科技计划项目科研报告

科技计划项目科研报告内容摘要：

种类和性质不同，需要采用不同的配方并调整工艺参数，均可制备出具有使用价值的复合材料。 这种材料既具有高分子聚合物的韧性，也具有无机非金属材料的稳定性和刚度，可在广泛领域替代塑料、陶瓷、混凝土和木材 制品。 硅酸盐基废弃物复合材料是以工业废渣（废砂、尾矿、炉渣、粉煤灰）为 8 主要原料，通过石灰和添加剂的合理配合，在湿热条件下激发废弃物的潜在活性，生成 CSH、 CAH 类胶凝矿物，这种新生的胶凝矿物是复合材料的基质材料，没有参与反应的核心颗粒就变成了强化的骨架材料。 这种复合材料的原理与我国传统的蒸压砖十分相似，不同之处在于配料上需要对废弃物进行活化处理，以最大限度发挥钙质材料的作用。 用这种技术来处理废弃物，最终制品是建筑墙体砖，可以大批量地消耗工业废渣。 玻璃陶瓷基废弃物复合材料是以工业废渣（废砂、废玻璃、炉渣、 粉煤灰）为主要原料，采用烧结工艺复合而成；其基体相是烧结产生的玻璃体，增强相是高温不熔颗粒以及在热处理过程中形成的玻璃微晶。 这种材料的性能接近微晶玻璃，但工艺要简单得多，可替代陶瓷和天然石材作为建筑装饰材料使用。 金属基废弃物复合材料是以废铝和废玻璃为原料，采用熔 — 铸 — 压复合工艺制备而成，其连续相是铝，分散相是玻璃颗粒，这种材料表现出既有铝的延展性和韧性，又有玻璃硬度高的特征。 两类废弃物的优势叠加，使废弃物获得了增值。 从不同类型的废弃物复合材料原理看出，其原料、产品及加工过程，几乎覆盖了国民经济的各个领域 和行业；废弃物复合材料 95%以上的原料是各种废弃物，经再生和复合后成为二次资源，其成本要比通过采、选、冶得到的一次资源低，所以既解决了传统产业生产过程产生的固体废弃物环境污染问题，又节约了各种宝贵的一次资源，降低了制造成本，具有明显的环境、经济和社会效益，是少有的具有环境协调性的材料之一。 废弃物复合材料已经成为了一种工业废渣利用的基本思路，为单一废弃物利用出路不多和附加值低的问题找到了新思路。 但是从目前几种废弃物复合材料的形成机理、制备工艺、材料性能上看，还远远不能适应固体废物千差万别、数量巨大、急待处理 和高附加值利用的迫切需要，必须拓展研究领域，开发新型的废弃物复合材料。 代表性技术 之 四：微晶玻璃 1957年美国康宁公司发明了以 TiO2为晶核剂制成了 100%的晶化制品 —— 微晶玻璃， 1960 年前苏联又开发了用矿渣和尾矿制备建筑用微晶玻璃，并获得工业化应用，我国对微晶玻璃的系统研究始于 20 世纪 80 年代末期，目前已至少在 15 家企业实现了工业化生产，年总产量达到 100 万 m2。 由于微晶玻璃配料中可加入 50— 60%的工业废渣如矿渣、尾矿，产品具有优良的物理力学及化学性能，被认为是一种具有环境协调性的高技术无机非金属材 料，其最大不足在于投资大、 能耗高、成品率低。 代表性技术之五： 多孔轻质材料 9 多孔材料因其共有的性能诸如密度低、省料、热导率低、隔绝性能优良和比强度高等，其用途非常广泛，已成为国民经济领域不可缺少的材料，传统的多孔材料按其本体材料的不同，可分为：泡沫塑料、泡沫玻璃、泡沫混凝土（或加气混凝土）、泡沫陶瓷和泡沫金属等几大类。 这些材料已经在建筑、化工、冶金、能源产业发挥了巨大作用。 其中用固体废弃物诸如粉煤灰制备的加气混凝土、废玻璃制备的泡沫玻璃、煤矸石制备的烧结砖已经实现了产业化。 随着国家墙体改革政策的稳步推行和节 能政策的大力实施，多孔材料将成为一类大宗的建筑墙体和节能材料，将为我国的经济建设和环境保护作出重要贡献。 