绿色莫来石晶须骨架多孔陶瓷的制备与性能

绿色莫来石晶须骨架多孔陶瓷的制备与性能建筑废弃物排放量大,资源化利用率低,其大量堆积、填埋不仅挤占良田,污染水土资源、空气环境,甚至会造成严重的二次灾害。建筑废弃物主要化学成分是SiO₂、Al₂O₃、CaO等,属于有用矿产资源。

莫来石是大气压下Al₂O₃-SiO₂系中稳定的化合物,以此为基体的多孔陶瓷具有密度低、导热系数小、抗热震性好、热膨胀系数低、高温力学性能好、耐腐蚀等优点,广泛用于隔热、过滤、吸音、催化剂载体等领域。但是,其作为多孔材料,不可避免孔隙率高而机械强度低的缺点,且其传统制备原料主要源于高岭土等不可再生资源。

因此,本文以建筑废弃物的精细化利用、莫来石多孔陶瓷的制备、原位晶须增强多孔陶瓷为契机,利用建筑废弃物低温制备莫来石晶须骨架多孔陶瓷,详细研究工艺、配方、结构、性能之间的关系,并探讨相关的机理。本文首先研究了建筑废弃物的物理化学性质和莫来石晶须的烧成过程与机理。

采用红外光谱分析、热重分析、硅酸盐快速测定、晶相分析等手段,研究了建筑废弃物主要化学成分为SiO₂、Al₂O₃和CaO。然后,以其为主要原料,氧化铝做补充铝源（按莫来石经典组成

3Al₂O₃.2SiO₂配比）,综合采用莫来石晶须生成工艺中的气相法和氧化物掺杂法,制备原位莫来石晶须增强的晶须骨架多孔陶瓷。

详细研究烧成温度、保温时间、升温速率、成型压力、球磨时间等工艺参数对烧结样品晶相组成、断面微观结构、吸水率、开口孔隙率、孔径分布、体积密

度、线收缩率、抗弯强度等性能的影响,得出莫来石晶须制备的较佳工艺参数。在此较佳工艺参数基础上,详细研究了晶须催化剂和烧结助剂对莫来石晶须形貌及多孔陶瓷结构和性能的影响。

实验结果表明,当向坯料中引入一定量的氟化物（AlF₃、

CaF₂）和氧化物（MoO₃、B₂O₃、V₂O₅、CeO₂）分别用作晶须催化剂和烧结助剂时,均能有效促进样品莫来石化反应的发生和莫来石晶须的生成,从而有效提高多孔陶瓷性能。当向原料中引入12 wt%含量的AlF₃和3 wt%含量的MoO₃时,样品显示出优异特性,开口孔隙率67.4±0.5%,抗弯强度24.0±0.8 MPa,莫来石晶须分布均匀,晶须直径0.05⁰.5μm,长度8¹0μm,长径比20³0。

此外,研究了铝源对晶须骨架多孔陶瓷结构和性能的影响。实验结果表明,氧化铝含量、粒径、晶型对莫来石晶须生成及多孔陶瓷性能均有显著影响。

当氧化铝添加量为50 wt%时,能够制备出形貌较好的莫来石晶须;采用沉淀法制备出的不同晶型的过渡态氧化铝,因其表面缺陷大、活性高,用作铝源时,促进了坯料低温下发生莫来石化反应;纳米氧化铝以其粒径较小、表面活化能较大的优势,促进了莫来石的低温制备,但原料易团聚,致使晶须细小,分布不均匀。其中,沉淀法850℃煅烧制备出的δ-Al₂O₃,用作制备多孔陶瓷的补充铝源时,在烧成温度1250℃即可制得莫来石晶须,此时,多孔陶瓷样品开口孔隙率65.9±0.8%,体积密度1.28 g.cm^-3。

最后,研究了烧结助剂对晶须骨架多孔陶瓷低温烧成及烧成样品结构和性能的影响。实验结果发现,烧结助剂的单掺、共掺均能有效促进莫来石晶须及晶须

骨架多孔陶瓷的低温烧成。

单元烧结助剂中,B₂O₃的助熔效果最好,烧成温度1100℃即可制备出莫来石晶须,同时又能生成一定量的硼酸铝晶须,烧成温度1150℃制得的多孔陶瓷具有较好性能,开口孔隙率79.9±0.9%,抗弯强度15.6±0.7 MPa,体积密度0.85g.cm^-3,导热系数0.24

W.mK^-1,1000²000 Hz平均吸声系数0.80。双元烧结助剂中,3 wt%含量MoO₃和3 wt%含量V₂O₅共掺,1300℃烧成温度下的莫来石晶须长度较长,长径比较大,多孔陶瓷性能更优,开口孔隙率73.4±0.7%,抗弯强度28.9±0.6 MPa,体积密度0.93

g.cm^-3,导热系数0.36 W.mK^-1,1000²000 Hz平均吸声系数0.60。