一种煤泥制备高强多孔复相陶瓷的方法

1.本发明属于煤泥固废利用领域，具体涉及一种煤泥制备高强多孔复相陶瓷的方法。


背景技术：

2.多孔陶瓷是体内有一定数量通孔和闭合气孔的陶瓷材料，具有密度低、比表面积高、热导率低和耐腐蚀好等优点。目前，多孔陶瓷在吸附、过滤、催化、隔热和生物医疗等领域已有广泛的应用。然而，制备多孔陶瓷普遍存在原料成本高，工艺复杂等缺点。
3.煤泥是煤炭水洗产生的工业废水经过沉降脱水形成的副产品，具有粒度细、灰分高、粘度大、热值低、固定碳高和运输困难等特点。2022年煤泥产量约3.6亿吨。根据洗煤厂的调查报告，大约70％的煤泥就地堆放，大量煤泥堆积不仅占据大量土地面积，还会带来环境问题。例如，煤泥中微细粉尘污染空气，重金属元素污染水资源。此外，煤泥堆积可能引发泥石流、滑坡等地质灾害。因此，煤泥固废综合利用是近年来重点关注和研究领域，其中将其作为原料制备多孔陶瓷为重要手段之一。
4.刘银等人发明了一种废旧玻璃粉增强的煤系废弃物多孔陶瓷及制备方法。以煤系废弃物为主要原料，将煤矸石、煤泥、玻璃粉破碎筛分，取适当的粒径，与碳酸钠、筛分后的木屑混合均匀；经过加水混料、压片机制样，得到陶瓷生坯；在500℃保温一段时间，灼烧掉有机物质，然后在1000～1300℃下保温2～5h，使生坯瓷化(cn201910876563.x)。当添加6％玻璃粉，1180℃保温3h，得到的多孔陶瓷显气孔率31％，抗弯强度28mpa(煤矸石为原料制备莫来石及复相陶瓷的力学性能研究，安徽理工大学硕士学位论文)。张庚等人以煤泥为造孔剂制备了定向多孔碳化硅，抗弯强度低于50mpa(西安文理学院学报，2023,26:122-128)。杜慧玲等以椰棕纤维和pmma粉末为造孔剂，煤矸石和煤泥为原料制备了高孔隙率的多孔矸石陶瓷，抗压强度低于1mpa(矸石基陶瓷多孔结构设计及吸附特性研究，西安科技大学硕士学位论文)。上述制备方法中均以煤泥为添加剂，添加量较少，煤泥无法充分资源化利用。同时，制备的多孔陶瓷强度较低，不能适用于某些对力学性能要求较高的场合。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种煤泥制备高强多孔复相陶瓷的方法，以解决现有技术中煤泥固废资源化利用不充分和多孔陶瓷强度较低的问题。
6.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
7.一种煤泥制备高强多孔复相陶瓷的方法，包括以下步骤：
8.步骤1，以质量比4:1-10:1混合煤泥和硅粉，球磨后制得浆料；
9.步骤2，将浆料干燥后获得粉料；
10.步骤3，将粉料过筛后制得待成型粉末；
11.步骤4，待成型粉末成型后获得生坯；
12.步骤5，将生坯烧结后冷却，获得多孔复相陶瓷，所述多孔复相陶瓷为碳化硅/莫来
石或氮化硅/塞隆。
13.本发明的进一步改进在于：
14.优选的，步骤1中，球磨转速为100-500转/min，球磨时间为0.5-5h。
15.优选的，步骤2中，通过旋转蒸发器干燥获得粉料。
16.优选的，步骤3中，过筛的目数为100-200目。
17.优选的，步骤4中，成型方式为模压、等静压或凝胶注模。
18.优选的，步骤5中，烧结温度为1200-1800℃，烧结时间为0.5-2h。
19.优选的，步骤5中，烧结氛围为氩气气氛时，所述多孔复相陶瓷为碳化硅/莫来石；烧结氛围为氮气气氛，所述多孔复相陶瓷为氮化硅/塞隆。
20.优选的，步骤5中，烧结后随炉冷却，得到多孔复相陶瓷。
21.优选的，步骤5中，所述多孔复相陶瓷的气孔率大于30％。
22.优选的，步骤5中，所述多孔复相陶瓷的的弯曲强度大于40mpa。
23.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