代表性技术之六： 硅铝铁钡合金 脱氧是炼钢工业中必不可少的环节，长期以来，炼钢主要以 Mn、 Si、 Al 元素对钢进行终脱氧，特别是以纯铝作为钢液的脱氧剂，效果较好，但纯铝成本高，密度低，易漂浮在钢液表面，烧损大，利用率仅 7— 19%，浪费很大；近年来，国内炼钢工业普遍采用硅铝铁新型多元复合脱氧剂，密度大，熔点高，容易进入钢液内部，损失小，铝利用率可达 30— 60%，能大幅度降低铝耗，降低钢中夹杂物的含量，改善钢的 性能和质量，不过目前国内采用的硅铝铁合金均采用熔融金属对掺法生产，即将纯铝、硅铁、铁粉按一定比列熔铸而成，能耗大，成本高。 陈洁、熊文强研究了利用粉煤灰为主要原料，在适量添加剂、烟煤和铝土矿的配合下，经混料、成球、干燥、冶炼等工艺制备出了与熔铸金属对掺法生产的硅铝铁合金成分相似的产品，该产品中还含有 2%的钛和 %的碳，不但能满足炼钢的需要，还能提高钢的强度、细化晶粒、降低时效敏感性和冷脆性。 这项技术被列为我国资源综合利用的关键技术之一。 代表性技术之七：地聚合物材料 地聚合物是法国 Joseph Davidovits 在研究古建筑材料基础上用煅烧高岭土为主要原料，碱为激发剂制成的不同于传统水泥的新型胶凝材料 [2]，在其发展过程中，国内外学者根据这类材料的特点赋予它多个名称，如化学键合陶瓷（ Chemically Bonded Ceramics 简称 CBC）、低温陶瓷、土聚水泥、碱激活烧粘土水泥、矿物聚合物、凝石、地质聚合物、碱激发矿渣水泥等等。 地聚合物兼有有机高聚物、陶瓷、水泥的特点，表现出快硬、高强、耐高温、隔热、耐腐蚀、吸附有害毒物等优点；其原料主要为含“铝硅酸盐”的天然矿物（如高岭土）或工业废渣 (如矿渣 )，这些原料可直接使用或只需低温(350750℃ )处理，固化反应温度在 150℃ 以下就可完成。 因此地聚合物材料因原料来源广泛、制备过程简单、能耗较低，被认为是一种绿色环境材料 [5]。 基于地聚合物的优良性能，国外以矿渣、偏高岭土为主要原料，用碱为激发剂制备的陶瓷水泥、 “ pyrament cement”、 “ F 胶凝材料”以及“地聚物 10 水泥”已经在核废料固化、危险废物固封、道路修补、人造石材方面获得了应用 [3]。 近年来，我国学者 袁鸿昌 [4]、郑娟荣 [5]、张书政 [1]、代新祥 [6]、倪文 [7]、马鸿文[8]、马保 国 [9]、成立 [10]、孙伟 [11]、岳云龙 [12]等对以地聚合物为代表的各种 碱激发胶凝材料 的应用、现状及发展前景进行了跟踪和研究，发表了很多研究论文，取得了一些研究成果，但 对这类材料的诸多问题如废弃物活化、水化固结机理、耐久性、环境协调性和应用领域一直存在争议 ，而应用则几乎是空白。 此外，利用工业废渣制造肥料、提取有用组分、筑路、矿井回填、复垦以及用于环保领域的研究成果也很多，都从不同角度促进了废弃物资源化的技术进步。 针对工业废渣产生量大的特点，建筑材料依然是其利用的发展方向，并需要与材料科学的发展方向 功能化和复合化紧密结合起来，把基础材料和高附加值有机结合起来，把规模化和高技术结合起来，把生态化和绿色环境材料的理念有机结合起来，这样才能继续推动我国工业废渣资源化向高技术和高效益方向发展。 昆明理工大学 在近 5年时间内围绕工业废渣活化、 CBC 胶凝材料（或称低温陶瓷胶凝材料）制备、复合材料衍生方面进行了深入研究，广泛涉及了粉煤灰、磷渣、赤泥、尾矿、冶金渣、铸造废砂、废塑料、植物剩余物等废弃物 ， 探明了不同废渣的深度活化及 胶凝材料 的水化固结机理，对最终的水化产物进行了鉴定，对材料的物理力学性能、耐久性进行了全面分 析 [1318]，申请了多项国家发明专利 ， 初步构建了在这一领域的知识产权保护体系和学术地位。 