ZrO2對(duì)鋁型材廠污泥制備剛玉-堇青石-莫來石復(fù)相材料性能的影響

羅金榮

長(zhǎng)興天達(dá)環(huán)保建材有限公司 浙江湖州 313100

陶瓷材料燒結(jié)過程中加入少量礦化劑可發(fā)生晶格活化，加快反應(yīng)速率，從而促進(jìn)物相反應(yīng)，改善材料的性能［1］。ZrO2是一種很好的耐火材料礦化劑，其熔融溫度約為2 700℃，它可以提高釉的高溫黏度和黏度變化的溫度范圍［2-5］。ZrO2具有較好的熱穩(wěn)定性，摻入少量ZrO2能明顯提高釉的抗龜裂性能［6-10］。鋁型材廠污泥為固體廢棄物，通過1 300℃保溫3 h煅燒處理后，煅燒污泥中Al2O3含量高達(dá)90%（w）［11］。本課題組結(jié)合前期的研究成果，以煅燒鋁廠污泥、高嶺土和滑石粉為主要原料，在已確定的相對(duì)最佳配比的基礎(chǔ)上［11］，通過加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)（1.0%～3.0%）的ZrO2礦化劑，探索其對(duì)剛玉-堇青石-莫來石復(fù)相材料的性能、物相組成和顯微結(jié)構(gòu)的影響，以期進(jìn)一步提高剛玉-堇青石-莫來石復(fù)合陶瓷材料的常溫抗折強(qiáng)度和熱震后強(qiáng)度等性能，擴(kuò)展材料的使用范圍。

1 試驗(yàn)

1.1 原料

試驗(yàn)原料包括經(jīng)過煅燒、磨細(xì)的鋁型材廠污泥，龍巖高嶺土和磨成粉狀的滑石，均經(jīng)過≤0.425 mm（40目）篩網(wǎng)過篩，制備成煅燒污泥粉、龍巖高嶺土粉和滑石粉，其化學(xué)組成見表1。

表1 原料的化學(xué)組成

1.2 試樣制備

在前期的研究中，確定最佳配比（w）為：龍巖高嶺土52%，煅燒污泥34%，滑石粉14%；在此配方的基礎(chǔ)上，分別再加入1.0%、1.5%、2.0%、2.5%和3.0%（w）的ZrO2礦化劑（分別用編號(hào)Z1、Z2、Z3、Z4和Z5表示），球磨混料2 h，轉(zhuǎn)速為200 r·min-1。將混合料倒出，過≤0.425 mm篩（40目）5～6次，以5%（w）的聚乙烯醇水溶液為結(jié)合劑進(jìn)行造粒，陳腐24 h。稱取5 g陳腐料，填入模具內(nèi)，在4 MPa壓力下壓制成7 mm×7 mm×50 mm的樣坯。在110℃電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)干燥24 h后，于1 380℃保溫3 h煅燒。

1.3 性能測(cè)試

按GB/T 2999—2016檢測(cè)試樣的顯氣孔率和體積密度，按GB/T 3001—2017檢測(cè)試樣的常溫抗折強(qiáng)度?？篃嵴鹪囼?yàn)：將試樣放入箱式高溫爐中，于850℃恒溫煅燒30 min后取出，立即放入20℃水中冷卻，在110℃電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)干燥24 h，檢測(cè)其熱震后的常溫抗折強(qiáng)度以及抗折強(qiáng)度保持率。

采用X’Pert Pro MPD型X射線粉末衍射儀對(duì)各試樣的物相組成進(jìn)行分析，并利用Rietveld Quantification軟件計(jì)算各物相的含量。采用Philips XL 30ESEM型掃描電鏡觀察試樣斷口的顯微結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與討論

