含稀土的铁尾矿远红外陶瓷材料及其制备方法[0002]我国90%的能源和80%的原材料来自矿产资源。矿产资源开发过程中丢弃大量的废石和尾矿造成环境污染。据统计，因受选矿技术水平、生产设备的制约，我国矿业生产的尾矿已达到100亿吨以上，并呈逐年增加的趋势。尾矿不仅占用大量土地，而且也给人类生产、生活带来了严重污染和危害，现已受到全社会的广泛关注。同时，随着矿产资源的大量开发和利用，矿石日益贫乏，尾矿作为二次资源再利用也已受到世界各国的重视。目前我国尾矿利用率很低，矿山尾矿占工业固体废物的30 %，但其利用率仅为7 %。大多数矿山企业往往只重视有价金属的回收，若仅考虑有价金属的回收并不能从根本上解决尾矿的问题。由于尾矿是经过选矿后的固体废物，其非金属矿物达到90%以上。因此，尾矿的整体利用是尾矿利用的根本途径。[0003]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K20，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。[0004]稀土元素具有独 有的特性。因4f轨道电子容易激发，从而使稀土元素的配位产生可变性，其4f轨道的电子可起到“剩余原子价”的作用。将稀土元素添加到陶瓷配料中，一方面可通过形成固溶体，使陶瓷晶格产生畸变；另一方面，稀土元素可以储存电子和氧，改变其它元素的化合价态。CN103664149A文件公开了一种远红外陶瓷材料及其制造方法，通过添加稀土元素，增强硅氧键的振动，进而提高远红外的发射能力；CN102418021A文件公开了常温下具有抗衰老功能的宽频红外陶瓷材料及其制备方法，将复合而成的氧化镨钕添加到陶瓷配方中，使得烧结后的红外陶瓷辐射材料的晶体结构内部的自由载流子带内跃迁或电子从杂质能级到导带的直接跃迁，而产生2~6 μ m波段的常温红外光子辐射。[0005]综上所述，铁尾矿不仅可以用做陶瓷的主要成分，其中的石英、辉石、长石、角闪石等成分更是具有发射远红外线的作用；而稀土元素因其独特的电子层结构，被用来作为远红外陶瓷的添加剂，可以提高陶瓷的远红外发射率。从以上专利发明中可以看出，以稀土为添加剂虽然增加了陶瓷的红外发射率，但其高辐射红外波段较窄，且都集中在低波数范围。
[0006]针对现有技术的不足，本发明主要解决的技术问题是，提供一种含稀土的铁尾矿远红外陶瓷材料及其制备方法。该陶瓷材料以废弃铁尾矿替换传统陶瓷原料成分，克服了以消耗昂贵矿物资源为红外原料的问题，同时采用稀土为添加剂，增强了陶瓷的远红外发射率。该方法工艺简单，成本低廉，便于工业化实施。[0007]本发明解决所述材料技术问题的技术方案是:设计一种含稀土的铁尾矿远红外陶瓷材料，其特征在于该陶瓷材料原料的重量百分比组成为:铁尾矿35~75%、粘土 I~7%、二氧化硅6~25%、碳酸钙6~25%、氧化铝2~7%和稀土 I~9%，各组分之和为100% ;所述铁尾矿主要成分重量组成为:Si0230~35%、Fe20320~25%、Al2O3IO~15%、TiO2IO~15%，还有少量的Ca0、Na20和MgO，各组分之和为100%;所述稀土为稀土硝酸镧、硝酸铕、硝酸铈或硝酸钕中的任一种。
[0008]本发明解决所述方法技术问题的技术方案是:设计一种含稀土的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陶瓷材料原料的重量百分比组成和以下工艺步骤:
[0009]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；
[0010]B、取重量35~75%的步骤A中得到的铁尾矿粉体，再添加重量为I~7%的粘土、6~25%的二氧化硅、6~25%的碳酸钙、2~7%的氧化铝和I~9%的稀土，以及上述原料重量15~30%的水，混合并持续搅拌30~90min ；
[0011]C、将步骤B中的混合物于100~120°C条件下，烘干I~2h ;
[0012]D、将步骤C中烘干后的混料经混合球磨60~90min后，过筛；
