钼尾矿基发泡陶瓷墙材的制备及其性能研究

赵威，韩硕，陈明堃

（商洛学院化学工程与现代材料学院/陕西省尾矿资源综合利用重点实验室，陕西商洛 726000）

秦岭和合南北、泽被天下，是我国中央水塔和文化象征。保护秦岭生态环境，对实现中华民族可持续发展意义深远[1-2]。商洛市位于秦岭东南部，自然成矿地形条件得天独厚，矿产资源丰富，已探明矿藏60多种，目前全市有大中型矿床40多处，其中钒、钼、银、铁等20余种矿物含量居全省首位[3-5]。但是常年粗放型开采，导致尾矿成灾。目前全市累计尾矿堆积量超1.72亿吨，每年新增0.2亿吨。而商洛市尾矿综合利用率不足7%[6-7]，导致大量尾矿堆积，易造成水源污染、空气浑浊、生态失衡。2020年3月出台的《防范化解尾矿库安全风险工作方案》[8-9]指出从2020年起，保证紧缺和战略性矿产正常建设开发前提下，原则上全国尾矿库数量只减不增。商洛部分尾矿库已经排满，由于没有新的尾矿排放地，多家矿企停产。因此将尾矿快速消纳、变废为宝，势在必行[10-11]。近年来，随着绿色建筑、循环利用等要求的提出，采用尾矿为原料制备陶粒[12-13]、透水砖[14-15]、加气混凝土[16]、发泡陶瓷[17-18]、微晶玻璃[19-20]等新型建筑材料已成为研究热点。本文采用商洛市某县大量堆积的钼尾矿为原料制备高附加值钼尾矿基发泡陶瓷墙体材料，研究原料配方、发泡剂含量和烧结温度对钼尾矿基发泡陶瓷墙材性能的影响，有望为钼尾矿综合利用提供新途径。

1 材料与方法

1.1 原料

以商洛市某县钼尾矿为主要原料，加入钾钠石粉、粘土为辅助原料制备发泡陶瓷墙体材料。三种原料的具体化学组成采用X射线荧光光谱分析仪测定，如表1所示。

表1 钼尾矿、钾钠石粉、粘土的化学组成

1.2 样品制备

将钼尾矿、钾钠石粉、粘土烘干后分别放入制样粉碎机中粉碎90 s，过200目筛备用。然后将各粉料和发泡剂SiC按比例称量，再按料：球=1：2的比例放入球磨罐中，行星球磨40 min。最后将搅拌均匀的粉末取出，再装入坩埚，震荡均匀，放入马弗炉高温烧成制得钼尾矿基发泡陶瓷墙体材料。具体试验流程图见图1所示。

图1 钼尾矿基发泡陶瓷墙体材料制备流程图

1.3 发泡陶瓷墙材的性能表征

根据阿基米德排水法测试发泡陶瓷试样的体积密度。采用we-600b型万能试验机检测试样的抗压强度，每组重复6次，结果取平均值。根据国标GB/T 30100-2013建筑墙板要求测试发泡陶瓷的吸水率。采用佳能相机拍摄断口形貌。

2 结果与讨论

2.1 原料配比对发泡陶瓷墙材性能的影响

根据三种原料（钼尾矿、钾钠石粉和粘土）的化学组成，设计四组不同配方，如表2所示。

表2 原料成分的配方

在表2四组配方中分别加入相同含量的0.4%发泡剂SiC，以8℃/min的升温速度从室温升温到800℃，保温60 min，再以3℃/min的升温速度升温至1150℃，保温时间30 min，得到发泡陶瓷墙材的宏观形貌如图2所示。

从图2中可以看出，配方1和配方2中，钼尾矿含量为50%和60%时发泡陶瓷试样气孔大小不均匀。钼尾矿含量为80%时，发泡陶瓷试样平均孔径相对较小，但均匀性较好。当钼尾矿含量分别为70%时，制备的发泡陶瓷试样平均孔径约0.8 mm，大小适宜且分布均匀。

图2 不同原料配比烧制的泡沫陶瓷宏观形貌图

表3为四组不同配方制备发泡陶瓷试样的性能。从表3中可以看出，发泡陶瓷试样的体积密度和抗压强度随着钼尾矿含量的增加而增加，吸水率随着钼尾矿含量的增加先增加后减小。配方4钼尾矿含量为80%时制得发泡陶瓷试样的体积密度过大，不满足轻质（体积密度＜0.7 g/cm3）的要求。而配方1钼尾矿含量为50%时制得发泡陶瓷试样的抗压强度过低，不满足高强（抗压强度＞5 MPa）的要求。配方2制备发泡陶瓷试样的体积密度略低于配方3，但配方3制备发泡陶瓷的抗压强度明显高于配方2。因此选择配方3为制备泡沫陶瓷的最优配方。

表3 不同原料配比泡沫陶瓷密度、吸水率和抗压强度

2.2 发泡剂含量对发泡陶瓷墙材性能的影响

影响发泡陶瓷墙材的性能的因素很多，其中发泡剂含量就是最重要因素之一。本研究选择0.2%，0.4%，0.6%，0.8%四组不同含量发泡剂（SiC），基于表3中配方3基础上研究发泡剂含量对发泡陶瓷试样性能的影响。四组不同含量发泡剂烧制发泡陶瓷试样的宏观形貌如图3所示。