24.本发明公开了一种煤泥制备高强多孔复相陶瓷的方法，属于煤泥固废利用技术领域。制备过程中以煤泥为主原料，通过在煤泥中添加少量硅粉，经过球磨、干燥、过筛和成型等工艺得到生坯，将生坯在气氛保护烧结炉中进行高温烧结。在氩气中，硅粉与煤泥经高温反应烧结生成主相为碳化硅/莫来石的多孔复相陶瓷。在氮气中，生成主相为氮化硅/塞隆的复相陶瓷。制备过程中因为煤泥本身含有较多的煤分，使得烧结过程中能够热解产生大量的孔洞，使得多孔复相陶瓷的气孔率大于30％，同时含有莫来石和以晶须形式存在的碳化硅，提升了陶瓷的整体强度，弯曲强度大于40mpa。本发明的优势在于以煤泥为主原料，充分利用了煤泥成型性好的特点，整个制备过程中不再需要添加其他的添加项，充分利用了煤泥中的成分丰富的特性，使得煤泥可以充分得到利用，而且所有的制备原料不经过灼烧除碳、酸洗除杂等预处理，制备方法简单。不仅保护环境，增加煤泥的固废资源化利用，还能变废为宝，制备得到高强多孔陶瓷。本发明制备的多孔陶瓷可以用于工业窑炉隔热保温、过滤、催化剂载体等领域。
25.进一步的，不同气氛(氮气和氩气)中，硅粉与煤泥经高温反应烧结分别生成碳化硅/莫来石多孔复相陶瓷和氮化硅/塞隆多孔复相陶瓷。以上多孔复相陶瓷的气孔率达30％以上，弯曲强度大于40mpa。
附图说明
26.图1为煤泥原料在氩气中1400℃烧结后的sem图(hf腐蚀后)。
27.图2为添加硅粉(煤泥和硅粉质量比85:15)氩气中1400℃烧结后的sem图(hf腐蚀后)。
28.图3为添加硅粉(煤泥和硅粉质量比90:10)氮气中1450℃烧结后的sem图(hf腐蚀后)。
具体实施方式
29.下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步详细描述：
30.本发明的实施例之一为公开了一种煤泥制备高强多孔复相陶瓷的方法，包括以下
步骤：
31.(1)称取一定质量硅粉、煤泥，置于球磨罐中，加入无水乙醇为溶剂，在行星式球磨机中球磨，获得浆料；
32.该步骤中，煤泥为主原料，硅粉为添加剂，煤泥与硅粉质量比为4:1-10:1，球磨转速为100-500转/min，球磨时间0.5-5h。
33.(2)将步骤(1)获得的浆料倒入锥形瓶中，通过旋转蒸发器干燥获得粉料，以避免硅粉沉降，保证粉料均匀。
34.(3)将步骤(2)获得的粉料100-200目过筛，获得待成型粉末。
35.(4)将步骤(3)得到的待成型粉末进行模压、等静压、凝胶注模等方式成型，得到生坯。
36.(5)将步骤(4)得到的生坯置于坩埚中，放入气氛烧结炉中进行高温烧结。步骤(4)中气氛指的是氩气或氮气气氛，烧结温度为1200-1800℃，烧结时间0.5-2h。在氩气或氮气气氛中烧结时，煤泥中主要成分煤、sio2、al2o3等与硅粉进行原位反应，生成碳化硅/莫来石或氮化硅/塞隆多孔复相陶瓷。
37.(6)将步骤(5)烧结后样品随炉冷却，得到多孔陶瓷；多孔陶瓷为碳化硅/莫来石或氮化硅/塞隆多孔复相陶瓷。
38.实施案例1
39.1.一种煤泥制备高强多孔复相陶瓷的方法，包括以下步骤：
40.(1)称取质量比为85:15(5.67:1)的煤泥和硅粉，置于球磨罐中，加入无水乙醇为溶剂，在行星式球磨机中以转速200r/min进行球磨，球磨时间为2h，获得浆料。
41.(2)将步骤(1)获得的浆料倒入锥形瓶中，通过旋转蒸发器干燥。
42.(3)将步骤(2)获得的粉料200目过筛。
43.(4)将步骤(3)得到的粉料装入模具，在液压机上模压成型，压力100mpa，得到生坯。
44.(5)将步骤(4)得到的生坯置于坩埚中，放入氩气气氛保护烧结炉中进行1400℃高温烧结，烧结时间为1h。
45.(6)将步骤(5)烧结后样品随炉冷却，得到主相为碳化硅/莫来石的多孔陶瓷。
46.该多孔陶瓷开气孔率32％，三点弯曲强度51mpa。
47.图1和图2为未掺和掺硅粉的多孔陶瓷断口sem图，图2中出现一定数量的棒状组织和大量陶瓷晶须。依据x射线物相和能谱分析，确定棒状组织为莫来石，其中棒状组织的直径小于10μm，线状晶须为碳化硅，烧结过程中原位合成的棒状或线状组织有利于提高多孔陶瓷强度。
