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1、第 30 卷 第 4 期硅酸盐通报Vol 30No 42011 年 8 月BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETYAugust，2011利用陶瓷抛光废料制备高强轻质建筑材料的研究蔡晓军1，奚修安1，税安泽1，吴婷婷1，陈军建1，简润桐2，吴细桂2(1 华南理工大学材料科学与工程学院，广州510640;2 广东新明珠陶瓷集团有限公司，佛山528219)摘要:本研究以陶瓷抛光废料为主要原料，辅以长石、球土、石英等，通过大量的探索性实验，确定了制备轻质建筑材料的基础配方。在此基础上，通过正交实验优化原料配方和工艺参数制备了高强轻质建筑材料。在球磨时间 42min
2、、烧成温度 1170、保温时间 15 min、添加剂含量 5 5wt%时，制备出体积密度 0 81 g/cm3、抗压强度 14 25MPa、吸水率 9 30%、导热系数 0 30 W/mK 的高强轻质建筑材料。关键词:陶瓷抛光废料;多孔;高强轻质;建筑材料中图分类号:TU52文献标识码:A文章编号:1001-1625(2011)04-0955-05Study on Preparation of High-strength-lightweight BuildingMaterials with Porcelain Polishing WasteCAI Xiao-jun1，XI Xiu-an1，SH
3、UI An-ze1，WU Ting-ting1，CHEN Jun-jian1，JIAN Run-tong2，WU Xi-gui2(1 College of Materials Science and Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China;2 Guangdong Newpearl Ceramics Group Co Ltd，Foshan 528219，China)Abstract:A fundamental formulation for preparing lightweight buil
4、ding material was ascertained througha lot of exploring experiments with porcelain polishing waste as main raw material and feldspar，ball clayand quartz etc as minor raw materials On this basis，high-strength-lightweight building materials wereprepared by optimizing the formulation of raw materials a
5、nd processing parameters with the orthogonalexperiments At the conditions of ball milling time 42 min，sintering temperature 1170，holding time15 min，and the additive content 5 5wt%，the high-strength-lightweight building material reachs thesintered bulk density 0 81 g/cm3，compressive strength 14 25 MP
6、a，water absorbing capacity 9 30%and thermal conductivity coefficient 0 30 W/mKKey words:porcelain polishing waste;porous;high-strength-lightweight;building material基金项目:广东省重大科技专项(2010A080405004);中央高校基本科研业务费专项资金(2009ZM0156);广州市建设科技发展基金(No2006021);佛山市产学研专项资金(2006A046);国家大学生创新性实验计划项目(No091056123)作者简介:蔡
7、晓军(1989-)，男，本科生 主要从事无机非金属材料的研究通讯作者:税安泽 E-mail:shuianze scut edu cn1引言随着陶瓷工业的高速发展，陶瓷生产中产生的废料量也日益增多。目前，我国陶瓷废料的年排放量预计已经超过 1800 万吨，其中抛光砖废料占据了一半以上。大量排放的陶瓷废料，既挤占土地，污染环境，又大大降低了矿产资源的有效利用率，并严重阻碍了陶瓷工业的可持续发展。因此陶瓷废料，特别是抛光砖废料956试验与技术硅 酸 盐 通 报第 30 卷的资源化利用具有重要的科研价值和社会经济意义1-11。本文以陶瓷抛光废料的资源化利用为目标，以陶瓷抛光废料为主要原料，辅以长石、球
8、土、石英等制备一种以闭口气孔为主兼具保温隔热功能的新型高强度轻质建筑材料。其保温性能及强度满足新型保温墙体材料的行业标准，且该材料制备工艺简便，操作方便，易于产业化。这不仅解决了陶瓷废料的处理问题，而且变废为宝，符合当今社会的节能减排与低碳经济模式，对陶瓷工业的可持性发展具有重要的意义。2实验2 1原料本实验以陶瓷抛光废料为主要原料，辅以长石、球土、石英等制备一种以闭口气孔为主，兼具保温隔热功能的新型高强度轻质建筑材料。实验中所用陶瓷抛光废料、球土、长石、石英的化学成分如表 1。表 1实验用原料的化学成分Tab 1Chemical compositions of raw materials f
9、or the experiments/wt%Raw materialILSiO2Al2O3Fe2O3TiO2CaOMgOK2ONa2OPorcelain polishing waste314672719210 370150622941 195 17Ball clay12 251 43360790340070191 010 16Feldspar0 6876 71330150010210074 833 83Quartz-98 54072027-037025-2 2仪器设备株洲日新机电制造厂的 GKF-IV 型硅酸盐成分测定仪;QM-1SP4-CL 型行星式球磨机(南京大学仪器厂);洛阳神佳窑业有限