[0013]E、将步骤D中的混料在成型压力为25~30MPa，保压I~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，即制得含稀土的铁尾矿远红外陶瓷材料。
[0014]与现有技术相比，本发明基于充分发挥铁尾矿中有效成分的作用，同时提高陶瓷的远红外发射能力，本发明设计将废弃铁尾矿替换传统陶瓷原料成分，以稀土为添加剂，制成一种含稀土的铁尾矿远红外陶瓷。本发明陶瓷材料利用废弃铁尾矿中有效的氧化物成分，以稀土为添加剂，利用稀土元素4f层电子上的得失，起到传递、储存电子和氧的作用，经过烧结成型后，可辐射高发射率的远红外线，经FTIR测试，在5~20 μ m处的红外发射率最高为0.92 (参见实施例5)。



[0015]图1为本发明实施例4制得的含稀土的铁尾矿远红外陶瓷材料的显微照片图。
[0016]图2为本发明实施例5制得的含稀土的铁尾矿远红外陶瓷材料的红外发射图。

[0017]以下结合实施例及附图进一步叙述本发明。
[0018]本发明设计的一种含稀土的铁尾矿远红外陶瓷材料(简称陶瓷材料，参见图1-2)，主要以铁尾矿、粘土、二氧化硅、碳酸钙和氧化铝为主要原料，并以稀土为添加剂，主要经球磨、过筛、配料、搅拌、干燥、混合、干压成型和烧结工艺后，即可制得含稀土的铁尾矿远红外陶瓷材料。
[0019]具体说，本发明设计的一种含稀土的铁尾矿远红外陶瓷材料，其特征在于该陶瓷材料原料的重量百分比组成为:铁尾矿35~75%、粘土 I~7%、二氧化硅6~25%、碳酸钙6~25%、氧化铝2~7%和稀土 I~9%，各组分之和为100% ;所述铁尾矿主要成分重量组成为:Si0230 ~35%,Fe20320 ~25%, Al2O3IO ~15%, TiO2IO ~15%，还有少量的Ca0、Na20和MgO，各组分之和为100% ;所述稀土为稀土硝酸镧、硝酸铕、硝酸铈或硝酸钕中的任一种。
[0020] 本发明解决所述方法技术问题的技术方案是:设计一种含稀土的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陶瓷材料原料的重量百分比组成和以下工艺步骤:
[0021]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；
[0022]B、取重量35~75%的步骤A中得到的铁尾矿粉体，再添加重量为I~7%的粘土、6~25%的二氧化硅、6~25%的碳酸钙、2~7%的氧化铝和I~9%的稀土，以及上述原料重量15~30%的水，混合并持续搅拌30~90min ；
[0023]C、将步骤B中的混合物于100~120°C条件下，烘干I~2h ;
[0024]D、将步骤C中烘干后的混料经混合球磨60~90min后，过筛；
[0025]E、将步骤D中的混料在成型压力为25~30MPa，保压I~2min条件下，压制成型，制得陶瓷坯体，将坯体放入烧结炉中烧结，最终制得含稀土的铁尾矿远红外陶瓷材料。
[0026]本发明制备方法的进一步特征为:所述烧结工艺为:第一阶段:室温~950°C，升温速率为2~5°C/min ;第二阶段为:950°C，保温30min ;第三阶段为:950°C~烧结温度，升温速率为2~10°C /min ;第四阶段为:烧结温度，保温30~120min ;第五阶段为:随炉冷却至室温。
[0027]上述制备方法的特征还在于，所述烧结工艺的烧结温度为1100~1200°C，以完全成瓷。
[0028]上述制备方法的特征在于:所述步骤D中过120目筛。
[0029]上述制备方法的特征在于:所述步骤E中压制成型的压力为25~30MPa，并保压I ~2min。
[0030]本发明所述的远红外陶瓷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，适于工业化应用；同时铁尾矿中含有较多的过渡元素铁，能够与碱土金属形成固溶体，加速粒子传质过程，促进陶瓷烧结的致密化程度，降低了陶瓷的烧结温度，有益于节能环保。
[0031 ] 本发明未述及之处适用于现有技术。
