粉煤灰與Al（OH）3的配比對(duì)制備莫來(lái)石多孔材料的影響

胡其國(guó) 劉 瑩 邵 晴 李 濟(jì)

江西陶瓷工藝美術(shù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江西景德鎮(zhèn) 333001

莫來(lái)石多孔陶瓷具有體積密度小、比熱容和熱導(dǎo)率低、抗熱震性好等優(yōu)點(diǎn)，在高溫隔熱、過(guò)濾、催化劑載體、離子交換等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用［1-2］。粉煤灰是燃煤發(fā)電廠的一種固體廢棄物，富含SiO2、Al2O3，可以作為制備莫來(lái)石材料的原料，提高粉煤灰的資源化綜合利用水平［3-4］。在本工作中，以粉煤灰為硅源，Al（OH）3為鋁源，AlF3為晶須促進(jìn)劑，V2O5為燒結(jié)助劑，在不引入其他造孔劑的條件下，采用固相燒結(jié)法制備莫來(lái)石多孔陶瓷材料，主要研究了粉煤灰與Al（OH）3的配比對(duì)莫來(lái)石多孔材料的影響。

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)用粉煤灰的化學(xué)組成（w）為：SiO260.37%，Al2O328.04%，F(xiàn)e2O33.77%，K2O 3.23%，Na2O 0.21%，CaO 1.48%，MgO 1.44%，TiO21.13%，灼減3.56%，含有較多的K2O、Na2O、CaO、MgO；從試驗(yàn)用粉煤灰的XRD圖譜（圖略）看，其晶相為石英和莫來(lái)石，但在2θ角20°～30°范圍的“饅頭峰”表明其中有玻璃相存在。試驗(yàn)用Al（OH）3、燒結(jié)助劑V2O5和晶須促進(jìn)劑AlF3均為化工原料。

根據(jù)莫來(lái)石的理論組成3Al2O3·2SiO2及粉煤灰和Al（OH）3（按純Al（OH）3計(jì)）的化學(xué)組成計(jì)算，配料中Al2O3、SiO2比符合3Al2O3·2SiO2時(shí)，其粉煤灰與Al（OH）3的配料組成（w）為：粉煤灰34.2%，Al（OH）365.8%?？紤]到粉煤灰中存在的K2O、Na2O、CaO、MgO、Fe2O3和玻璃相，最終試樣中的SiO2將有一部分存在于玻璃相中，使Al2O3相對(duì)富余。因此，設(shè)計(jì)了表1所示的5種配料組成。

表1 試樣的配料組成Table 1 Compostions of specimens

按表1配料，在行星球磨機(jī)中以氧化鋁球和去離子水為球磨介質(zhì)混磨3 h。過(guò)篩，在80℃烘干，加入濃度為5%（w）的PVA溶液造粒，陳腐6 h，采用擠壓成型制成直徑為1.5 cm、高3 cm的圓柱形素坯。將素坯置于電爐中，以5℃·min-1升溫至1 100℃，保溫2 h后隨爐冷卻。

按GB/T 2997—2000檢測(cè)試樣的體積密度和顯氣孔率，按GB/T 1964—1996檢測(cè)試樣的耐壓強(qiáng)度。用德國(guó)Bruker AXS D8-Advance型X射線衍射儀檢測(cè)試樣的物相組成，用日本FEJSM-6700F型掃描電子顯微鏡觀察試樣斷面形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 顯氣孔率、體積密度和耐壓強(qiáng)度

試樣的顯氣孔率和體積密度見(jiàn)圖1，耐壓強(qiáng)度見(jiàn)圖2。

圖1 試樣的顯氣孔率和體積密度Fig．1 Apparent porosity and bulk density of specimens

圖2 試樣的耐壓強(qiáng)度Fig．2 Compressive strength of specimens

從圖1和圖2可以看出：從試樣X(jué)1到試樣X(jué)5，隨著粉煤灰與Al（OH）3質(zhì)量比的增大，試樣顯氣孔率呈增大趨勢(shì)，體積密度和耐壓強(qiáng)度呈減小趨勢(shì)。

2.2 物相組成和顯微結(jié)構(gòu)

