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从废阴极射线管和锗尾矿制备高强度玻璃泡沫陶瓷

Qiuping Zhang , Feng He , Hao Shu , Yechu Qiao , Shuxia Mei , Mingfang Jin , Junlin Xie

研究亮点：

1.废弃的阴极射线管（CRT）和锗尾矿（GTS）一起使用来制备高强度玻璃泡沫陶瓷。

2.材料弯曲强度和热导率分别为3.32兆帕和0.68 W / K

3.此种材料可以应用在许多领域，如建筑，化学领域。

摘要：通过烧结和经济加工制备的玻璃泡沫陶瓷材料在隔热、吸声和冲击波吸收方面的应用。从拆解电视中获得的干净的阴极射线管（CRT）和锗尾矿（GTS）做原料，混合SiC、硼砂、TiO2分别作为发泡剂、助熔剂、稳定剂，制备了高强度多孔玻璃陶瓷。通过DSC，SEM和物理性能测量来表征玻璃陶瓷泡沫样品，提高CRT玻璃粉含量能使发泡过程更容易。采用56.5％CRT玻璃粉末，40.0％GTs和1.0％SiC在880℃下发泡30分钟的S2样品表现出优异的综合性能。样品的主晶相为透辉石（Ca（Mg）Si 2 O 6）， 玻璃陶瓷泡沫的体积密度，弯曲强度和导热率分别为226kg / m 3，3.32MPa和0.68W / K。

关键词：玻璃泡沫陶瓷，阴极射线管面板，锗尾矿，烧结，闭孔结构

1. 绪论

在各种废弃材料中，电气和电子设备是最具代表性的。 电气和电子设备或电子废物产生的废物量正在快速持续增加，并因地理区域而异。 在欧盟，电子电气设备的废物估计每年超过750万吨，其中电子显示器和含有阴极射线管（CRT）的电视机占电子废物总量的80％。 在中国，2010年以后，有600多万台电视机和800万台个人电脑被淘汰。回收电视机，个人电脑等设备的废弃物不仅有助于减轻环境问题，还有助于最大限度地提高废物的工业价值。事实上，废弃的CRT玻璃可以作为再生骨料替代天然材料或部分替代其他玻璃的粉末掺入泡沫玻璃材料中。

泡沫玻璃通常通过气体发生剂（发泡剂）的作用获得，其与起始废玻璃一起研磨成细碎的粉末。 泡沫玻璃是填充有小的均匀孔的多孔材料，它们是封闭的或相互连接的。 泡沫玻璃的具体结构在确定其许多性能方面起着重要作用，包括低密度，低导热性，大表面积和良好的耐热冲击性。因此引起了广泛的关注，并被广泛应用于建筑，化学，国防等领域。 以CRT玻璃为主要原料，对泡沫玻璃的制备进行了一些研究。 Fernandes ，Mirkazemi ，Pascla ，Chen ，Bernardo 和Hicks 应用废物CRT作为制备泡沫玻璃或玻璃陶瓷泡沫的原料。 然而，由于原料的低密度，所得泡沫玻璃的强度较低。因此，提高强度或其他性能的方法值得研究。

锗尾矿（GT），包括采矿和矿产分离过程中产生的尾矿，是一种不能直接使用的固体或粉末废物，这些小粒度的尾矿必须通过管道运输到储存设施。 因此，在采矿过程中应建造足够大的储存单位，以适应生产的尾矿，这需要大量投资，并要求大量的农田和林地，从而破坏生态平衡。 到2012年，中国锗尾矿的估计数量为1000万吨，但是为寻找具有成本效益和兼容的锗尾矿存储解决方案的努力很少。

在本文中，我们研究了：如何使用CRT玻璃粉末和锗尾矿作为原料，来烧结制备高强度玻璃陶瓷泡沫体。 加入锗尾矿以提高弯曲强度，从而获得高强度玻璃陶瓷泡沫，以最大限度地利用两种废物。

1. 实验

2.1.材料及其制备

首先将玻璃从废CRT上剥离下来，用水清洗，然后用行星式球磨机研磨4-6小时。 将得到的玻璃粉末通过300筛网过滤，最终筛上残留约1％。 通过来自PANalytical B.V.的X射线荧光光谱仪（Axios Advanced）分析CRT玻璃（表1）和GT（表2）的化学组成。

其次，将CRT玻璃粉末和GT与SiC，NaNO₃，TiO₂和硼酸钠混合在一起，用玛瑙球干燥球磨4小时。 混合物的组成比列于表3中。然后，在实验室压力机压力为30MPa将混合物压制成尺寸为45mmtimes;25mmtimes;10mm的样品。 为了提高样品的密度和强度，向混合物中加入2％的水。