[0032]以下给出本发明具体实施例，进一步描述本说明。具体实施例不构成对本申请权利要求保护范围的限制。
[0033]实施例1
[0034]设计一种含稀土的铁尾矿远红外陶瓷材料，其重量百分比组成和制备方法如下:
[0035]A、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；
[0036]B、取重量35%的步骤A得到的铁尾矿粉体，再添加重量7%的粘土、25%的二氧化硅、25%的碳酸钙、7%的氧化铝和1%的硝酸镧，以及上述原料重量15%的水，混合并持续搅拌30min ；
[0037]C、将步骤B中的混合物于100°C条件下，烘干Ih ；
[0038]D、将步骤C中烘干后的混料经球磨混合60min后，过120目筛；
[0039]E、将步骤D中的混料在成型压力为30MPa，保压1.5min的条件下，压制成型，制得陶瓷坯体，然后将坯体放入烧结炉中烧结，最终制得含稀土的铁尾矿远红外陶瓷材料。
[0040]本实施例制备方法的烧结工艺为:第一阶段:室温~950°C，升温速率为5°C /min ；第二阶段为:950°C，保温30min ;第三阶段为:950~1200°C，升温速率为10°C/min ;第四阶段为:1200°C，保温30min ;第五阶段为:随炉冷却至室温。
[0041]经检测，本实施例制备方法制得的含稀土的铁尾矿远红外陶瓷材料，在5~20μπι处的红外辐射率为0.85。
[0042]实施例2
[0043]设计一种含稀土的铁尾矿远红外陶瓷材料，其重量百分比组成和制备方法如下:
[0044]Α、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；
[0045]B、取重量45%的步骤A得到的铁尾矿粉体，再添加重量6%的粘土、20%的二氧化硅、20%的碳酸钙、6%的氧化铝和3%的硝酸铕，外加上述原料重量20%的水，混合并持续搅拌40min ；
[0046]C、将步骤B中的混合物于105°C条件下，烘干Ih ；
[0047]D、将步骤C中烘干后的混料，经球磨混合70min后，过120目筛；
[0048]E、将步骤D中的混料在成型压力为30MPa，保压Imin条件下，压制成型，制得陶瓷坯体，然后再将坯体放入烧结炉中烧结，最终制得含稀土的铁尾矿远红外陶瓷材料。
[0049]本实施例制备方法的烧结工艺为:第一阶段:室温~950°C，升温速率为4°C /min ；第二阶段为:950°C，保温30min ;第二阶段为:950~1180°C，升温速率为8°C /min ;第三阶段为:1180°C，保温60min ;第四阶段为:随炉冷却至室温。
[0050]经检测，本实施例制备方法制得的含稀土铁尾矿远红外陶瓷材料，在5~20 μ m的红外辐射率为0.87。
[0051]实施例3
[0052]设计一种含稀土的铁尾矿远红外陶瓷材料，其重量百分比组成和制备方法如下:
[0053]A、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；
[0054]B、取重量55 %的步骤A得到的铁尾矿粉体，再添加重量5 %的粘土、15 %的二氧化硅、15%的碳酸钙、5%的氧化铝和5%的硝酸钕，以及上述原料重量25%的水，混合并持续搅拌60min ；
[0055]C、将步骤B中得到的混合物于110°C条件下烘干Ih ；
[0056]D、将步骤C中烘干后的混料经球磨混合SOmin后，过120目筛；
[0057]E、将步骤D中的混料在成型压力为28MPa，保压Imin条件下，压制成型，制得陶瓷坯体，然后再将坯体放入烧结炉中烧结，最终制得含稀土的铁尾矿远红外陶瓷材料。
[0058]本实施例制备方法的烧结工艺为:第一阶段:室温~950°C，升温速率为3°C /min ；第三阶段为:950°C，保温30min ;第三阶段为:950~1160°C，升温速率为6°C /min ;第四阶段为:1160°C，保温90min ;第五阶段为:随炉冷却至室温。
