩組試樣的反射率曲線類似,且平均反射率均在~10%,說明添加2%坯用色料與添加10%廢渣的試樣的呈色性能接近。

由于廢渣成分較爲複雜,引入廢渣可能造成陶瓷坯體的結構變化,如發泡等。圖4爲不同廢渣添加量試樣的燒成收縮率,由圖可知,廢渣加入量在1 ~ 10%情況下,其燒成收縮與未添加試樣接近,說明廢渣的引入不會明顯改變陶瓷磚的燒結性能,也不會産生發泡現象。圖5爲不同廢渣添加量試樣的斷裂模數,由圖可知,添加廢渣的所有試樣其斷裂模數均高于55 MPa,符合陶瓷磚國家標准對斷裂模數的要求(37 MPa)。同時,根據成本估算,目前坯用黑色色料價格約爲1萬元/噸,而該廢渣約爲450元/噸,采用10%的廢渣替代2%的黑色色料,可使原料成本進一步降低。

4 結 論

(1)呈色性能上,10%鐵錳廢渣可替代2%坯用黑色色料;

(2)鐵錳廢渣的引入不會明顯改變陶瓷磚的燒結性能,也不會産生發泡現象;

(3)添加鐵錳廢渣的試樣其斷裂模數高于55 MPa,符合陶瓷磚國家標准對斷裂模數的要求;

(4)根據成本估算,目前坯用黑色色料價格約爲1萬元/噸,而該廢渣約爲450元/噸,采用10%的廢渣替代2%的黑色色料,可使原料成本進一步降低。

參考文獻

[1] 董峰, 郝洪順, 崔文亮, 等. 陶瓷工業固體廢棄物的回收再利用[J]. 硅酸鹽通報, 2006, 3:124-126.

[2] 楊小乘. 陶瓷廢料的利用現狀[J]. 廣東建材, 2013, 5: 12-14.

[3] 何代英, 李春文. 黑色陶瓷色料的生産與應用[J]. 佛山陶瓷, 2002, 4: 4-6.

[4] 邊華英, 王學濤. 利用含钴工業廢料研制黑色陶瓷顔料[J]. 佛山陶瓷, 2003, 12: 16-18.

[5] 邱柏欣, 顧幸勇, 董偉霞, 等. 利用鉻鐵廢渣制備黑色陶瓷釉料[J]. 硅酸鹽學報, 2019, 3: 396-402.

[6] 劉華峰, 王慧, 曾令可. 黑色陶瓷色料的研究現狀與展望[J]. 中國陶瓷工業, 2013, 6: 32-34.

[7] 喬豔. 利用赤泥研制黑色陶瓷顔料[J]. 江蘇陶瓷, 2009, 1: 12-15.

[8] 于長鳳, 朱小平, 李欣, 等. 用釩砂尾礦制備無钴黑色陶瓷顔料的研究[J]. 陶瓷學報, 2013, 1: 76-80.