10、公司的箱式电炉 SSJ-14A;湘潭仪器仪表有限公司的 TXY 陶瓷吸水率测试仪;荷兰Philips 公司的 X 射线衍射仪;上海光学仪器六厂生产的 XTZ-E 型体视显微镜;美国 instron 556T 型万能材料试验机。2 3实验步骤陶瓷抛光废料用量为 60wt%，金鹏球土用量分别在 5wt%、10wt%、15wt%、20wt%，在此基础上分别改变长石与石英的比例来进行配料。分别取各种不同配方原料100 g、水80 g、三聚磷酸钠0 5 g 及聚甲基纤维素0 5 g，经过混合球磨 30 min，干燥过 30 目筛，然后在压机上以 15 MPa 压制成型，在烘箱中干燥至恒重，最后分别在快速
11、升温电炉中于 1160、1180 下保温 20 min 烧成，随炉温冷却后得到样品。3结果与讨论3 1基础配方的确定由表 2 可知，在同一烧成温度下，球土的含量分别在 5%、10%、15%、20%时，试样的体积密度和吸水率都是随着长石与石英比例的增大而变小，并且同一组配方的吸水率和体积密度也都随烧成温度的升高有所降低，在吸水率与体积密度的综合指标上，A4、A8、A12、A14 这四组数据最佳，因此本文选取在 1180 时各球土含量基础下的最优配方对其性能进行进一步表征，性能比较如表 3 所示。由表3 可知，A4 配方即抛光废料质量分数为60%、长石为25%、石英为10%、球土为5%，在1180
12、 保温20 min 时的体积密度较小(0 51 g/cm3)且吸水率最低(2 053%)、抗压强度最大(4 5 MPa)。所得试样的强度仍然较小，不能满足其实际应用要求，因此本文通过引入少量添加剂来增加试样材料的强度，但由于影响制品性能的因素还有很多，主要是球磨时间影响原料颗粒的粒径大小，进而影响样品致密度、强度等性能;烧成温度和保温时间影响着试样的致密度、体积密度、气孔的大小及其分布等性能;此外，添加剂的量对试样的性能影响也比较大，综合考虑各因素之间的相互作用，选取了球磨时间、烧成温度、保温时间以及添加剂量这四个主要的影响因素进行正交实验。第 4 期蔡晓军等:利用陶瓷抛光废料制备高强轻质建筑
13、材料的研究957表 2各试样的初始实验配方及性能Tab 2Initial experimental formula and properties for the various samplesNoBallclayPorcelainpolishingwasteFeldsparQuartz1160 Water absorption/%Sintered bulk density/gcm31180 Water absorption/%Sintered bulk density/gcm3A156010257415069030000597A256015204971065022940575A35602015
14、1992058221360526A456025102213055620530510A5106010208034063842790526A6106015154357058333400501A7106020103619053428300471A810602553605050726520454A9156010156757060432760497A10156015105545053944660460A1115602052823050748880441A1215602503000049743820439A132060101016701061670540479A1420601558180053453500
15、441A1520602009267054759700452表 3试样性能Tab 3Properties of the samplesNoWater absorption/%Sintered bulk density/gcm3True porosity/%Closed porosity/%Compressive strength/MPaA420530 5107907780245A826520 4548136801538A1243820 4398262807035A1453500 44181797943423 2正交实验优化由于本试验有 4 个三水平的因素和三个交互作用需要考察，另外需考虑空白列的
16、误差效应，因此本实验可选用 L27(313)来安排试验方案(表 4)。并以体积密度、抗压强度、吸水率三者的综合指标为实验方差分析的数据(表 5)。表 4因素水平表Tab 4Table of the factor levelLevelSintering temperature/AHolding time/minBAdditive content/wt%CMilling time/minD111701055182118015753031190209542由表 5 可知，由于交互作用的方差与误差方差比较，均小于误差方差，因此将这些交互作用的偏差平方和、自由度并入误差的偏差平方和、自由度，这样使误差的
17、偏差平方和和自由度增大，可提高检验的灵敏度。显著性检验结果表明，因素 D、A 高度显著，因素 B、C 不显著。因素主次顺序 D-A-B-C。通过正交实验得出的优化条件为:球磨时间为 42 min，烧成温度 1170，保温时间 15 min，添加剂量 5 5wt%。3 3优化条件下轻质材料的性能测试与表征图 1 为试样的体视显微镜照片，可以看出样品的孔隙率较高且孔径大小分布较均匀，气孔独立，连通气孔较少。一方面，这样的结构可减少空气对流的程度，使对流传热的机率降低;另一方面，孔隙率高且气孔大958试验与技术硅 酸 盐 通 报第 30 卷小均匀、数量较多，使得材料内部孔壁表面积的总量增加，即增加了
18、固体反射面，从而使幅射传热的效率降低。从而材料表现出较低的导热系数12，13(表6)。从图1 中还可以看出，不但材料内的孔隙率较高、孔径大小以及分布较均匀，而且材料内部孔壁也较厚，因此材料有较好的力学性能。表 5方差分析表Tab 5Table of the variance analysisSources of varianceSum of squareof deviationsFreedom of motionAverage sum ofsquare of deviationsF valueSignificanceA(sintering temperature)14720741117B(ho
