CN103979936B - 一种铁尾矿远红外陶瓷材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种铁尾矿远红外陶瓷材料及其制备方法。该陶瓷材料的特征在于其重量百分比组成为：铁尾矿35～75%、粘土1～9%、二氧化硅11～25%、碳酸钙11～25%和氧化铝2～6%，各组分之和为100%；所述铁尾矿主要成分为：SiO2 30～35%、Fe2O3 20～25%、Al2O3 10～15%、TiO2 10～15%及少量的CaO、Na2O和MgO，各组分之和为100%；经XRD表征，所述陶瓷材料的主要成分为钙长石、透辉石和钛板铁矿。该制备方法主要以铁尾矿、粘土、二氧化硅、碳酸钙和氧化铝为原料，经球磨、过筛、配料、搅拌、干燥、混合、干压成型、烧结后，即制得铁尾矿远红外陶瓷材料。
Description
技术领域
本发明属于陶瓷技术领域，具体涉及一种铁尾矿远红外陶瓷材料及其制备方法。
背景技术
钢铁工业的迅速发展，使得铁矿石尾矿在工业固体废弃物中占的比例也越来越大。据不完全统计，目前我国发现的矿产有150多种，开发建立了8000多座矿山，累计生产尾矿59.7亿吨，其中堆存的铁尾矿量占全部尾矿堆存总量的近1/3。铁尾矿处理不当，给自然生态和人类社会带来巨大的危害，其主要危害包括下面几个方面：(1)巨大的堆放量占用大量耕地，覆盖了大量植被，加剧了人多地少的矛盾：(2)由于受到技术水平、装备性能和经济条件等因素的限制，导致了资源的严重浪费；(3)长期堆放尾矿，成为潜在的地质灾害源；(4)干旱季节易形成沙尘暴，对周边地区生态环境造成严重影响；(5)对自然景观和旅游资源的破坏，抑制了地方经济的发展。
上世纪80年代高辐射红外陶瓷材料在国外得到了蓬勃发展。日本高岛广夫、高田弘一等人采用Fe2O3、MnO2、CuO、CoO等过渡金属氧化物为原料，制成法向全波段辐射率大于0.90的高辐射红外陶瓷材料；美国ParkerHolding公司在其申请的专利文献中称，采用了AB2O4型无机化合物作为红外辐射材料组成，其中A主要由Mg、Zn、Mn、Ni、Co等构成，B主要为Al、Cr、Mn、Fe等。远红外陶瓷经20多种无机化合物及微量金属或特定的天然矿石分别以不同的比例烧结而成，其生产对非可再生资源的依赖性较大。对优质资源的过分利用，加速了资源的过快枯竭，增加了远红外陶瓷的生产成本。
铁尾矿是一种复合矿物原料，除含有少量金属外，还含有石英、辉石、长石、角闪石等。其化学成分主要含SiO2，Al2O3，Fe2O3，CaO，MgO等，还含有少量K2O，Na2O以及S，P等元素。而以石英、长石、硬质高岭土为主要原料烧制成的陶瓷具有发射远红外线的作用。CN1887796A公开了利用铁矿石尾矿制备Si3N4/TiN复相导电陶瓷材料的方法，第一步利用铁尾矿与碳黑合成Si3N4粉末，第二步制备Si3N4/TiN复相导电材料，此方法的不足之处是制备工序复杂，制备周期过长，且铁尾矿中原有的Al2O3、Fe2O3等有用成分得不到充分利用；CN102417368A介绍了一种利用高硅铁尾矿制作的泡沫陶瓷及其制作方法，其配方组成中除铁尾矿外，还添加了粉煤灰、煤矸石、粘土、长石、页岩、蛭石以及珍珠岩，生产成本高，不利于工业化生产。
从以上公开的信息可知，利用铁尾矿制备陶瓷，无论是在制备工序，还是配方组成方面，都存在一定的不足。目前，就申请人所知，国内外尚无铁尾矿在远红外陶瓷制备方面的报道，而远红外陶瓷的制备又亟需开发一种低成本，高效率的材料。
发明内容
本发明是为了解决现有技术中铁尾矿材料的利用率低以及红外辐射陶瓷的制备方面存在明显不足，而提出的一种铁尾矿远红外陶瓷材料及其制备方法。目的在于充分利用废弃尾矿、提高资源利用率、降低远红外陶瓷生产成本。该方法工艺简单，使用设备少，成本低廉。
