高紅外發(fā)射率的堇青石-尖晶石陶瓷材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于陶瓷材料制備技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)及高紅外發(fā)射率的堇青石-尖晶石陶 瓷材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 粉煤灰是燃煤電廠排出的主要固體廢物。隨著電力工業(yè)的發(fā)展，燃煤電廠的粉煤 灰排放量逐年增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，通常每消耗4噸煤，就會(huì)產(chǎn)生1噸粉煤灰。2010年，中國(guó)煤炭 消費(fèi)量超過(guò)40億噸，其中電力行業(yè)耗煤占到一半W上。保守估計(jì)，該年中國(guó)粉煤灰的產(chǎn)量 達(dá)到了 4. 80億噸，運(yùn)相當(dāng)于目前中國(guó)城市生活垃圾總量的2倍多。2011年，中國(guó)粉煤灰 產(chǎn)量達(dá)到4. 98億噸，同比增長(zhǎng)3. 75% ;2012年，中國(guó)粉煤灰產(chǎn)量達(dá)到5. 20億噸，同比增長(zhǎng) 4. 12% ;2013年，中國(guó)粉煤灰產(chǎn)量達(dá)到5. 32億噸，同比增長(zhǎng)2. 31 %。目前，粉煤灰是我國(guó)當(dāng) 前排量較大的工業(yè)廢渣之一。
[0003] 大量的粉煤灰不加處理，就會(huì)產(chǎn)生揚(yáng)塵，污染大氣；若排入水系會(huì)造成河流渺塞， 而其中還包括可能導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)損傷、出生缺陷甚至癌癥的重金屬。據(jù)估計(jì)，中國(guó)每年約有 共2. 5萬(wàn)噸的儒、銘、神、隸和鉛運(yùn)五種國(guó)家重點(diǎn)監(jiān)控的重金屬，隨粉煤灰的排放進(jìn)入到自 然環(huán)境中。逐年堆放的工業(yè)廢物粉煤灰對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重污染，已成為制約我國(guó)電力事業(yè) 可持續(xù)發(fā)展的主要因素。因此，如何解決粉煤灰的無(wú)害化處理和資源化利用已成了一大難 題。
[0004] 目前，國(guó)家每年都投入了大量的人力財(cái)力來(lái)維護(hù)工業(yè)廢渣粉煤灰，并將粉煤灰綜 合利用技術(shù)列為重點(diǎn)推廣應(yīng)用的十項(xiàng)新技術(shù)之一。作為一種資源，粉煤灰已被用于水泥的 混合材、路基、墻板、燒結(jié)磚等，但粉煤灰的利用方面還存在的很大問(wèn)題，那就是粉煤灰綜合 利用率低、利用渠道狹窄，僅局限于生產(chǎn)建材產(chǎn)品和回填，利用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于產(chǎn)生量，庫(kù)存不 斷增加。通常，人們普遍認(rèn)為的中國(guó)粉煤灰綜合回收利用率能達(dá)到60%W上，但實(shí)際利用率 可能還不到40%。針對(duì)上述問(wèn)題，加強(qiáng)工業(yè)廢渣粉煤灰資源化、生態(tài)化、高附加值化研究，實(shí) 現(xiàn)粉煤灰的有效回收與綜合資源化利用，減少對(duì)環(huán)境的污染，已是面臨的急不可待之事。 陽(yáng)0化]紅外福射陶瓷是應(yīng)用廣泛的一類特殊的陶瓷材料，它能夠福射出遠(yuǎn)波長(zhǎng)的紅外線 光波材料。