一种宽光谱高吸收率黑色玻璃及其制备方法和应用与流程

本发明属于玻璃材料领域，涉及一种宽光谱高吸收率黑色玻璃及其制备方法和应用。

背景技术：

宽光谱高吸收率黑色玻璃可以用于太阳能、建筑、装饰等行业，其对红外波段的吸收率高，可以储存太阳能的热量并加以利用。因而研制具有高吸收系数、性能稳定、工艺简便、成本低廉、集结构材料和吸热材料于一体的纯黑玻璃具有重要意义。

现有一些黑色玻璃的生产技术，如公开号CN101054263A的发明专利申请，采用的硼硅酸盐玻璃和着色剂钴离子，铬离子和铜离子等成本相对较高的原料；公开号CN101857367的发明专利申请，所述的黑色玻璃加入了相对较昂贵的氧化钴和氧化铬着色剂，并且工艺繁琐，要进行热处理来析晶成核，即便这样制备的微晶玻璃抗折强度最高也只能达到138Mpa，并且专利中没有对玻璃的吸光率进行说明，光的吸收也仅仅表现为对可见光的吸收。

此外，铁尾矿是选矿后的废弃物，铁尾矿不仅污染环境，危害人民的生命和财产的安全，而且还占用大量的土地，浪费资源。据不完全统计，全世界每年排出的尾矿及废石在100亿吨以上，目前我国尾矿的综合利用率仅为7％左右，堆存的铁尾矿高达十几亿吨。因此，综合利用尾矿资源，使之变废为宝，变害为利，是实现矿产资源可持续发展的重要途径。铁尾矿中的铁含量对于炼铁工业来说品味较低，但是对于含铁量较高的高吸光率黑玻璃是最好的原料，铁尾矿还含有丰富的二氧化硅，是玻璃的主要成分，因此可以作为主要原料用于生产黑色玻璃，且成本低廉。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，提供一种以铁尾矿为主要原料的宽光谱高吸收率黑色玻璃及其制备方法和应用。所述黑色玻璃强度高，在250nm-2500nm波段的光波吸收率高。

为解决上述提出的问题，本发明所采用的技术方案为：

一种宽光谱高吸收率黑色玻璃，其特征在于，按重量份数计，由下述原料制成：

铁尾矿40～60份、二氧化硅5～15份、碳酸钠2～5份、氧化镁5～10份、氢氧化铝10～20份、六偏磷酸钠0.5～1份、碳酸钾1～2份、碳酸钙10～20份、二氧化钛2～3份。

按上述方案，优选地，所述宽光谱高吸收率黑色玻璃的抗折强度达到100～140Mpa；宽光谱高吸收率黑色玻璃在250nm～2500nm宽的光谱范围内，光吸收率达到90％以上。

按上述方案，优选地，所述铁尾矿的成分按质量百分数计为：

SiO₂:60～70％、Fe₂O₃:10～25％、Al₂O₃:3～10％、Na₂O:0～4％、P₂O₅:0～1％、V₂O₅：0～1％、BaO:0～1.5％。

本发明还提供一种上述宽光谱高吸收率黑色玻璃的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)按重量份数计，将下述原料混合均匀：

铁尾矿40～60份、二氧化硅5～15份、碳酸钠2～5份、氧化镁5～10份、氢氧化铝10～20份、六偏磷酸钠0.5～1份、碳酸钾1～2份、碳酸钙10～20份、二氧化钛2～3份，得到混合料；

(2)将步骤(1)得到的混合料熔制，得到熔融后的玻璃液；

(3)将熔融后的玻璃液倒入模具中，待成型后，退火，冷却至室温，得到宽光谱高吸收率黑色玻璃。

按上述方案，优选地，步骤(1)中所述的铁尾矿原料在混合前经过破碎处理，具体为：破碎磨细后过100目筛，再进行烘干处理。

按上述方案，优选地，步骤(2)中所述熔制的温度为1400～1500℃，保温时间为1～4小时。

按上述方案，优选地，步骤(2)中所述熔制的升温速率为3～8℃/min。

按上述方案，优选地，步骤(3)中所述的模具为石墨模具，经过加热处理，加热温度为200～400℃。

按上述方案，优选地，步骤(3)中所述退火温度为550～600℃，保温时间为2～3小时。

本发明还涉及上述宽光谱高吸收率黑色玻璃在制备太阳能吸热材料或建筑保温节能材料上的应用。

相比于现有技术，本发明的有益效果如下：

(1)本发明得到的宽光谱高吸收率黑色玻璃的优点为：抗折强度达100～140MPa，在250nm-2500nm波段的光波吸收率高于90％，可以用于制备太阳能吸热材料及建筑保温节能材料等。

