錳渣對(duì)燒結(jié)陶瓷制品物理性能的影響.pdf

塑料助劑 2 0 1 5年第4期( 總第 1 1 2期) 脅 ) ) 聃 ：； 囂 蒸 l 錳渣對(duì)燒結(jié)陶瓷制品物理性能的影響 梁峙 梁驍 馬捷。 肖 揚(yáng) 莊旭 顧燁 倪振 威 王君。 王廣彬 ( 1 徐州工程學(xué)院，徐州，2 2 1 1 1 1 ；2 上海財(cái)經(jīng)大學(xué)經(jīng)濟(jì)學(xué)院，上海，2 0 4 3 3 2 ； 3 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) ，徐州 ，2 2 1 0 0 8 ；4 徐州綠健乳業(yè)有限責(zé)任公司 ，徐 州 ，2 2 1 0 0 6 ) 摘要 以錳礦渣 、 陶土為主要原料 ， 通過(guò)經(jīng)混合、 成型、 干燥和燒成等工藝制得錳渣陶土燒結(jié)陶瓷 制品 ， 實(shí)驗(yàn)通過(guò)測(cè)定不同的錳礦渣含量、 燒結(jié)溫度和氣體介質(zhì) ， 對(duì)樣品的收縮率、 吸水率、 彎曲強(qiáng)度進(jìn)行 了分析 ， 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明： 錳渣粉含量 2 0 、 燒結(jié)溫度8 5 0 o C、 在氮?dú)夥諊袩Y(jié)， 產(chǎn)品收縮率、 吸水率、 彎 曲強(qiáng)度達(dá)到最佳效果 ， 試驗(yàn)樣品具有耐高溫、 高彎曲強(qiáng)度 、 抗腐蝕性等一 系列優(yōu) 良性能。 關(guān)鍵詞錳礦渣彎曲強(qiáng)度收縮率吸水率 陶瓷制品 d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 6 7 26 2 9 4 2 0 1 5 0 4 0 1 1 Re s e a r c h o n Effe c t o f M a ng a n e s e S l a g o n Ph y s i c a l Pr o p e r t i e s o f S i nt e r e d Ce r a mi c Pr o du c t Ha n g Z h i Ha n g X i a 0 2 h J i e 3 X i a o Y a n g Z h u a n g X u G u Y e N i l e n w e i Wa n g l 3 Wa n g G砌 n 4 ( 1 。C o l l e g e o f E n v i r o n me n t E n g i n e e r i n g ， X u z h o u I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， X u z h o u ， 2 2 1 l l l ； 2S c h o o l o f Ec o no mi c s， S ha n g h a i Uni v e r s i t y o f Fi n a n c e a n d Ec o n o mi c s ， S h a n g ha i ， 2 0 043 3； 3 C h i n a U n i v e r s i t y o f M i n i n g A n d T e c h n o l o gy， X u z h o u ， 2 2 1 0 0 8 ； 4 X u z h o u L v j i D a i r y C o ， L t d ， X u z h o u ， 2 2 1 0 0 6 ) Ab s t r ac t ： T he ma n g a n e s e s l a g c l a y ma de c e r a mi c ma t e ria l i s p r o d u c e d f r o m ma n g a n e s e s l a g a nd c l a y， a s ma i n r a w ma t e ri a l ， t h r o u g h s e q u e n t i a l p r o c e s s e s o f mi x i n g ， mo l d i n g ， d r y i n g a n d fi r i n g By me a s u ri n g d i f f e r e n t l e v e l o f ma n g a n e s e s l a g， s i n t e r i ng t e mp e r a t u r e a n d g a s me d i u m ， t h e s h r i n k a g e， wa t e r a b s o r p t i o n r a t e a n d b e n d i n g s t r e n g t h o f t h e s a mp l e s we r e a na l y s e d Th e d a t a pr o v e s t h a t a t 2 0 o f ma n g a ne s e s l a g p o wd e r ， t h e s i n t e rin g t e mp e r a t u r e i s 8 5 0 o C ， s i n t e r i n g un d