而遠(yuǎn)紅外線作為一種電磁波，存在著強(qiáng)烈的熱福射效應(yīng)，能夠促進(jìn)物質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部 的熱運(yùn)動(dòng)。它被廣泛地用于熱量的傳遞方式或者作為熱源使用，與其他形式的熱源比較， 運(yùn)種熱源具有加熱快、節(jié)約燃料、質(zhì)量好等獨(dú)特性能，從而受到人們的廣泛重視。通過(guò)研究 發(fā)現(xiàn)，對(duì)于8~12ym波長(zhǎng)范圍的遠(yuǎn)紅外線，人體極其敏感，因?yàn)樵摬ǘ蔚倪h(yuǎn)紅外線能夠改 進(jìn)人體微循環(huán)，激勵(lì)細(xì)胞組織的活力，增強(qiáng)免疫力等，當(dāng)被人體吸收后，具有保健功能，對(duì)人 體的多種疾病具有十分優(yōu)越的治療效果。因此，紅外福射陶瓷廣泛應(yīng)用于人體健康、運(yùn)動(dòng)康 復(fù)、空氣凈化、節(jié)約燃料等諸多領(lǐng)域，其市場(chǎng)需求量大。目前研究的最為普遍的紅外福射陶 瓷材料為堇青石（Mg2Al4Si扣18)陶瓷材料，因其紅外福射率較高，熱膨脹系數(shù)較低，W及分解 溫度較高。同時(shí)，具有良好的抗熱震性、比較穩(wěn)定的物理化學(xué)性能、較高的介電常數(shù)和良好 的耐高溫等特征。然而，由于純堇青石燒結(jié)范圍窄，僅25°C，僅在其烙點(diǎn)（145(rC)非常窄 的范圍內(nèi)才能燒結(jié)，用傳統(tǒng)方法如不采用偏離堇青石組成或添加燒結(jié)助劑，很難獲得致密 的純相堇青石陶瓷；另外，目前大多數(shù)的研究均是采用傳統(tǒng)的原料組成即高嶺±-滑石-氧 化侶、或者是用化學(xué)純的系列氧化物制備堇青石，不僅生產(chǎn)成本高，且燒成溫度也較高（一 般為1350~1400°C)，因而極大地限制了其產(chǎn)量和優(yōu)良性能的發(fā)揮。
[0006] 儀侶尖晶石是儀侶氧化物組成的礦物，其化學(xué)式為MgAl2〇4,儀侶尖晶石是烙點(diǎn)、熱 膨脹、硬度等性能都較優(yōu)良的材料，其熱膨脹系數(shù)小，介電常數(shù)低，具有良好的紅外福射性 能和電絕緣性能。將儀侶尖晶石相與堇青石相復(fù)合來(lái)制備堇青石-尖晶石復(fù)相陶瓷紅外材 料，其制備工藝簡(jiǎn)單，燒結(jié)溫度低，且溫度范圍容易控制，極大地提高了紅外福射陶瓷的產(chǎn) 量。
[0007] 近年來(lái)，隨著高嶺±等陶瓷原料資源逐漸匿乏，利用工業(yè)廢渣或新原料制備高性 能材料的研究已成為發(fā)展趨勢(shì)，運(yùn)不僅有利于環(huán)境保護(hù)，符合國(guó)家的發(fā)展戰(zhàn)略要求，同時(shí)也 是新型環(huán)保陶瓷材料的發(fā)展方向，符合我國(guó)建立資源、能源節(jié)約型社會(huì)的迫切要求。工業(yè)廢 渣粉煤灰的來(lái)源豐富，利用粉煤灰資源制備紅外福射陶瓷材料，不僅能夠大大降低生產(chǎn)成 本、避免緊缺陶瓷原料資源的匿乏，而且可W充分利用±地資源，對(duì)紅外陶瓷材料的發(fā)展W 及環(huán)境保護(hù)均有著重要的實(shí)際價(jià)值。傳統(tǒng)的陶瓷制品原料復(fù)雜，大多都在四種W上，有的甚 至多達(dá)十幾種，成本高，制備后成品品質(zhì)不穩(wěn)定。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 發(fā)明目的：本發(fā)明的目的在于提供高紅外發(fā)射率的堇青石-尖晶石陶瓷材料，性 能優(yōu)良，應(yīng)用廣泛；本發(fā)明的另一目的在于提供該材料的制備方法，該方法充分利用粉煤 灰，無(wú)二次污染，能實(shí)現(xiàn)工業(yè)廢棄物的資源化利用。