48.实施案例2
49.1.一种煤泥制备高强多孔复相陶瓷的方法，包括以下步骤：
50.(1)称取质量比为5:1的煤泥和硅粉，置于球磨罐中，加入无水乙醇为溶剂，在行星式球磨机中以转速200r/min进行球磨，球磨时间为2h，获得浆料。
51.(2)将步骤(1)获得的浆料倒入锥形瓶中，通过旋转蒸发器干燥。
52.(3)将步骤(2)获得的粉料200目过筛。
53.(4)将步骤(3)得到的粉料装入模具，在液压机上模压成型，压力100mpa，得到生
坯。
54.(5)将步骤(4)得到的生坯置于坩埚中，放入氩气气氛保护烧结炉中进行1500℃高温烧结，烧结时间为1h。
55.(6)将步骤(5)烧结后样品随炉冷却，得到主相为碳化硅/莫来石的多孔陶瓷。该多孔陶瓷开气孔率30％，三点弯曲强度60mpa。
56.实施案例3
57.1.一种煤泥制备高强多孔复相陶瓷的方法，包括以下步骤：
58.(1)称取质量比为9:1的煤泥和硅粉，置于球磨罐中，加入无水乙醇为溶剂，在行星式球磨机中以转速500r/min进行球磨，球磨时间为1h，获得浆料。
59.(2)将步骤(1)获得的浆料倒入锥形瓶中，通过旋转蒸发器干燥。
60.(3)将步骤(2)获得的粉料100目过筛。
61.(4)将步骤(3)得到的粉料装入模具，进行冷等静压成型，压力100mpa，得到生坯。
62.(5)将步骤(4)得到的生坯置于坩埚中，放入氮气气氛保护烧结炉中进行1450℃高温烧结，烧结时间为1h。
63.(6)将步骤(5)烧结后样品随炉冷却，得到主相为氮化硅/塞隆的多孔陶瓷。该多孔陶瓷开气孔率36％，三点弯曲强度50mpa，获得的氮化硅/塞隆的多孔陶瓷微观图如图3所示，从图中可以看出，获得棒状或长条状的β-塞隆增强相，棒状或长条状的β-塞隆增强相直径小于10μm。
64.实施案例4
65.1.一种煤泥制备高强多孔复相陶瓷的方法，包括以下步骤：
66.(1)称取质量比为10:1的煤泥和硅粉，置于球磨罐中，加入无水乙醇为溶剂，在行星式球磨机中以转速200r/min进行球磨，球磨时间为2h，获得浆料。
67.(2)将步骤(1)获得的浆料倒入锥形瓶中，通过旋转蒸发器干燥。
68.(3)将步骤(2)获得的粉料100目过筛。
69.(4)将步骤(3)得到的粉料装入模具，在液压机上模压成型，压力50mpa，得到生坯。
70.(5)将步骤(4)得到的生坯置于坩埚中，放入氮气气氛保护烧结炉中进行1500℃高温烧结，烧结时间为1h。
71.(6)将步骤(5)烧结后样品随炉冷却，得到主相为氮化硅/塞隆的多孔陶瓷。该多孔陶瓷开气孔率31％，三点弯曲强度63mpa。
72.实施案例5
73.1.一种煤泥制备高强多孔复相陶瓷的方法，包括以下步骤：
74.(1)称取质量比为4:1的煤泥和硅粉，置于球磨罐中，加入无水乙醇为溶剂，在行星式球磨机中以转速100r/min进行球磨，球磨时间为5h，获得浆料。
75.(2)将步骤(1)获得的浆料倒入锥形瓶中，通过旋转蒸发器干燥。
76.(3)将步骤(2)获得的粉料100目过筛。
77.(4)将步骤(3)得到的粉料装入模具，在液压机上模压成型，压力80mpa，得到生坯。
78.(5)将步骤(4)得到的生坯置于坩埚中，放入氩气气氛保护烧结炉中进行1600℃高温烧结，烧结时间为2h。
79.(6)将步骤(5)烧结后样品随炉冷却，得到主相为碳化硅/莫来石的多孔陶瓷。
80.实施案例6
81.1.一种煤泥制备高强多孔复相陶瓷的方法，包括以下步骤：
82.(1)称取质量比为8:1的煤泥和硅粉，置于球磨罐中，加入无水乙醇为溶剂，在行星式球磨机中以转速300r/min进行球磨，球磨时间为4h，获得浆料。
83.(2)将步骤(1)获得的浆料倒入锥形瓶中，通过旋转蒸发器干燥。
84.(3)将步骤(2)获得的粉料200目过筛。
85.(4)将步骤(3)得到的粉料装入模具，凝胶注模成型，压力70mpa，得到生坯。