19、lding time)0382019291A B0304007C(additive content)0232011172A C0234006D(milling time)25521281938A D0174004Error e0496008Error e11918007注:F0 05(2，18)=355;F0 01(2，18)=601表 6试样性能Tab 6Properties of the samplesPropertiesResultSintered bulk density/gcm3081Water Absorption/%930Compressive strength/MPa1425T
20、hermal conductivity/W(mK)1030图 2 为试样相应的 XRD 图谱。从图 2 中可以看出，试样的主晶相为石英相和莫来石相，由于其较高的强度、硬度、熔点及较好的高温机械性能14，赋予了材料较好的力学性能。图 1试样的体视显微图Fig 1Stereomicroscope micrographs of the samples图 2试样的 XRD 图谱Fig 2XRD pattern of the sample4结论(1)利用抛光废料为主要原料，辅以长石、球土、石英等原料，通过大量的探索性实验，确定了制备轻质建筑材料的基础配方为:抛光废料 60wt%、球土 5wt%、长石 2
21、5wt%，石英 10wt%;(2)正交试验结果表明，影响试样体积密度、抗压强度、吸水率三者综合性能指标的主要因素为球磨时间和烧成温度，保温时间和添加剂量的影响相对较小。优化后的材料的制备工艺条件为:球磨时间 42 min，烧成温度1170，保温时间15 min，添加剂量5 5 wt%;优化条件下制得试样的性能:体积密度 0 81 g/cm3、抗压强度 14 25 MPa、吸水率 9 30%，导热系数 0 30 W/mK。第 4 期蔡晓军等:利用陶瓷抛光废料制备高强轻质建筑材料的研究959参考文献 1Shui A，Xi X，Wang Y，et al Effect of silicon carbi
22、de additive on microstructure and properties of porcelain ceramicsJ CeramicsInternational，2011，37:1557-1562 2Sanchez E，Garcia-Ten J，Sanz V，et al Porcelain tile:almost 30 years of steady scientific-technological evolutionJ Ceram Int，2010，36:831-845 3Rambaldi E，Esposito L，Tucci A，et al Recycling of po
23、lishing porcelain stoneware residues in ceramic tiles J J Eur Ceram Soc，2007，27，3509-3515 4Sanchez E，Ibanez M J，Garcia-Ten J，et al Porcelain tile microstructure:Implications for polished tile propertiesJ J Eur Ceram Soc，2006，26:2533-2540 5李丽匣，王亚琴，韩跃新，等 陶瓷废料生产建筑材料的试验研究 J 东北大学学报，2011，32(3):420-422 6乔木
24、，王欣丹，王艳，等 抛光砖抛光废料的回收利用途径分析 J 中国陶瓷，2011，47(1):25-27 7税安泽，夏海斌，曾令可，等 利用抛光砖废料制备多孔保温建筑材料J 硅酸盐通报，2008，27(1):191-195 8夏海斌，税安泽，陈培鑫，等 环保型多孔陶瓷材料的影响因素研究 J 材料研究与应用，2008，2(4):284-286 9俞康泰 陶瓷废料的再循环和环境材料学J 佛山陶瓷，2003，13(9):36-38 10董峰，郝洪顺，崔文亮，等 陶瓷工业固体废弃物的回收再利用 J 硅酸盐通报，2006，25(3):124-127 11徐建国 佛山陶瓷企业开展清洁生产的现状及方向 J 佛山
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26、几年，并利用新方法研发出一种目前运行速度最快的新有机半导体材料。相关研究发表在 8 月 16 日出版的自然通讯 杂志上。在提高有机电子材料性能的研制中，研究人员通常需要合成出大量备选材料并对其进行测试，这不仅耗费时间而且经常会失败。而新计算预测方法则可大大缩小备选材料的范围，以节省成本。科学家对这种方法的可行性进行了初步实验。首先，他们选用一种已被验证为性能良好的有机半导体材料(名为 DNTT)作为初始材料，接着研究了其他一些与 DNTT 结合在一起有可能加强其性能的、具有不同化学和电学特征的化合物，最终选出了 7 个备选物质。半导体能快速将电荷从一个地方运送至另一个地方，其性能取决于这种材料
27、结合电荷的能力以及电荷在这种材料的分子间的移动速度。利用新方法，科学家们预测，如果对这 7 种物质进行修改，借用其修改后有望拥有的化学和结构特性，其中的 2 种物质接受电荷能力最强，而这两种物质中的一种物质内，电荷显然能在其分子间更快速地移动，其运行速度会达到初始物质的两倍。他们随后历时一年半对这种新物质的合成过程进行了完善并对其进行了充分测试，测试结果证实，修改后的新材料的运行速度是初始物质的两倍，而且，新材料的运行速度是目前液晶显示屏中非晶硅的 30 多倍。“合成并厘清这 7 种备选化合物的性质通常要几年时间，而使用新方法，我们能从理论上预测出性能最好最有潜力的备选对象，因此有望更快设计出高性能材料。”参与该研究的斯坦福大学化学工程副教授鲍哲南(音译)表示。领导该研究的哈佛大学化学和化学医学副教授艾伦阿斯普鲁 古济克表示，新预测方法不仅可使寻找更好有机半导体材料的科研团队受益，也有助于研制出更高效的有机太阳能电池材料。