e r n i t r o g e n a t mo s p h e r e， t h e s h rin k a g e r a t e， wa t e r a bs o rpt i o n r a t e a n d r e s i s t a n c e t o c o r r o s i o n o f t h e p r o d u c t a c h i e v e s t h e b e s t e f f e c t N a me l y， t h e s a mp l e h a s e x c e l l e n t p r o p e r t i e s o f h i g h t e mp e r a t u r e r e s i s t a n c e h i g h b e n d i n g s t r e n g t h a n d h i g h c o rro s i o n r e s i s t a n c e Ke y wo r ds： ma n g a n e s e s l a g； be n d i n g s t r e n gth； s h rin ka g e； wa t e r a bs o r p t i o n r a t e； c e r a mi c pr o d u c t 我 國(guó)湖南、 貴州、 云南 四川錳礦資源豐富 ， 以 重慶武 陵錳業(yè)、 中信大錳 、 貴州三和錳業(yè) 、 湘潭 電 化為代表的我 國(guó)的電解錳生產(chǎn)龍頭企業(yè) ， 2 0 1 3年 基金項(xiàng) 目： 國(guó)家 星火計(jì) 劃 ( 2 0 1 4 G A 6 9 0 1 3 3 ) ； 中國(guó)建筑 材 料 聯(lián)合會(huì)項(xiàng) 目( 2 0 1 4一 M3 3 ) ； 住建部項(xiàng) 目( 2 0 1 3一K 71 1 ) ； 江蘇省高校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃( 2 0 1 4 1 1 9 9 8 0 2 1 Z ) ； 徐 州市科技發(fā)展( X F 1 3 C 0 2 8 ) ； 省食品資源開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi) 放課題( S P K F 2 0 1 4 1 6 ) ； 校級(jí)實(shí)驗(yàn)儀器課題 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 3 1 3 產(chǎn)能水平達(dá)N2 5 0 0 k t ， 同時(shí)產(chǎn)生約7 2 0 0 k t 的固體 廢棄 物， 對(duì) 環(huán) 境 和 人 類(lèi) 的 生 存 造 成 了 極 大 威脅 。 項(xiàng) 目選用湖南湘潭地區(qū)某 電解錳加工企業(yè)排 放的錳礦渣作為研究對(duì)象 ， 探索以電解錳礦渣 、 陶 土為主要原料制備錳渣 陶土燒結(jié) 陶瓷制 品的途 徑 ， 分析利用錳礦渣在燒結(jié)陶瓷制 品摻合料工藝 方法和條件， 通過(guò)不同的錳礦渣含量 、 燒結(jié)溫度和 氣體介質(zhì) ， 對(duì)錳渣燒結(jié)陶瓷制品的工作性能 、 力學(xué) 性能、 熱工性能進(jìn)行試驗(yàn)研究 ， 從而實(shí)現(xiàn)錳礦渣資 源化綜合利用 。 第 4期 梁峙 ， 等 錳渣對(duì)燒結(jié)陶瓷制品物理性能的影響4 9 1 試 驗(yàn)部分 1 1 試驗(yàn)儀器和設(shè)備 行星式球磨機(jī) ， X Q M一1 ， 長(zhǎng)沙天創(chuàng)粉末技術(shù) 有限公司； 熱膨脹系數(shù)測(cè)定儀， P C Y系列， 湘潭湘 儀儀器有限公 司； 數(shù)顯陶瓷抗折儀 ， S K Z一1 0 0 0 0， 湘潭市儀器儀表有限公 司； 電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 ， D H G一9 0 2 3 A， 上海島韓實(shí)業(yè)有限公 司； 微量分析 天平 ， X P 2 0 5 ， 深圳市德優(yōu) 平科技有 限公 司 ； 智 能 高溫箱式馬弗電爐， B L M T一1 8 0 0 A， 洛 陽(yáng)市博 萊 曼特 試 驗(yàn) 電 爐 有 限公 司 ； 平 面 研 磨 拋 光 機(jī) ， MD Y 4 0 8 0， 深圳市海德 精密機(jī) 械有 限公 司； 氮?dú)?發(fā)生器 ， Q P N一 3 0 0 I I ， 上海達(dá)平儀器有限公司。 1 2 錳渣化學(xué)成分及礦物組成 錳渣主要來(lái)源 于湖 南湘潭地 區(qū)某 電解錳 公 司， 其化學(xué)成分見(jiàn)表 1所示。 