利用废渣制备黑色陶瓷砖的研究

    范伟峰 罗飞 吴长发

    

    

    

    摘 要：建筑陶瓷除了在性能上追求高强度、高耐磨、多功能等，如何降低生产成本也是各厂家竞争的焦点。利用各类劣质原料来制备建筑陶瓷是降低成本的有效途径之一。本文选用四川某炼铁厂废渣，将其作为原料直接應用于黑色陶瓷砖配方中，同时研究了废渣对陶瓷砖的呈色、烧成收缩及断裂模数等的影响。

    关键词：废渣;黑色陶瓷;强度;经济效益

    1 前 言

    建筑陶瓷除了在性能上追求高强度、高耐磨、多功能等，如何降低生产成本也是各厂家竞争的焦点[1-3]。利用各类劣质原料来制备建筑陶瓷是降低成本的有效途径之一，因此各种工业废料进入了人们的视野。铁尾矿是选矿厂在特定的技术条件下，将铁矿石破碎磨细，选取铁精矿后排放的废渣，是工业固体废弃物的主要组成部分之一[4，5]。随着钢铁工业的迅速发展，铁矿石开采量不断增加，选矿厂排出的尾矿量也日益增多。大量的尾矿通常采用堆填处置，不仅占用土地、污染环境，而且工厂还得支付土地征用费、运输费和填埋费等，增加生产成本，同时也造成了资源浪费。在环境保护和资源节约意识日益增强的今天，尾矿综合利用被认为是实现矿业可持续发展的重要途径，其作为二次资源已引起世界各国的广泛关注[6-8]。铁尾矿含有大量的过渡金属离子，在高温下可使陶瓷砖坯体呈现较深的颜色，因此，可将其应用于陶瓷砖坯中制备通体黑色陶瓷砖。本文选用四川某炼铁厂废渣，将其作为原料直接应用于黑色陶瓷砖配方中，同时研究了废渣对陶瓷砖的呈色、烧成收缩及断裂模数等的影响。

    2 实验部分

    2.1 实验原料

    实验所用的主要原料包括：含铁锰废渣（取自四川某炼铁厂）、陶瓷坯料（佛山欧神诺陶瓷有限公司）。

    2.2 试样的制备与表征

    将废渣粉按一定的比例（1、3、5、8、10%）加入陶瓷坯粉料中，经过球磨、过筛、干燥、过筛、压制成型、干燥烧成等工序，制备陶瓷砖样品。同时，将含2%坯用黑色色料的色坯在相同的温度制度下烧成，作为对比试样。

    采用数显电动抗折仪（DPK型，湘潭湘仪仪器有限公司）对试样的强度进行检测;采用美国X-rite公司X-rite8200分光光度计测试试样的L*a*b*值。L*a*b*参数中，L*代表明度，正a*代表红色，负a*代表绿色，正b*代表黄色，负b*代表蓝色。测试前对仪器进行黑白标准板校正，消除因电信号不稳定带来的测试误差。每个样本测三次，取测试的平均值，作为该样品的色度值。

    3 结果与讨论

    废渣的化学组成包括：氧化铝5.18%、氧化硅15.26%、三氧化二铁46.71%、二氧化钛11.48%、氧化锰7.45%、三氧化二铬2.62%、氧化钙2.75%、氧化镁2.78%、氧化钠3.68%及其他，其中三氧化二铁、二氧化钛、氧化锰和三氧化二铬均是着色氧化物。

    表1为添加坯用黑色色料试样的L*a*b*值。由表可知，添加黑色色料的坯体a*值和b*值较小，分别为0.65和3.23，说明试样的颜色较深，通过观察实际试样，试样显通体黑色。