不同ZrO2添加量試樣的XRD圖譜見圖1，各物相的含量見表2。各試樣均含有3種主晶相，分別是剛玉相、莫來石固溶體相和堇青石相，同時(shí)含有少量鎂橄欖石相（Mg2SiO4）和鋯英石（ZrSiO4）。從表2可以看出，各試樣中的剛玉相（α-Al2O3）、莫來石固溶體（Al4.59Si1.41O9.7）和堇青石相（Mg2Al4Si5O18）的含量基本都在30%（w）左右；隨著ZrO2加入量的增加，燒后試樣中堇青石相含量有逐漸下降的趨勢(shì)，莫來石固溶體含量相對(duì)比較穩(wěn)定，Mg2SiO4和ZrSiO4含量呈逐漸增加的趨勢(shì)，Al4.59Si1.41O9.7的含量變化不大，Mg2SiO4的含量增加，可能為Mg2Al4Si5O18分解產(chǎn)生的。

圖1 不同ZrO2添加量試樣的XRD圖譜

選擇各試樣斷面平整的片狀樣品進(jìn)行SEM 分析，見圖2。由圖2（a）試樣Z4中以堇青石相為主的局部形貌中，菱角粒狀堇青石晶體中夾雜著少量柱狀剛玉晶體，且不同ZrO2添加量的堇青石晶體和剛玉晶體的顯微形貌變化并不明顯，故主要對(duì)莫來石晶體的影響進(jìn)行分析。由圖2（b）可見，試樣Z1中的莫來石固溶體晶體呈細(xì)長(zhǎng)的針狀，構(gòu)成不規(guī)則的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)比較致密，表面有一層玻璃體覆蓋，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中分散了少量晶粒較小的堇青石晶體；由圖2（c）可見，試樣Z2的莫來石固溶體晶體呈細(xì)長(zhǎng)的針狀，能構(gòu)成致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；由圖2（d）可見，試樣Z3的莫來石固溶體晶體進(jìn)一步長(zhǎng)大和長(zhǎng)長(zhǎng)，晶體呈細(xì)長(zhǎng)的柱狀體，構(gòu)成較為完整的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，燒結(jié)程度較高，有利于抗折強(qiáng)度的提高；由圖2（e）可見，試樣Z4的莫來石固溶體晶體繼續(xù)生長(zhǎng)，晶體呈現(xiàn)較為粗大的柱狀體，玻璃相減少，結(jié)構(gòu)比較致密和清晰，構(gòu)成完整的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；由圖2（f）可見，試樣Z5的莫來石固溶體晶體表面有一層玻璃體覆蓋，構(gòu)成較為完整的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有液相溢出，不利于抗熱震性。綜合上述分析結(jié)果，試樣Z4的顯微形貌相對(duì)最佳。

不同ZrO2添加量試樣的強(qiáng)度、顯氣孔率、體積密度等檢測(cè)結(jié)果見表3。隨著ZrO2添加量的增加，試樣的常溫抗折強(qiáng)度和熱震后的常溫抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)，體積密度呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，顯氣孔率和吸水率呈現(xiàn)波動(dòng)性變化。當(dāng)ZrO2添加量為2.5%（w）即試樣Z4，熱震后的常溫抗折強(qiáng)度和熱震后的常溫抗折強(qiáng)度保持率最高。綜合上述性能分析，為使材料具有較高的使用強(qiáng)度和較長(zhǎng)的使用壽命，ZrO2的最佳添加量為2.5%（w）。

3 結(jié)論

（1）在不同ZrO2礦化劑添加量下燒結(jié)的試樣，其物相組成均含有剛玉、莫來石和堇青石三種主晶相，其含量相對(duì)穩(wěn)定。

（2）隨著ZrO2礦化劑添加量的增加，試樣的常溫抗折強(qiáng)度和熱震后的常溫抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)，體積密度呈增加趨勢(shì)，其他性能處于波動(dòng)狀態(tài)。

（3）各試樣均含有六方片狀剛玉和粒狀堇青石以及細(xì)長(zhǎng)柱狀莫來石固溶體晶體，ZrO2礦化劑添加量為2.5%（w）時(shí)，晶粒明顯長(zhǎng)大，整體結(jié)構(gòu)密實(shí)，玻璃相很少，能構(gòu)成完整的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，為最佳添加量。