最后，通过差示扫描量热法（DSC）获得程序热处理的常规室式炉中的烧结样品。

2.2.表征技术

使用激光粒度分析仪（Mastersizer 2000）获得CRT玻璃和GTS的粒度分布， 通过热分析 - 质谱法（Perkin Elmer Company，USA）测定混合物的发泡温度， 通过扫描电子显微镜（SEM，JEOL JSM-5610LV，Japan）观察具有平坦表面的样品的微观结构。 使用每个具有规则形状的样品的体积密度。 使用跨十字头的跨度为20mm的KZJ-300试验机测定三点弯曲强度，并对每个组合的五个样品进行测试。 将试验中使用的样品加工成50mmtimes;10mmtimes;10mm试验棒。 使用热导率测试仪（Hot Disk TPS2500s，Switzerland）测量尺寸为约40mmtimes;40mmtimes;10mm的样品的导热系数，

表1 阴极射线管玻璃的组成

表2 系统的组成

表3 样品组成比

1. 结果与讨论

3.1.粒度分布及DSC分析

图1显示通过300筛网筛分的CRT玻璃和GTs粉末的粒度分布。 两种粉末的大小均正常分布，主要分布在5〜30 lm之间。 CRT玻璃粉末的曲线与GTs粉末的曲线相比较窄，并且CRT玻璃粉末的尺寸分布更加均匀。 CRT玻璃和GTs粉末的这种细粒度有助于粉末的烧结，也可以帮助包裹发泡剂产生的气体促进液体玻璃相的形成。

图2显示了0和1000 ℃之间的C1和C2混合物的两种DSC曲线。对于样品C1，在约747℃下出现小的吸热峰，形成液相，并且在约877℃达到最大值，范围为130℃。样品C2的吸热峰出现在786 ℃和904 ℃之间，范围为118℃ 。 DSC结果表明，当样品含有更多的CRT玻璃粉末时，发泡温度较低，发泡温度范围更宽。 CRT玻璃粉是具有玻璃相结构的玻璃熟料，当温度高于Tg点时，液相可以连续生产。然而，没有玻璃相结构的GTs粉末不能直接产生液相，而是通过固相反应，所以产生液相时是CRT玻璃的较高温度。此外，CRT玻璃是在加热过程中具有较小结晶倾向的长材料玻璃，并且可以将液相保持在发泡温度范围内。随着CRT玻璃化率的增加，发泡温度范围更广。

在877 ℃（C1）和904 ℃（C2）下，两种样品吸收足够的热量，使其粘度降低，并且SiC和O₂之间的反应由于高温而增强（反应开始于600℃）。 在高温下，大量的CO和CO₂不断释放，溶解在熔体中，导致气泡的形成和膨胀。

显然，低粘度对发泡过程是有利的。C1和C2的发泡温度分别为880℃ 和910 ℃，因为低粘度有助于多孔结构的形成。由于液态玻璃相的粘度和表面张力的相互作用，当适当控制温度表时，CO和CO2的气体可以有效地局限在液态玻璃相中。

3.2.发泡温度的影响

图3显示了在不同温度下烧结30分钟的玻璃陶瓷泡沫的显微照片。 如这些SEM图像所示，所有样品都显示出具有不同孔直径的孔隙率。 随着温度的升高，孔的直径逐渐增加。由于发泡剂的组成和用量是恒定的，液相的粘度随着温度升高而降低，在表面张力的作用下气体的体积将增加。然而，当液相包围的气体的压力随着温度的升高而达到一定程度时，气体将从孔壁中分解出来，导致气体的逸出以及具有连接孔的玻璃陶瓷泡沫体出现。

在较低温度下发泡的样品具有不均匀分布的孔和厚的孔壁，较厚的壁上具有较小的闭孔，在孔壁上可以清楚看到许多较小的孔。在C1的情况下，当温度升高到880℃时，孔的直径变得均匀，并且孔壁变薄。该系统的表面能和孔中的气体压力在此阶段达到平衡，使得孔隙非常丰满，孔壁的表面非常光滑，这种结构在弯曲强度和密度方面是非常有用的。随着温度的进一步提高，特别是在900 ℃下，表面能和粘度同时降低，因此部分孔隙相互连接。该过程导致密度和弯曲强度的降低。在C2样品上观察到类似的现象。当C2的温度升高到910℃ 时，孔的直径变得均匀，孔壁变薄。该系统的表面能和孔中的压力在此阶段达到平衡，使得孔隙非常丰满，孔壁的表面非常光滑。这种结构有利于弯曲强度和密度。随着温度的进一步增加，样品的表面能和粘度同时降低，因此部分孔隙在玻璃陶瓷泡沫体中相互连接。

图4分别示出了弯曲强度和体积密度随温度的变化。随着温度的升高，弯曲强度和体积密度一开始就迅速下降。 对于样品C1，当发泡温度为860℃时，弯曲强度为约5.5MPa，密度约0.45g / cm³。 随着温度升高到880 ℃，弯曲强度和堆积密度均降低到相当小的值：3.2 MPa和0.22 g / cm3。相比之下，当温度从880cm³升至900cm^{3 全文共9125字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料}

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