    颜色是光和眼睛相互作用产生的，是人的大脑对投射在视网膜上不同波长光线进行辨认的结果。物体的颜色决定于它对光线的透过、吸收和反射，若物质对白光中所有颜色的光全部吸收，则呈现出黑色;若反射所有颜色的光，则呈现出白色;若透过所有颜色的光，则为无色。因此，透明物体的颜色由它能够透过的色光决定;不透明物体的颜色由它反射的色光决定，其实质都与物质的结构密切相关。图1为添加坯用黑色色料试样在可见光波长范围内的反射率曲线。由图可知，未添加黑色色料的坯体在高波长的黄光部分反射率较高，说明坯体颜色偏黄调。而添加2%黑色色料的坯体在可见光波长范围内反射率较低，平均反射率为～10%，结合a*值和b*值较小，说明试样呈黑色。

    表2为添加废渣试样的L*a*b*值。由表可知，随着废渣加入量的增加，试样的明度L*值逐渐减小，且a*值和b*值均向减小方向变化，说明试样的黑色逐渐加深。图2为添加废渣的试样在可见光波长范围内的反射率曲线。由图可知，随着废渣添加量的逐渐增加，试样在可见光波长范围内反射率逐渐减小，当添加量小于8%时，其平均反射率在10%左右波动。

    表3为添加不同着色物的试样的颜色性能。由表可知，添加2%坯用色料与添加10%废渣的试样，其a*值和b*值较为接近，且添加10%废渣的试样具有更低的L*值，说明在呈色性能上10%废渣可替代2%坯用色料。图3为添加2%坯用色料与添加10%废渣的试样在可见光波长范围内的反射率曲线，由图可知，两组试样的反射率曲线类似，且平均反射率均在～10%，说明添加2%坯用色料与添加10%废渣的试样的呈色性能接近。

    由于废渣成分较为复杂，引入废渣可能造成陶瓷坯体的结构变化，如发泡等。图4为不同废渣添加量试样的烧成收缩率，由图可知，废渣加入量在1 ～ 10%情况下，其烧成收缩与未添加试样接近，说明废渣的引入不会明显改变陶瓷砖的烧结性能，也不会产生发泡现象。图5为不同废渣添加量试样的断裂模数，由图可知，添加废渣的所有试样其断裂模数均高于55 MPa，符合陶瓷砖国家标准对断裂模数的要求（37 MPa）。同时，根据成本估算，目前坯用黑色色料价格约为1万元/吨，而该废渣约为450元/吨，采用10%的废渣替代2%的黑色色料，可使原料成本进一步降低。

    4 结 论

    （1）呈色性能上，10%铁锰废渣可替代2%坯用黑色色料;

    （2）铁锰废渣的引入不会明显改变陶瓷砖的烧结性能，也不会产生发泡现象;

    （3）添加铁锰废渣的试样其断裂模数高于55 MPa，符合陶瓷砖国家标准对断裂模数的要求;

    （4）根据成本估算，目前坯用黑色色料价格约为1万元/吨，而该废渣约为450元/吨，采用10%的废渣替代2%的黑色色料，可使原料成本进一步降低。

    参考文献

    [1] 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， 3：124-126.

    [2] 杨小乘. 陶瓷废料的利用现状[J]. 广东建材， 2013， 5： 12-14.

    [3] 何代英， 李春文. 黑色陶瓷色料的生产与应用[J]. 佛山陶瓷， 2002， 4： 4-6.

    [4] 边华英， 王学涛. 利用含钴工业废料研制黑色陶瓷颜料[J]. 佛山陶瓷， 2003， 12： 16-18.

    [5] 邱柏欣， 顾幸勇， 董伟霞， 等. 利用铬铁废渣制备黑色陶瓷釉料[J]. 硅酸盐学报， 2019， 3： 396-402.

    [6] 刘华峰， 王慧， 曾令可. 黑色陶瓷色料的研究现状与展望[J]. 中国陶瓷工业， 2013， 6： 32-34.

    [7] 乔艳. 利用赤泥研制黑色陶瓷颜料[J]. 江苏陶瓷， 2009， 1： 12-15.

    [8] 于长凤， 朱小平， 李欣， 等. 用钒砂尾矿制备无钴黑色陶瓷颜料的研究[J]. 陶瓷学报， 2013， 1： 76-80.