昆明理工大学拥有我国唯一的固体废弃物资源化国家工程研究中心，在废物资源化领域处于国内领先地位。 用工业废渣制备的 CBC 复合 材料 是继聚合物复合材料技术之后的固体废弃物综合利用的具有突破性和创新性的技术 ， 这种材料 不用高温煅烧工艺、不用水泥和高分子聚合物 、能耗低，能规模化处理和利用工业废渣，是我国实施循环经济的重要技术内容，目前已经在处理赤泥、粉煤灰、铸造废砂、尾矿、磷渣、城市垃圾、污泥、植物废弃物方面取得进展 ，预计将成为 我国固体废弃物资源化的代表性技术 ，将对我国废弃物综合利用、节能减排战略目标的实现产生积极影响。 参考文献： [1] 张书政，龚克诚 .地聚合物 [J].材料科学与工程学报 .2020， 21（ 6） :430～ 436. 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[21] 张召述 . 一种低温陶瓷基聚合物复合材料的生产方法 [P]. 中国专利 :， . 三、 项目承担单位、参加 （合作） 单位 、 项目主要 负责人 概 况 及在项目中的 分工 项目承担单位 昆明利众达再生资源有限公司 是昆明电器仪表有限责任公司的子公司， 是一家专业从事固体废弃物综合利用的企业，拥有职工 45 人， 其中工程技术人员 10人 ，公司拥有固定资产 220万元。 现有一条聚合物复合材料井盖生产线，生产能力为 万套， 年产值 440 万元左右。 产品已经在全省范围内销售。 产生了较好的社会和环境效益。 公司 生产基地位于昆明海口， 建设场距昆明市区 40km，距安宁 21km，距晋宁 15km，区域有安晋公路、高海公路和南环铁路通过，内外交通便利 ，区域内工业企业众多，固体废弃物十分丰富，是进行工业废渣资源化的理想地区。 项目合作单位 昆明理工大学是一所以工为主，理工结合，兼有经济、管理、文学（含艺术）、法律、教育等多学科的多科性综合大学。 是云南省规模最大、办学层次和类别较为齐全的重点大学 ,属中国著名大学之一。 昆明理工大学现设有 18 个学院、 1 个研究生院和 2个教学部，有 60 个本科专业， 4个博士后流动站、 26 个二级学科博士点、 56 个硕士点、 18个工程硕士授权领 域和 1 个ΜΒΑ授权点，有 1 个国家级重点学科、 18 个省部级重点学科， 9 个省院省校合作共建的重点学科， 现有各类学生 36000 余人，教职工 3232 名在职中，中国工程院院士 1 人及兼职两院院士 16 人； 学校现有 1 个国家级工程研究中心、 3 个省级重点实验室、 1 个教育部共建重点实验室、 2个省部级检测站、 2 个省级产学研联合开发中心、 2个省级示范实验室， 1所甲级资质的设计研究院和 1 所甲级资质的环评所。 12 早在 20世纪 80 年代，昆明理工大学就在全国率先开展了固体废弃物资源化科学研究， 1995 年申报成功了固体废弃物资源化国家工程 研究中心，一举确立了昆明理工大学在固体废弃物资源化领域的国内领先地位，经过 20 多年的积累，已经形成了独具特色的废弃物复合材料研究方向。 近 6 年来，昆明理工大学创造性地开展了用工业废渣制备 CBC 复合材料的研究，得到了云南省自然科学基金和国内多家大型企业的资金支持，多项研究成果处于国内先进水平，目前用工业废渣制备 CBC 复合材料的多项核心技术已经成熟，达到了实施产业化的技术条件。 项目主要负责人 马世杰 ： 本项目。