[0009] 技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0010] 高紅外發(fā)射率的堇青石-尖晶石陶瓷材料，其由W下質(zhì)量百分比的原料得到：粉 煤灰25~80%、氧化儀10~25%和氧化侶10~55%。
[0011] 所述的粉煤灰粉體細(xì)度不大于30ym。
[0012] 高紅外發(fā)射率的堇青石-尖晶石陶瓷材料在1~22ym波段的紅外發(fā)射率均 > 0.86,3~5ym波段的紅外發(fā)射率均> 0.70,室溫~1000°C的平均熱膨脹系數(shù)為 2. 83X10V°C~5. 25X10 *V°C，吸水率< 6%，體積密度為 2. 394 ~2. 566g/cm3。
[0013] 制備高紅外發(fā)射率的堇青石-尖晶石陶瓷材料的方法，包含W下步驟：
[0014] 1)粉煤灰經(jīng)烘干、球磨處理后獲得細(xì)度不大于30ym的粉料，粉煤灰、工業(yè)氧化 儀、氧化侶分別按比例混合，攬拌均勻形成混合料；
[0015] 2)將混合料放進(jìn)球磨罐中娠磨，磨好后，將原料倒入燒杯中，得到球磨過(guò)的濕料 子；
[0016] 3)將球磨過(guò)的濕料子放在烘箱中烘干，得到烘干的原料；
[0017] 4)將烘干的原料取出，倒入研鉢中進(jìn)行研磨，并加入PVA溶液造粒，其中烘干的原 料與PVA溶液的質(zhì)量比為15:1~20:1，研磨20~40min，得到粒料；
[001引 W取lOg的粒料，倒入磨具，搖勻，蓋上蓋子，再將磨具放入壓片機(jī)壓化壓力5~ lOMPa，壓制5~lOmin后脫模取出冷巧體；
[0019] 6)將制備的冷巧體放入高溫爐，先升溫到700~800°C保溫1~化充分排膠，再 繼續(xù)升溫至1230~1350°C后，保溫時(shí)間為1~化，整個(gè)過(guò)程的升溫速率為5°C/min,即獲 得高紅外發(fā)射率堇青石-尖晶石陶瓷材料；
[0020] 7)待產(chǎn)品隨爐冷卻后取出，將高紅外發(fā)射率堇青石-尖晶石陶瓷材料進(jìn)行相關(guān)性 能的測(cè)試。
[0021] 步驟2)中，將所述的混合料放進(jìn)球磨罐中，加入瑪瑤球，瑪瑤球與混合料的質(zhì)量 比為15:1~20:1，并加入乙醇使混合料成稀泥狀，然后放在行星球磨機(jī)上W300~50化/ min的轉(zhuǎn)速球磨6~化，每磨比，停20min冷卻；磨好后，將原料倒入燒杯中，并用蒸饋水洗 球磨罐和球5遍，清洗液也倒進(jìn)燒杯中，得到球磨過(guò)的濕料子。
[0022] 步驟3)中，所述的烘箱溫度在80°C，烘干時(shí)間72h。
[0023] 步驟4)中，所述的PVA溶液的質(zhì)量濃度為4 % -6 %。
[0024] 發(fā)明原理：晶相分為主晶相和次晶化主晶相是陶瓷材料的主體，它可W由單相多 晶組成，也可W由多相多晶組成。因?yàn)楸旧暾?qǐng)為粉煤灰制備堇青石-尖晶石陶瓷，而粉煤灰 中不僅含有與堇青石和尖晶石相同的元素成分，還含有微量的其他元素，如化、Ca、S之類 的，相當(dāng)于有少量雜質(zhì)，所W本申請(qǐng)高紅外發(fā)射率的堇青石-尖晶石陶瓷材料主要晶相是 堇青石和尖晶石。 陽(yáng)0巧]由于堇青石的化學(xué)式為2Mg0 ? 2A12化? 5Si化，堇青石基本構(gòu)造單元為娃氧四面體 和侶氧四面體相互關(guān)聯(lián)組成的六方環(huán)，六方環(huán)沿C軸排列，上下兩個(gè)環(huán)錯(cuò)動(dòng)排列，環(huán)與環(huán)之 間由A13+和Mg2+形成的多面體連接，為了保持電價(jià)平衡，要