固相合成法制備莫來石粉體

實驗10固相合成法制備莫來石粉體一、實驗?zāi)康?.掌握固相合成制備技術(shù)及其形成機理。2.學(xué)習(xí)并掌握體積密度和氣孔率計算并掌握莫來石表征方法。二、實驗原理莫來石是生產(chǎn)一般耐火材料廣泛應(yīng)用的鋁硅酸鹽材料，常壓條件下，僅在Al2O3·SiO2，系統(tǒng)中才存在其穩(wěn)定晶相。莫來石的化學(xué)組成范圍從3Al2O3·2SiO2到接近2Al2O3·SiO2。其晶體屬斜方晶系，除非在無液相的條件下燒結(jié)，通常晶體都為拉伸的針狀結(jié)晶。一般來講，莫來石是由各種天然形成的鋁硅酸鹽材料，諸如眾所周知的硅線石、藍晶石或紅柱石是通過高溫處理而生產(chǎn)出來的。這些礦物因產(chǎn)地不同，其組成也不同，其鋁、硅比及微量雜質(zhì)含量也不同。為確保獲得莫來石最佳產(chǎn)量進行的熱處理，常常會產(chǎn)生大量的不均勻硅質(zhì)玻璃，如加入鋁礬土來提高Al2O3含量，則會混進諸如二氧化鐵，氧化鐵等雜質(zhì)，實際上進一步改變了組分，就會極大地影響耐火度。合成莫來石的高溫性能不僅要簡單地寄托在組成物（整個加工階段中非常嚴格的質(zhì)量控制）固有的高溫穩(wěn)定性上，而且要在轉(zhuǎn)化過程期間，能夠控制結(jié)晶的生長。莫來石的耐高溫及物理損壞性能和它的最初的結(jié)晶尺寸有直接關(guān)系，結(jié)晶大，會使耐火材料全部性能良好，而這也是高溫處理過程的作用。晶體的增長依賴于原料的整體性、混合料的均勻性和混合料在高溫下的停留時間。通過對合成莫來石的微觀結(jié)構(gòu)及性能進行控制，由于它具有高熔點，低熱膨脹性、抗蠕變、化學(xué)惰性、高溫時略微提高的抗折強度及良好的介質(zhì)性能，在對各種結(jié)構(gòu)及電學(xué)性能有所要求的不同材料中獲得廣泛的應(yīng)用。通過對莫來石合成工藝、方法、原料的選擇等方面的控制，并借助改進其微觀結(jié)構(gòu)（通過改變粒度、外形、組成、基質(zhì)分布、界面特征，以及其他方面來控制其微觀結(jié)構(gòu)或性能），可以使其性能滿足所需要的標準和要求。大量的成果是用于合成高純度莫來石，直接地應(yīng)用在各種結(jié)構(gòu)和電學(xué)要求的領(lǐng)域中。莫來石主要的合成方法有醇鹽沉淀法，化學(xué)濕混法、溶膠法及燒結(jié)反應(yīng)、結(jié)合反應(yīng)法，莫來石可以采用工業(yè)原料合成，也可以采用天然礦物原料合成，電熔法合成的莫來石晶粒發(fā)育良好呈針狀或柱狀解理明顯，易于破碎；燒結(jié)法合成的莫來石晶粒細小，通常呈粒狀，無明顯解理存在，破碎比較困難；采用工業(yè)原料合成的莫來石純度較高，而采用天然礦物原料合成的莫來石通常含有較多的雜質(zhì)。為了降低莫來石的合成溫度，采用如下兩條途徑。①采用濕化學(xué)方法。主要是Sol-Gel方法來制備顆粒尺寸更小，反應(yīng)活性及混合性更好的莫來石先驅(qū)體，以實現(xiàn)莫來石的低溫合成。主要以正硅酸乙酯和硝酸鋁為起始原料，用來合成莫來石先驅(qū)體。這種雙相凝膠的莫來石生成反應(yīng)一般認為按以下兩條途徑進行：一是莫來石由無定形SiO2和過渡態(tài)Al2O3之間反應(yīng)進行；二是凝膠首先在1000℃生成Al-Si尖晶石香，然后在1200℃以上同無定形SiO2反應(yīng)生成莫來石。②通過加入LiF、AlF3、V2O5添加劑等來實現(xiàn)莫來石的低溫合成。雖然采用Sol-Gel法能較大程度地降低莫來石的合成溫度，但是工藝參數(shù)不易控制，生產(chǎn)周期長，難以達到規(guī)模化生產(chǎn)的要求。為此，本工作仍采用傳統(tǒng)的固相反應(yīng)合成方法，固相反應(yīng)是當加熱到一定溫度時，反應(yīng)物開始呈現(xiàn)顯著擴散作用，發(fā)生物質(zhì)遷移和傳遞的過程，反應(yīng)物之間直接進行化學(xué)反應(yīng)。合成莫來石固相反應(yīng)主要有一次莫來石化和二次莫來石化反應(yīng)。用不同原料合成莫來石其所發(fā)生的固相反應(yīng)也盡不相同，如用氧化鋁和高嶺土作原料，固相反應(yīng)主要有一次莫來石化和二次莫來石化反應(yīng)。固相合成莫來石主要依靠Al2O3與SiO2之間的固相反應(yīng)來完成，提高原料的細分散度，將會加速固相反應(yīng)的進程，改善燒結(jié)特性。因為，粉體在粉碎與研磨過程中消耗的機械能，以表面能的形成儲存在粉體中，使粉狀物料與同質(zhì)量的塊體材料相比具有極大的比表面積，相應(yīng)地粉料也具有很高的比表面積的過剩能量；此外，粉碎和研磨也會導(dǎo)入晶格缺陷，使得粉體具有較高的活性；隨著粉料的顆粒尺寸的減小，鍵強分布曲線變平，弱鍵比例增加，反應(yīng)和擴散能力增強。因此，燒結(jié)使用的粉末顆粒具有非常大的表面能量和反應(yīng)活性。本實驗以廉價的α-Al2O3和硅灰為起始原料，通過加入V2O5、CaF2、MgF2等添加劑來實現(xiàn)固相合成莫來石，考察這些添加劑和工藝條件對莫來石合成的影響，并進一步探討莫來石的形成機理。三、實驗設(shè)備及材料1.實驗設(shè)備：有機玻璃球，研缽，電動攪拌機，鼓風(fēng)干