表 1 錳渣 的化學(xué)成分 ( 質(zhì)量百分?jǐn)?shù) ) T a b 1 T h e c o mp o s i t i o n o f ma n g a n e s e s l a g p o w d e r 成分 Mn O S i O 2 A 1 2 O 3 F e 2 O 3 T i O 2 C a O M g O K 2 O 含 量 9 4 5 4 9 0 71 2 3 41 6 3 2 1 1 1 7 2 1 3 7 9 0 7 1 從表 i可 以看 出錳 渣 中除 了 S i O 之 外 ， Mn O、 F e 0 、 A 1 0 的含 量較 高， 分別 達(dá) 9 4 5 、 1 6 3 2 、 1 2 3 4 Mn和 F e的含量過(guò)高會(huì)嚴(yán)重影 響到周邊的生態(tài)環(huán)境。 錳渣 的 X R D 衍 射 圖譜 分 析 ， 結(jié) 果 見(jiàn) 圖 1 所 示 。 - - - J L “ 、 一I 圖 1 錳渣粉 X R D衍射圖譜 Fi g 1 XRD o f ma n g a n e s e s l a g po wd e r 從錳礦渣 X R D衍射圖譜分析得 出， 其主要礦 物成分為高嶺土 、 白云石 、 石膏 、 伊利石 、 石英 、 方 解石 和 蒙 脫 石 ， 其 中石 英 和 石 膏 的 含 量 超 過(guò) 9 6 ， 而石英和石膏又是生產(chǎn)和制備陶瓷的主要 原 料 。 1 3 工藝過(guò)程 在生產(chǎn)用的原料中加入不同量的錳渣 ( 分別 加入 1 0 、 1 5 、 2 0 、 2 5 、 3 0 、 3 5 ) ， 來(lái)測(cè)試 氧化鐵對(duì) 陶瓷性能 的影響力 。加入錳渣后的原材 料 ， 經(jīng)過(guò)球磨 、 造粒 、 成型、 干燥等工藝 ， 燒成樣品， 再對(duì)燒成 的樣 品通過(guò)平面研磨拋光機(jī)進(jìn)行拋光處 理 ， 使樣品拋光度接近鏡面， 將試驗(yàn)樣 品在數(shù)顯 陶 瓷抗折儀進(jìn)行抗彎強(qiáng)度測(cè)試 。其錳渣燒結(jié)制品試 驗(yàn)過(guò)程如圖 2所示。 圖 2 樣 品燒制 的工藝流程 F i g 2 F l o ws h e e t o f t h e s i n t e r i n g t e c h n o l o g y o f t h e s a mp l e 2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 2 1 錳渣粉含量對(duì)燒結(jié)成品收縮率的影響 考察不同錳渣粉含量參數(shù)條件下 ， 對(duì)成品吸 水率的影響。實(shí)驗(yàn)原料中， 分別添加 1 0 、 1 5 、 2 0 、 2 5 、 3 0 的錳渣粉 ， 分析錳渣粉添加量對(duì) 成品吸水率的影 響， 煅燒成型后將煅燒成型 的樣 品放人熱膨脹系數(shù)測(cè)定儀試驗(yàn)平 臺(tái)， 根據(jù)實(shí)驗(yàn)記 錄數(shù)據(jù)繪制分析實(shí)驗(yàn)曲線 ， 如圖 3所示 。 、 模 好 圖 3錳渣粉含量對(duì)燒結(jié)成 品收縮率 的影 響 Fi g 3 Ef f e c t o f ma n g a n e s e s l a g po wd e r c o n t e n t o n t he s hrin ka g e o f t h e s i n t e r e d c e r a mi c p r o du c t 圖中看出， 不同錳渣粉含量參數(shù)條件下， 所制 作成 品吸水率有著較大差 異， 隨著錳渣粉含量的 增加 ， 收縮率先降后升 ， 當(dāng)錳渣粉添加量 2 0 時(shí)， 塑料助劑 2 0 1 5年第 4期( 總第 1 1 2期) 收縮率達(dá)到最小值為 4 1 8 ， 隨著錳渣粉含量 的 增加收縮率逐漸加大 ， 錳渣 粉含量 3 5 時(shí) ， 收縮 率達(dá)到 4 8 2 ， 這說(shuō)明過(guò)量 的錳渣粉增加了產(chǎn)品 的收縮率 ， 當(dāng)制品用作外墻保溫輕質(zhì)瓷磚時(shí) ， 錳渣 粉為宜添加量為 2 0 。 2 2 錳渣粉含量對(duì)燒結(jié)成品吸水率的影響 根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)吸水率衡量陶瓷性能的重要指 標(biāo) ， 制品成分配 比合理、 燒結(jié)程度好 ， 其 吸水率較 低表現(xiàn)出制品 的硬度大。實(shí)驗(yàn)原 料 中分別添加 1 0 、 1 5 、 2 0 、 2 5 、 3 0 的錳渣粉 ， 燒結(jié)成 品 后拋光打磨 ， 進(jìn)行吸水率測(cè)試 ， 結(jié)果如圖 4所示。 ： 0 7 0 6 圖4 錳渣粉含量對(duì)燒結(jié)成品吸水率的影響 F i g 4 E f f e c t o f ma n g a n e s e s l a g p o wd e r c o n t e n t o n t h e wa t e r a b s o r p t i o n r a t e of the s i n t e r e d p r o d u c t 由圖4不難得 出這樣 的結(jié)論 ： 當(dāng)錳渣加入量 低于 2 0 時(shí) ， 陶瓷制成品 的吸水率低 ， 產(chǎn) 品質(zhì)量 好 ， 其吸水率符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)， 這說(shuō)明在原材料中加 入適量的錳渣 ， 可以降低原材料的燒結(jié)溫度 ， 從而 提高瓷坯的燒結(jié)強(qiáng)度， 使密度增大， 吸水率減少 ； 相反， 會(huì)出現(xiàn)過(guò)燒現(xiàn)象 ， 產(chǎn)生的原因可能是加入的 錳渣有一部分與二氧化硅反應(yīng) ， 生成錳硅石并放 出氣體 ， 造成樣品空穴 ， 因此 ， 當(dāng)錳渣含量等于或 超過(guò) 4 0 時(shí)， 燒結(jié)陶瓷的密度明顯下 降， 相對(duì)應(yīng) 的孔隙率增加 ， 使得制品的吸水率上升硬度下降 、 品質(zhì)降低。 