[0059]经检测，本实施例制得的含稀土铁尾矿远红外陶瓷材料，在5~20 μ m处的红外辐射率为0.89。
[0060]实施例4
[0061]设计一种含稀土的铁尾矿远红外陶瓷材料，其重量百分比组成和制备方法如下:[0062]A、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；
[0063]B、取重量55 %的步骤A中得到的铁尾矿粉体，再添加重量4%的粘土、15 %的二氧化硅、15%的碳酸钙、4%的氧化铝和7%的硝酸铈，外加上述原料重量25%的水，混合并持续搅拌60min ；
[0064]C、将步骤B中得到的混合物于110°C条件下，烘干Ih ；
[0065]D、将步骤C中烘干后的混料，经球磨混合SOmin后，过120目筛；
[0066]E、将步骤D中的混料在成型压力为28MPa，保压1.5min条件下，压制成型为陶瓷坯体，再将坯体放入烧结炉中烧结，最终制得含稀土的铁尾矿远红外陶瓷材料。
[0067]本实施例制备方法的烧结工艺为:第一阶段:室温~950°C，升温速率为2V /min ；第二阶段为:950°C，保温30min ;第三阶段为:950~1150°C，升温速率为2V /min ;第四阶段为:1150°C，保温120min ;第五阶段为:随炉冷却至室温。
[0068]经检测，本实施例制得的铁尾矿远红外陶瓷材料，在5~20 μ m处的红外辐射率为
0.90。
[0069]实施例5
[0070]设计一种含稀土的铁尾矿远红外陶瓷材料，其重量百分比组成和制备方法如下:
[0071]A、将原料中的铁尾矿放入球磨机中球磨lOOmin，球磨后过350目筛，获得铁尾矿粉体；
[0072]B、取重量75%的步骤A中得到的铁尾矿粉体，再添加重量2%的粘土、7%的二氧化硅、7%的碳酸钙、2%的氧化铝和7%的硝酸铈，外加上述原料重量30%的水，混合并持续搅拌90min ；
[0073]C、将步骤B中的混合物于120°C条件下，烘干2h ；
[0074]D、将步骤C中烘干后的混料，经球磨混合90min后，过120目筛；
[0075]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，将坯体放入烧结炉中烧结，最终制得含稀土的铁尾矿远红外陶瓷材料。
[0076]本实施例制备方法的烧结工艺为:第一阶段:室温~950°C，升温速率为3°C /min ；第二阶段为:950°C，保温30min ;第三阶段为:950~1130°C，升温速率为4°C /min ;第四阶段为:1130°C，保温120min ;第五阶段为:随炉冷却至室温。
[0077]本实施例制得的含稀土铁尾矿远红外陶瓷材料，在5~20 μ m处的红外辐射率为
0.92。
[0078]实施例6
[0079]设计一种含稀土的铁尾矿远红外陶瓷材料，其重量百分比组成和制备方法如下:
[0080]A、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；
[0081]B、取重量75%的步骤A中得到的铁尾矿粉体，再添加重量I %的粘土、6%的二氧化硅、6 %的碳酸钙、3 %的氧化铝和9 %的硝酸铈，以及上述原料重量30 %的水，混合并持续搅拌90min ；
[0082]C、将步骤B中的混合物于120°C条件下，烘干2h ；
[0083]D、将步骤C中烘干后的混料经球磨混合90min后，过120目筛；[0084]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，然后将坯体放入烧结炉中烧结，最终制得含稀土的铁尾矿远红外陶瓷材料。
[0085]本实施例制备方法的烧结工艺为:第一阶段:室温~950°C，升温速率为3°C /min ；第二阶段为:950°C，保温30min ;第三阶段为:950~1100°C，升温速率为5°C /min ;第四阶段为:1100°C，保温120min ;第五阶段为:随炉冷却至室温。 [0086]经检测，本实施例制备方法制得的含稀土铁尾矿远红外陶瓷材料，在5~20 μ m处的红外辐射率为0.91。