86.(5)将步骤(4)得到的生坯置于坩埚中，放入氮气气氛保护烧结炉中进行1800℃高温烧结，烧结时间为0.5h。
87.(6)将步骤(5)烧结后样品随炉冷却，得到主相为氮化硅/塞隆的多孔陶瓷。
88.实施案例7
89.1.一种煤泥制备高强多孔复相陶瓷的方法，包括以下步骤：
90.(1)称取质量比为7:1的煤泥和硅粉，置于球磨罐中，加入无水乙醇为溶剂，在行星式球磨机中以转速400r/min进行球磨，球磨时间为0.5h，获得浆料。
91.(2)将步骤(1)获得的浆料倒入锥形瓶中，通过旋转蒸发器干燥。
92.(3)将步骤(2)获得的粉料100目过筛。
93.(4)将步骤(3)得到的粉料装入模具，在冷等静压成型，压力100mpa，得到生坯。
94.(5)将步骤(4)得到的生坯置于坩埚中，放入氮气气氛保护烧结炉中进行1200℃高温烧结，烧结时间为2h。
95.(6)将步骤(5)烧结后样品随炉冷却，得到主相为氮化硅/塞隆的多孔陶瓷。
96.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种煤泥制备高强多孔复相陶瓷的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，以质量比4:1-10:1混合煤泥和硅粉，球磨后制得浆料；步骤2，将浆料干燥后获得粉料；步骤3，将粉料过筛后制得待成型粉末；步骤4，待成型粉末成型后获得生坯；步骤5，将生坯烧结后冷却，获得多孔复相陶瓷，所述多孔复相陶瓷为碳化硅/莫来石或氮化硅/塞隆。2.根据权利要求1所述的一种煤泥制备高强多孔复相陶瓷的方法，其特征在于，步骤1中，球磨转速为100-500转/min，球磨时间为0.5-5h。3.根据权利要求1所述的一种煤泥制备高强多孔复相陶瓷的方法，其特征在于，步骤2中，通过旋转蒸发器干燥获得粉料。4.根据权利要求1所述的一种煤泥制备高强多孔复相陶瓷的方法，其特征在于，步骤3中，过筛的目数为100-200目。5.根据权利要求1所述的一种煤泥制备高强多孔复相陶瓷的方法，其特征在于，步骤4中，成型方式为模压、等静压或凝胶注模。6.根据权利要求1所述的一种煤泥制备高强多孔复相陶瓷的方法，其特征在于，步骤5中，烧结温度为1200-1800℃，烧结时间为0.5-2h。7.根据权利要求1所述的一种煤泥制备高强多孔复相陶瓷的方法，其特征在于，步骤5中，烧结氛围为氩气气氛时，所述多孔复相陶瓷为碳化硅/莫来石；烧结氛围为氮气气氛，所述多孔复相陶瓷为氮化硅/塞隆。8.根据权利要求1所述的一种煤泥制备高强多孔复相陶瓷的方法，其特征在于，步骤5中，烧结后随炉冷却，得到多孔复相陶瓷。9.根据权利要求1所述的一种煤泥制备高强多孔复相陶瓷的方法，其特征在于，步骤5中，所述多孔复相陶瓷的气孔率大于30％。10.根据权利要求1所述的一种煤泥制备高强多孔复相陶瓷的方法，其特征在于，步骤5中，所述多孔复相陶瓷的的弯曲强度大于40mpa。

技术总结
本发明公开了一种煤泥制备高强多孔复相陶瓷的方法，属于煤泥固废利用技术领域。制备过程中以煤泥为主原料，通过在煤泥中添加少量硅粉，经过球磨、干燥、过筛和成型等工艺得到生坯，将生坯在气氛保护烧结炉中进行高温烧结。在氩气中，硅粉与煤泥经高温反应烧结生成主相为碳化硅/莫来石的多孔复相陶瓷。在氮气中，生成主相为氮化硅/塞隆的复相陶瓷。本发明以煤泥为主原料，充分利用了煤泥成型性好的特点，而且所有的制备原料不需要经过灼烧除碳、酸洗除杂等预处理，制备方法简单。不仅保护环境，增加煤泥的固废资源化利用，还能变废为宝，制备得到高强多孔陶瓷。本发明制备的多孔陶瓷可以用于工业窑炉隔热保温、过滤、催化剂载体等领域。域。域。


技术研发人员：夏鸿雁 司康 王义 毕文寒 周子艺 史忠旗 彭康
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.04.23
技术公布日：2023/7/22