2 3 錳渣粉含量對(duì)燒結(jié)成品抗彎強(qiáng)度的影響 抗彎強(qiáng)度是陶瓷性能另一項(xiàng)重要指標(biāo)， 優(yōu)質(zhì)陶 瓷燒結(jié)程度好 ， 制品硬度高、 其抗彎強(qiáng)度高， 吸水率 低。實(shí)驗(yàn)原料 中分別添加 1 0 、 1 5 、 2 0 、 2 5 、 3 0 的錳渣粉 ， 燒結(jié)成品后拋光打磨， 進(jìn)行抗彎強(qiáng) 度測(cè)試 ， 通過(guò)數(shù)顯陶瓷抗折儀 ， 將夾具跨距設(shè)定為 3 0 m m， 速度為1 m m m i n ， 對(duì)加入錳渣后生產(chǎn) 的制 品試樣進(jìn)行抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)， 抗彎強(qiáng)度隨加入錳渣含 量的變化而產(chǎn)生變化 ， 變化曲線如圖5所示。 由圖 5可以看 出： 陶瓷樣品的抗彎強(qiáng)度基本 錳渣粉含量 圖 5 錳渣粉含量對(duì)燒結(jié)成品抗 彎強(qiáng)度 的影 響 F i g 5 E f f e c t of ma n g a n e s e s l a g p o wd e r c o n t e n t o n t h e b e n d i n g s t r e n g t h o f t h e s i n t e r i n g p r o d u c t 上隨著錳渣含量 的增加而降低 ， 當(dāng)錳渣含量超過(guò) 2 5 時(shí)， 耐彎強(qiáng)度小 于3 0 M P a ， 小 于優(yōu) 質(zhì)瓷磚指 標(biāo)要求 ， 隨后呈現(xiàn)遞減的現(xiàn)象。 2 4 煅燒溫度對(duì)燒結(jié)成品耐折強(qiáng)度的影響 實(shí)驗(yàn)分 別設(shè) 置 馬弗 爐溫 度7 5 0 o C、 8 0 0 、 8 5 0 o C， 分析不 同錳渣含量在各 溫度 區(qū)間燒結(jié)樣 品的抗折強(qiáng)度 ， 如圖 6所示 。 c 。 瑩 驥 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 O 3 5 4 0 錳渣粉含量 圖 6不 I司溫度 F 錳渣粉含量對(duì)燒結(jié)成品 耐折強(qiáng)度的影響 F i g 6 Ef f e c t o f ma n g a n e s e s l a g p o wde r o n f o l d i n g e n d u r a n c e s t r e n gth o f s i n t e r i n g p r o d u c t a t d i f f e r e n t t e mpe r a t u r e 從圖 6可以看 出， 同一溫度下 隨錳渣粉添加 量的增加樣 品的抗 折強(qiáng)度均呈現(xiàn)不 同程度地增 加 ， 8 0 0的抗折強(qiáng)度曲線變化 比較大 ， 特別是錳 渣含量超過(guò) 2 5 時(shí) ， 其抗折強(qiáng)度變化很大； 8 5 0 抗折強(qiáng)度曲線變化較為平緩 ， 在錳渣粉各 含量之 中， 其抗折 強(qiáng)度均大 于2 0 MP a ， 上述數(shù)據(jù)說(shuō) 明樣 品在8 5 0 o C燒結(jié)時(shí) 比在7 5 0 和8 0 0 o C燒結(jié) 時(shí)制 品的抗折強(qiáng)度都要好。 2 5 燒結(jié)氣體介質(zhì)對(duì)產(chǎn)品性能的影響 不同的燒結(jié)氣體直接影響著燒結(jié)產(chǎn)品的質(zhì) ( 下轉(zhuǎn)第 5 7頁(yè)) 們 加 0 B d 越驥 第4期 王文治， 等 使用轉(zhuǎn)矩流變儀評(píng)價(jià) P V C的熔合度( 凝膠化度) 5 7 m o 1 S C I 一P h y s ， 1 9 7 5 ， B 1 1 ( 2 ) ： 2 5 1 2 7 9 4 L o u i s e A n n e F i l l o t ， C a t h e ri n e G a u t h i e r ， K a r i n e Ma s e n e l l i Va r 】 o t U PVC Ge l a t i on Le v e l As s e s s me n t Pa r t 1：Co m p a r i s o n o f D i ff e r e n t T e c h n i q u