图3 不同含量发泡剂烧制发泡陶瓷试样宏观形貌

从图3中可以看出，不同含量发泡剂制备的发泡陶瓷试样孔径大小不一，随着发泡剂含量的增加平均孔径也增大。0.2%含量发泡剂制得的发泡陶瓷如图4（a），平均孔径约0.2 mm，气孔率较低，这是由于发泡剂含量过少造成的发泡不充分的原因。而发泡剂含量为0.6%和0.8%制得的发泡陶瓷的平均孔径过大，且气孔分布不均匀。0.4%发泡剂制得的发泡陶瓷气孔平均孔径0.8 mm，大小适宜且分布均匀。

表4为不同含量发泡剂制备发泡陶瓷性。从表4中可以看出，随着发泡剂含量的增加，发泡陶瓷试样的体积密度由0.78 g/cm3降到0.43 g/cm3，抗压强度也随之减小，吸水率不断升高。0.2%发泡剂制得发泡陶瓷的体积密度较大，不满足轻质要求。0.6%和0.8%发泡剂制得发泡陶瓷的抗压强度低于5 MPa，不满足高强要求。0.4%发泡剂制得发泡陶瓷的抗压强度为6.25 MPa，体积密度0.67 g/cm3，孔径大小适宜且分布均匀。综合考虑，选择0.4%发泡剂为制备该发泡陶瓷墙材的最佳添加量。

表4 不同含量发泡剂制备发泡陶瓷的体积密度、吸水率和抗压强度

2.3 升温速率对发泡陶瓷墙材性能的影响

升温速率的快慢直接影响泡沫陶瓷的气孔率和孔径大小，所以设三种不同升温速率研究升温速率对发泡陶瓷墙材性能的影响。低温段从室温升温到800℃，均采用8℃/min的升温速率，保温20 min；然后进入高温段，分别以1，3，5℃/min的升温速率升温到1150℃，保温30 min制得钼尾矿基发泡陶瓷墙体材料试样，其宏观形貌如图4所示。

从图4中可以看出，随着升温速率的提高，烧制的发泡陶瓷试样平均孔径减小，气孔率降低。1℃/min的升温速率由于速率过慢，发泡陶瓷试样高温停留时间长，导致发泡剂产生高温气体较多，试样平均孔径较大，部分涨破形成连通孔，孔径分布不均匀。5℃/min的升温速率由于升温速率过快，导致发泡剂未得到充分反应，产生高温气体较少，气孔分布虽均匀，但是平均孔径过小，不满足轻质要求。而3℃/min的升温速率制得的发泡陶瓷试样平均孔径适宜，且气孔分布均匀。

图4 不同升温速率制得发泡陶瓷试样宏观形貌

从表5不同升温速率制备发泡陶瓷试样性能可以看出，随着升温速率的增大，发泡陶瓷试样的吸水率是逐渐降低的，但密度和抗压强度是逐渐增大的。这是因为升温速率越快，发泡陶瓷试样在高温停留时间越短，发泡剂反应越不充分，导致产生高温气体越少。结合图4宏观形貌图综合分析，选择3℃/min的升温速率为制备该发泡陶瓷墙材的较优升温速率。

表5 不同升温速率制备发泡陶瓷试样的体积密度、吸水率和抗压强度

2.4 烧结温度对发泡陶瓷性能的影响

发泡陶瓷的孔径大小、气孔均匀性跟烧结温度关系密切。本研究分别设计1130，1140，1150，1160℃四组烧成温度。研究烧结温度对发泡陶瓷墙材性能的影响。

图5为不同烧结温度烧制发泡陶瓷试样的宏观形貌图。从图5中可以看出，随着烧结温度的升高，发泡陶瓷试样的平均孔径逐渐增大。1130℃和1140℃烧制的发泡陶瓷试样，平均孔径相对较小，气孔率较低，不满足轻质要求。当烧结温度升至1160℃时，发泡陶瓷试样的平均孔径约1.8 mm，气孔率过高，抗压强度较低。而烧结温度在1150℃制备的发泡陶瓷孔径大小适宜，且分布均匀，相比其他三种烧结温度，烧结温度为1150℃时更适合烧制该发泡陶瓷墙材。

图5 不同烧结温度烧制发泡陶瓷试样的宏观形貌

从表6不同烧结温度烧制发泡陶瓷试样测试结果可以看出，随着最终烧结温度的升高，发泡陶瓷的体积密度和抗压强度逐渐降低，吸水率随烧结温度的升高逐渐升高。1130℃和1140℃烧制的发泡陶瓷试样，虽然抗压强度较大，但体积密度也很大，不满足轻质要求。1160℃烧制的发泡陶瓷试样的平均孔径较大，气孔率过高，体积密度较低，同时抗压强度较低，不满足高强要求。而1150℃时的表面孔径大小合适且均匀，既满足轻质要求又满足高强要求。故选择1150℃作为该钼尾矿基发泡陶瓷墙材的最终烧结温度。最终制得的发泡陶瓷的平均孔径约0.8 mm，抗压强度为6.25 MPa，体积密度为0.67 g/cm3，吸水率为8.7%，导热系数为0.13 W/(m·K)的发泡陶瓷墙体材料。

表6 不同烧结温度烧制发泡陶瓷体积密度、吸水率和抗压强度

3 结论

本文以商洛市某县钼尾矿为主要原料，加入钾钠石粉、粘土为辅助原料烧制钼尾矿基发泡陶瓷墙体材料，其最佳原料配方为钼尾矿70%、钾钠石粉20%、粘土10%。发泡剂SiC的最佳添加量为0.4%，高温段最佳升温速率为3℃/min，最佳烧结温度为1150℃。在此基础上制得发泡陶瓷墙材试样的抗压强度为6.25 MPa，体积密度为0.67 g/cm3，吸水率为8.7%，导热系数为0.13 W/(m·K)。本研究可为商洛钼尾矿综合利用提供可行途径。