本发明解决所述陶瓷材料技术问题采取的技术方案是：设计一种铁尾矿远红外陶瓷材料，其特征在于该材料的重量百分比组成为：铁尾矿35～75％、粘土1～9％、二氧化硅11～25％、碳酸钙11～25％和氧化铝2～6％，各组分之和为100％；所述铁尾矿主要成分为：SiO230～35％、Fe2O320～25％、Al2O310～15％、TiO210～15％及少量的CaO、Na2O和MgO，各组分之和为100％；经XRD表征，所述陶瓷材料的主要成分为钙长石、透辉石和钛板铁矿。
本发明解决所述制备方法技术问题采取的技术方案是：设计一种铁尾矿远红外陶瓷材料的制备方法，该制备方法采用本发明所述铁尾矿远红外陶瓷材料的重量百分比组成和以下工艺步骤：
A、将铁尾矿放入球磨机中球磨30～120min，球磨后过350目筛，获得铁尾矿粉体；
B、取重量35～75％步骤A中得到的铁尾矿粉体，再添加重量为1～9％的粘土、11～25％的二氧化硅、11～25％的碳酸钙和2～6％的氧化铝，以及上述原料重量15～30％的水，混合并持续搅拌30～90min；
C、将步骤B中的混合物于100～120℃条件下，烘干1～2h；
D、将步骤C中烘干后的混料经混合球磨60～90min后，过筛；
E、将步骤D中的混料压制成型，制得陶瓷坯体，再将坯体放入烧结炉中烧结，最终制得铁尾矿远红外陶瓷材料。
本发明基于充分发挥铁尾矿中有效成分的作用，同时降低远红外陶瓷的工业化生产成本，设计将废弃铁尾矿替换传统陶瓷原料成分，通过改善原料组成配方和烧结工艺，来制备一种铁尾矿远红外陶瓷材料。该远红外陶瓷材料以铁尾矿替代传统远红外陶瓷矿物原料，降低了生产对优质矿物资源的依赖，提高了资源的利用效率，减少了固体废物的排放，大大降低了陶瓷制品的生产成本，并适于工业化应用；由于铁尾矿中硅、铁和铝的成分较多，有助于和其他碱土金属形成固溶体，利于颗粒之间的相互靠拢，加速陶瓷烧结的致密化程度，节省了粘土成分的使用，降低了陶瓷生产成本；与现有技术相比，本发明所述远红外陶瓷材料利用废弃铁尾矿中有效的氧化物成分，经过烧结后的陶瓷材料可辐射高发射率的远红外线，在8～14μm处的红外发射率最高可达0.93(参见实施例4)。本发明制备方法工艺简单，使用设备少，成本低廉，适于工业化应用。
附图说明
图1为本发明实施例4制得的铁尾矿远红外陶瓷材料烧结后的XRD图。
图2为本发明实施例4制得的铁尾矿远红外陶瓷材料烧结后的显微照片图。
图3为本发明实施例4制得的铁尾矿远红外陶瓷材料烧结后的红外发射图。
具体实施方式
以下结合实施例及附图进一步叙述本发明：
本发明设计的一种铁尾矿远红外陶瓷材料(简称陶瓷材料，参见图1-3)，其特征在于该材料的重量百分比组成为：铁尾矿35～75％、粘土1～9％、二氧化硅11～25％、碳酸钙11～25％和氧化铝2～6％，各组分之和为100％；所述铁尾矿主要成分为：SiO230～35％、Fe2O320～25％、Al2O310～15％、TiO210～15％及少量的CaO、Na2O和MgO，各组分之和为100％；经XRD表征，所述陶瓷材料的主要成分为钙长石、透辉石和钛板铁矿。
本发明主要以铁尾矿、粘土、二氧化硅、碳酸钙和氧化铝为原料，经球磨、过筛、配料、搅拌、干燥、混合、干压成型、烧结后，即制得铁尾矿远红外陶瓷材料。具体说，本发明制备方法采用本发明所述铁尾矿远红外陶瓷材料的重量百分比组成和以下工艺步骤：
A、先将铁尾矿放入球磨机中球磨30～120min，球磨后过350目筛，制得铁尾矿粉体；
B、取重量35～75％步骤A中得到的铁尾矿粉体，再添加重量百分比为1～9％的粘土、11～25％的二氧化硅、11～25％的碳酸钙、2～6％的氧化铝，以及上述原料重量15～30％的水，混合并持续搅拌30～90min；
C、将步骤B中的混合物于100～120℃条件下烘干1～2h；
D、将步骤C中烘干后的混料经混合球磨60～90min，过筛；
E、将步骤D中的混料压制成型，即制得陶瓷坯体，再将坯体放入烧结炉中烧结，最终制得本发明铁尾矿远红外陶瓷材料。