e s J V i n y 1 A d d i t i v e Te c h no 1 ， 2 0 06： 9 81 0 7 5 M G l i b e r t ， D A H e m s l e y a n d A M i a d o n y e A s s e s s m e n t o f f u s i o n i n P V C J C o m p o u n d s ， P l a s t R u b b e r s P r o c e s s A p p 1 ， 1 9 8 3 ( 3 ) ： 3 4 33 5 1 6 E l v i r a B ， R a b i n o v i t c h ， J a m e s W S u m m e r s P o l y ( V i n y l C h l o ri d e )P r o c e s s i n g Mo r p h o l o g y J V i n y l T E C HN O L 1 9 8 0 ， 2 ， ( 3 ) ： 1 6 51 6 8 7J o l a n t a T o m a s z e w s k a ，T o ma s z S t e r z y n s k i ，K a z i m i e r z P i s z c z e k R i g i d P o l y ( V i n y l C h l o ri d e ) ( P V C) G e l a t i o n i n t h e B r a b e n d e r Me a s u rin g Mi x e r I Eq u i l i b ri u m S t a t e B e t w e e n S l i d i n g ， B r e a k i n g ， a n d G e l a t i o n o f P V C J A p p l i P o l y m S c i ， 2 0 0 4 ( 9 3 ) ： 9 6 6 9 7 1 8J o l a n t a T o m a s z e w s k a ， T o m a s z S t e r z y n s k i ， K a z i m i e r z P i s z c z e k R i g i d P o l y ( v i n y l c h l o ri d e ) ( P V C ) G e l i o n i n t h e B r a b e n d e r Me a s u rin g Mi x e r I I De s c rip t i o n o f P V C G e l a - t i o n i n t h e T o r q u e I n fl e c t i o n P o i n t J A p p l i P o l y m S c i ， 2 0 0 7 ( 1 0 3 ) ： 3 6 8 8 3 6 9 3 9J o l a n t a T o m a s z e w s k a ，T o m a s z S t e r z y n s k i ，K a z i m i e r z P i s z c z e k R i g i d P o l y ( v i n y l c h l o ri d e ) G e l a t i o n i n a B r a b e n d e r Me a s u ri n g Mi x e r I I I T r a n s f o r ma t i o n i n t h e T o r q u e Ma x i mu m， J A p p l i P o l y m S c i ， 2 0 0 7( 1 0 6) ： 31 5831 6 4 1 0 P B e n j a mi n T h e I n f l u n c e o f t h e E x t r u s i o n P r o c e s s o n t h e Q u a l i t y o f U n p l a s t i c i z e d P o l y v i n y l C h l o ri d e ( U P V C) P r e s s u r e P i p e J V i n y l T e c h ， 1 9 8 0 ， 2 ( 4 ) ： 2 5 42 5 8 1 1 V a n s p e y b r o e c k ， P ， D e w i l d e A D e t e rmi n a t i o n o f t h e D e g r e e o f G e l a t i o n o f P V C U U s i n g a D S C C I n ： P r o c P1 a s t i c s Pi pe s XI I ， Ba v e n o， 2 0 04 一 ， - ， ， ， 、 ， 。 、 ， 一 ， 。 ， 一 ， ， 、 ， ， ( 上接 第5 O頁(yè)) 量 ， 實(shí)驗(yàn)通過(guò)選擇氮?dú)狻?空氣作為加熱介質(zhì) ， 分析 不 同燒結(jié)氣體對(duì)不同錳渣粉含量的制品的抗折強(qiáng) 度 的影響 ， 結(jié)果如圖 7所示。 瑩 驃 錳渣粉含量 圖7 不同氣體介質(zhì)中錳渣粉含量對(duì)燒結(jié)成品 耐折強(qiáng)度的影響 Fi g 7 Ef f