(2)本发明没有采用价格相对昂贵的钴铬等金属氧化物作为着色剂，而是以铁尾矿为主要原料，通过加入二氧化硅、碳酸钠、氧化镁、氢氧化铝、六偏磷酸钠、碳酸钾、碳酸钙、二氧化钛等辅助原料起到调质、助熔等作用，制得的宽光谱高吸收率黑色玻璃黑色色泽纯正，光泽度高。

(3)本发明制备方法工艺简单，无需经过再次热处理、晶化核化，制得的黑色玻璃就有很高的抗折强度。

(4)铁尾矿是选矿后的废弃物，将其用于制备玻璃，可以代替部分二氧化硅、氧化铝、三氧化二铁等常规原料，从而降低原料成本。本发明以其作为主要原料用于制备黑色玻璃，可大幅降低生产成本，实现废物利用，变废为宝。

附图说明

图1为实施例制备的宽光谱高吸收率黑色玻璃的DSC图谱。

图2为实施例制备的宽光谱高吸收率黑色玻璃的透过图谱。

图3为实施例制备的宽光谱高吸收率黑色玻璃的反射图谱。

图4为实施例制备的宽光谱高吸收率黑色玻璃的吸收图谱。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例

本实施例选用的铁尾矿来自某铁矿选矿后品味不足的废料，利用X Axios advanced X射线荧光光谱对其化学成分进行分析，得知其成分按质量百分数计为：

SiO₂:63.76％、Al₂O₃:5.25％、Na₂O:2.93％、P₂O₅:0.50％、V₂O₅：0.87％，BaO:1.17％、Fe₂O₃:23.49％，其余为杂质成分。

采用上述铁尾矿制备宽光谱高吸收率黑色玻璃，具体步骤如下：

(1)原料破碎：将上述铁尾矿破碎，磨细，过100目筛，烘干待用；

(2)配料：将上述处理好的铁尾矿和其他原料按下述配方称重配料：

铁尾矿43.56克、二氧化硅11.38克、碳酸钠2.39克、氧化镁7.2克、氢氧化铝14.85克、六偏磷酸钠0.87克、碳酸钾1.84克、碳酸钙15.63克、二氧化钛2.39克，用陶瓷研钵将上述配好的原料混合至均匀。

(3)熔制：将混合料放入马弗炉中进行熔制，以3℃/min升温至熔制温度1400℃，保温2小时，得到熔融后的玻璃液；

(4)成型及退火：将熔融后的玻璃液倒入加热的石墨模具中(模具用电炉加热至300℃左右)，待冷却成型后，将玻璃块体放入设置好温度的退火炉中退火，退火温度为550℃，保温时间为2小时，然后，随炉冷却到室温，得到黑色玻璃。

对本实施例制得的黑色玻璃进行了一系列测试，结果如图1、图2、图3、图4所示。

图1为该黑玻璃材料的DSC图谱，由图可知，此黑玻璃的玻璃转变温度为665℃，熔融温度为1190℃。

图2、图3分别为该黑玻璃在250nm-2500nm的光波透过率和反射率谱图。

图4为该黑玻璃的吸光率谱图，但图中数据不是直接测得，而是通过测算此黑玻璃的透过率(T％)和反射率(R％)而得。光线在通过任何介质时其透光率(T％)、反射率(R％)和吸收率(A％)之间根据能量守恒定律存在如下关系：T％+R％+A％＝1，计算得到(A％＝1-T％-R％)。由图4可以看出此黑玻璃在250nm-2500nm波段的吸光率较高，主要集中在90％-93％之间。

此外，通过万能试验机的三点弯曲抗折测试，本实施例制得的黑色玻璃的抗折强度达125.52MPa。