本发明制备方法的进一步特征是，所述步骤D中混合球磨后过120目筛。
本发明制备方法的进一步特征是，所述步骤E中混料压制成型的成型压力为25～30MPa，并保压1～2min。
本发明制备方法的进一步特征是，所述烧结工艺为：第一阶段：室温～900℃，升温速率为2～5℃/min；第二阶段为：900℃保温30min；第三阶段为：900℃～烧结温度，升温速率为2～10℃/min；第四阶段为：烧结温度1100～1200℃，保温30～120min；第五阶段为：随炉冷却至室温。
公知的远红外在人体保健方面的功效如下：
1.热效应：介入能量，加速血液循环和物质代谢过程。
2.抑菌作用：增强网状内皮组织吞噬能力，提高人体免疫力。
3.共振效应：深层组织的热传导，活跃各化合物分子间的电子流活动。
本发明由于在原材料的选择、配比以及制备工艺方面采用了以上的技术方案，使得烧结后的远红外陶瓷在8～14μm处具有较高的红外发射率，而这一波段范围的红外光子能量与人体辐射波长(9.35μm)相匹配，能够使人体皮肤产生共振吸收,并转化为热量,向人体内部传输,使血液流速加快,局部血液循环和微循环得到改善，从而增强肌体细胞的活力,使代谢旺盛。
以下给出具体实施例来进一步说明。
实施例1
设计一种铁尾矿制备远红外陶瓷的制备方法，该制备方法采用以下工艺：
A、先将铁尾矿放入球磨机中球磨30min，球磨后过350目筛，获得铁尾矿粉体；
B、取重量35％的步骤A中得到的铁尾矿粉体，再添加重量百分比为9％的粘土、25％的二氧化硅、25％的碳酸钙、6％的氧化铝，以及上述原料重量15％的水，混合并持续搅拌30min；
C、将步骤B中的混合物于100℃条件下烘干1h；
D、将步骤C中烘干后的混料经球磨混合60min后，过120目筛；
E、将步骤D中的混料在成型压力为30MPa，保压1.5min条件下，压制成型制得陶瓷坯体，将坯体放入烧结炉中烧结，最终制得铁尾矿远红外陶瓷。
上述铁尾矿远红外陶瓷的制备方法，其烧结工艺为：第一阶段：室温～900℃，升温速率为5℃/min；第二阶段为：900℃，保温30min；第三阶段为：900～1200℃，升温速率为10℃/min；第四阶段为：1200℃，保温30min；第五阶段为：随炉冷却至室温。
本实施例制备方法制得的铁尾矿远红外陶瓷材料，在8～14μm处的红外辐射率为0.80。
实施例2
设计一种铁尾矿制备远红外陶瓷的制备方法，该制备方法采用以下工艺：
A、先将铁尾矿放入球磨机中球磨60min，球磨后过350目筛，获得铁尾矿粉体；
B、取重量45％的步骤A中得到的铁尾矿粉体，再添加重量百分比为7％的粘土、22％的二氧化硅、22％的碳酸钙、4％的氧化铝，以及上述原料重量20％的水，混合并持续搅拌50min；
C、将步骤B中的混合物于105℃条件下烘干1h；
D、将步骤C中烘干后的混料经球磨混合70min后，过120目筛；
E、将步骤D中的混料在成型压力为30MPa，保压1min条件下，压制成型制得陶瓷坯体，将坯体放入烧结炉中烧结，最终制得铁尾矿远红外陶瓷。
上述铁尾矿制备远红外陶瓷的制备方法，其烧结工艺为：第一阶段：室温～900℃，升温速率为4℃/min；第二阶段为：900℃，保温30min；第二阶段为：900～1180℃，升温速率为8℃/min；第三阶段为：1180℃，保温60min；第四阶段为：随炉冷却至室温。
本实施例制备方法制得的铁尾矿远红外陶瓷材料，在8～14μm处的红外辐射率为0.83。
实施例3
设计一种铁尾矿制备远红外陶瓷的制备方法，该制备方法采用以下工艺：
A、先将原料中的铁尾矿放入球磨机中球磨90min，球磨后过350目筛，获得铁尾矿粉体；
B、取重量百分比为55％的步骤A中得到的铁尾矿粉体，再添加重量百分比为4％的粘土、18％的二氧化硅、18％的碳酸钙、5％的氧化铝，以及上述原料重量25％的水，混合并持续搅拌70min；
C、将步骤B中的混合物于110℃条件下烘干2h；