試樣的XRD圖譜見(jiàn)圖3?？梢钥闯觯焊髟嚇拥闹骶嗑鶠槟獊?lái)石，但試樣X(jué)1至X4均存在剛玉衍射峰。從試樣X(jué)1到試樣X(jué)5，剛玉衍射峰逐漸減弱直至消失（試樣X(jué)5），莫來(lái)石衍射峰逐漸增強(qiáng)。

圖3 試樣的XRD圖譜Fig．3 XRD patterns of specimens

試樣斷面的SEM照片見(jiàn)圖4?？梢钥闯觯涸嚇覺(jué)1、X2中有明顯的片狀物，據(jù)圖3的物相分析結(jié)果推測(cè)其為剛玉。試樣X(jué)3中的莫來(lái)石晶體呈棒狀和針狀。試樣X(jué)4、X5中有大量針狀莫來(lái)石，通過(guò)Nano Measurer軟件測(cè)量計(jì)算可得其長(zhǎng)徑比達(dá)到30，并且莫來(lái)石呈簇狀生長(zhǎng)。

圖4 試樣斷面的SEM照片F(xiàn)ig．4 SEM photos of specimens section

2.3 分析討論

本試驗(yàn)中，試樣孔隙主要來(lái)源于：

（1）粉煤灰中含有3.56%（w）的灼減，Al（OH）3中含有34.61%（w）的灼減，它們?cè)? 100℃保溫2 h燒成過(guò)程中揮發(fā)而留下相應(yīng)的孔隙，這些孔隙在1 100℃保溫2 h燒成過(guò)程中不能全部排出。

（2）粉煤灰中存在一定量的空心漂珠。并且，空心漂珠在1 100℃保溫2 h燒成過(guò)程中會(huì)在珠體表面形成定向外延生長(zhǎng)的莫來(lái)石晶體，使珠體之前的閉氣孔轉(zhuǎn)變?yōu)殚_氣孔［5］，增大試樣的顯氣孔率。

（3）粉煤灰中存在大量的游離SiO2，在1 100℃保溫2 h燒成過(guò)程中與Al（OH）3分解形成的Al2O3原位反應(yīng)生成次生莫來(lái)石，同時(shí)產(chǎn)生較大的體積膨脹，從而在試樣中產(chǎn)生大量孔隙。大量原位莫來(lái)石的生成可能是導(dǎo)致本試驗(yàn)中試樣孔隙率大的主要原因。如前所述，從試樣X(jué)1到試樣X(jué)5，莫來(lái)石相逐漸增多，且莫來(lái)石晶體由棒狀逐漸向針狀轉(zhuǎn)變并呈簇狀生長(zhǎng)，這導(dǎo)致試樣孔隙率逐漸增大。

在物相組成差別不大的情況下，試樣的耐壓強(qiáng)度主要受其孔隙率影響，孔隙率越大，耐壓強(qiáng)度越低。

粉煤灰中含有較多的雜質(zhì)和一定量的玻璃相。粉煤灰含量增多，試樣在1 100℃保溫2 h燒成過(guò)程中產(chǎn)生的液相也增多。液相能夠促進(jìn)莫來(lái)石晶體的生長(zhǎng)發(fā)育，使其由棒狀逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)獒槧?，且長(zhǎng)徑比增大。

3 結(jié)論

（1）隨著粉煤灰與Al（OH）3的質(zhì)量比從28.2∶71.8增大至52.2∶47.8，試樣的顯氣孔率逐漸增大，體積密度和耐壓強(qiáng)度逐漸減小。

（2）隨著粉煤灰與Al（OH）3的質(zhì)量比從28.2∶71.8增大至52.2∶47.8，試樣中莫來(lái)石的衍射峰逐漸增強(qiáng)，剛玉衍射峰逐漸減弱直至消失。

（3）當(dāng)粉煤灰與Al（OH）3質(zhì)量比為52.2∶47.8時(shí)，試樣的顯氣孔率為53.1%，體積密度為1.12 g·cm-3，耐壓強(qiáng)度為22.8 MPa，莫來(lái)石晶體的長(zhǎng)徑比達(dá)到30。