D、将步骤C中烘干后的混料经球磨混合80min后，过120目筛；
E、将步骤D中的混料在成型压力为28MPa，保压1min条件下，压制成型制得陶瓷坯体，将坯体放入烧结炉中烧结，最终制得铁尾矿远红外陶瓷。
上述铁尾矿制备远红外陶瓷的制备方法，其烧结工艺为：第一阶段：室温～900℃，升温速率为3℃/min；第三阶段为：900℃，保温30min；第三阶段为：900～1130℃，升温速率为5℃/min；第四阶段为：1130℃，保温90min；第五阶段为：随炉冷却至室温。
本实施例制备方法制得的铁尾矿远红外陶瓷材料，在8～14μm的红外辐射率为0.88。
实施例4
设计一种铁尾矿制备远红外陶瓷的制备方法，该制备方法采用以下工艺：
A、先将原料中的铁尾矿放入球磨机中球磨120min，球磨后过350目筛，获得铁尾矿粉体；
B、取重量百分比为75％的步骤A中得到的铁尾矿粉体，再添加重量百分比为1％的粘土、11％的二氧化硅、11％的碳酸钙、2％的氧化铝，以及上述原料重量30％的水，混合并持续搅拌90min；
C、将步骤B中的混合物于120℃条件下烘干2h；
D、将步骤C中烘干后的混料经球磨混合90min后，过120目筛；
E、将步骤D中的混料在成型压力为25MPa，保压2min条件下，压制成型制得陶瓷坯体，再将坯体放入烧结炉中烧结，最终制得铁尾矿远红外陶瓷。
上述铁尾矿制备远红外陶瓷的制备方法，其烧结工艺为：第一阶段：室温～900℃，升温速率为2℃/min；第二阶段为：900℃，保温30min；第三阶段为：900～1100℃，升温速率为2℃/min；第四阶段为：1100℃，保温120min；第五阶段为：随炉冷却至室温。
本实施例制备方法制得的铁尾矿远红外陶瓷材料，在8～14μm处的红外辐射率为0.93。
Claims (5)
1.一种铁尾矿远红外陶瓷材料，其特征在于该材料的重量百分比组成为：铁尾矿35～75%、粘土1～9%、二氧化硅11～25%、碳酸钙11～25%和氧化铝2～6%，各组分之和为100%；所述铁尾矿主要成分为： SiO230～35%、 Fe2O320～25%、 Al2O310～15%、 TiO210～15%及少量的CaO、 Na2O和MgO，各组分之和为100%；经XRD表征，所述陶瓷材料的主要成分为钙长石、透辉石和钛板铁矿。
2.一种权利要求1所述铁尾矿远红外陶瓷材料的制备方法，该制备方法包含以下工艺步骤：A、将铁尾矿放入球磨机中球磨30～120min，球磨后过350目筛；B、取重量35～75%步骤A中得到的铁尾矿粉体，再添加重量为1～9%的粘土、11～25%的二氧化硅、11～25%的碳酸钙和2～6%的氧化铝，以及所述混料重量15～30%的水，混合并持续搅拌30～90min；C、将步骤B中的混合物于100～120℃条件下，烘干1～2h；D、将步骤C中烘干后的混料经混合球磨60～90min后，过筛；E、将步骤D中的混料压制成型，制得陶瓷坯体，再将陶瓷坯体放入烧结炉中烧结，即制得铁尾矿远红外陶瓷材料。
3.根据权利要求2所述铁尾矿远红外陶瓷材料的制备方法，其特征在于：步骤D中混合球磨后，过120目筛。
4.根据权利要求2所述铁尾矿远红外陶瓷材料的制备方法，其特征在于：步骤E中混料压制成型的成型压力为25～30MPa，并保压1～2min。
5.根据权利要求2所述铁尾矿远红外陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述的陶瓷坯体烧结工艺为：第一阶段：室温～900℃，升温速率为2～5℃/min；第二阶段为：900℃保温30min；第三阶段为：900℃～烧结温度，升温速率为2～10℃/min；第四阶段为：烧结温度1100～1200℃，保温30～120min；第五阶段为：随炉冷却至室温。
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