燒成制度對合成堇青石的結構和性能的影響

王玉梅

（廣東金剛新材料有限公司，佛山 528200）

1 前言

凹凸棒石是一類鏈層狀富鎂鋁硅酸鹽天然納米材料，具有低溫燒結特性，其理想結構式為［（OH2）4（Mg，Al，Fe）5（OH）Si8O2］·4H2O[1]。在微觀狀態下呈現截面直徑10～30 nm棒狀單晶和棒狀單晶聚集體，存在0.38×0.63 nm左右孔道。因此該原料以高比表面積和高吸附活性等特點廣泛應用于工業吸附[2]。例如：鐘明強等人[3]采用聚丙烯（PP）改性凹凸棒石與聚烯烴彈性體制備成復合材料，從而使其力學性能、流變性能顯著提高。羅士平等[4]采用改性納米凹凸棒石改性酚醛膠黏劑，從而提高其剪切強度、降低游離甲醛含量。大部分凹凸棒石研究集中在高分子復合材料方面，但將凹凸棒土制備陶瓷基復合材料卻較少被報道。

堇青石是一種熱膨脹系數較低的材料，制備而成的產品較多，如堇青石窯具[5]、堇青石墊板、堇青石蜂窩陶瓷[6]等，應用范圍很廣，一般生產廠家以滑石、高嶺土和氧化鋁粉為原料進行合成堇青石質陶瓷材料，滑石幾乎沒有塑性，所需要的成型要求及合成堇青石的范圍較窄，不利于大規模生產。

本文引用凹凸棒粘土進行合成堇青石質陶瓷材料，在國內還未見報道。

2 試驗

2.1 復相陶瓷的制備

復相陶瓷的制備工藝流程如下：原料→烘干→稱料→球磨→烘干、過篩→干壓成型→干燥→燒成，加入一定量的添加劑，成型壓力為30 MPa，試樣尺寸（mm）為：50×10×5。坯體干燥后，將各試樣在硅鉬棒爐中于1350℃保溫2 h燒成，停止加熱后隨爐溫自然冷卻。

2.2 復相陶瓷的性能表征

采用阿基米德法測試燒結體的吸水率和體積密度，利用Y-4型的X射線衍射儀分析試樣的晶相；利用德國耐馳DIL402PC熱膨脹系數檢測儀對試樣的熱膨脹系數進行檢測。

2.3 試驗的設計

（1）配方設計。

表1 配方比例

（2）燒成制度設計。

表2 燒成制度（一）

表3 燒成制度（二）

表4 燒成制度（三）

3 結果與討論

3.1 試樣的燒結狀況

從燒結性能來看，分別在1000℃、1100℃和1200℃下進行保溫，在各保溫溫度下，隨著保溫時間的延長，輥棒的吸水率顯著降低，尤其是1000℃下保溫，吸水率降低較為顯著。

因為凹凸棒粘土為層狀結構，在中溫時，層狀結構中的Mg2+會從結構中脫離出來，需要一定的能量，因此在1000～1200℃下進行保溫一定的時間。傳統合成堇青石的方法為滑石、氧化鋁和粘土進行反應燒成，由于滑石和凹凸棒粘土的結構不同，因此合成所需要的溫度也不相同，在1100℃下隨著保溫時間的增加，試樣的吸水率略有降低，但是其體積密度先增大后減小，這是因為保溫時間提高，燒結致密度提高。但是繼續保溫，合成的堇青石的含量更多，而堇青石材料的密度較小，因此呈現如上規律。在1200℃下進行保溫6～14 h，試樣的吸水率變化不大，體積密度也較為穩定，這說明，其燒結性能達到要求，不再合成新的堇青石。

3.2 試樣的熱膨脹系數及物相情況

從以上試驗結果可以看出，在1000℃和1100℃下保溫時間6～10 h，熱膨脹系數均在3.80～3.85×10-6/℃內變化，堇青石的含量較低。這是因為在1200℃以下，雖然溫度帶來的能量足夠破壞凹凸棒粘土的結構，使其與氧化鋁粉和粘土中的二氧化硅反應生成堇青石相，但這是利用足夠的保溫時間來達到的，這對于堇青石的晶核形成堇青石晶體所需要的能量有所不足，堇青石晶相的生長所需要的“溫床”欠缺，莫來石晶核及細小的晶體來不及長大，被玻璃相所包裹，因此，還存在一定量的石英相，玻璃相的含量也較高。

表5 燒結性能

1200℃時進行保溫，堇青石相的含量顯著提高，對應的熱膨脹系數也下降明顯。這是因為1200℃已經達到了凹凸棒粘土及氧化鋁粉和粘土反應生成堇青石的溫度，足夠的保溫時間提供了晶核形成為堇青石晶體的足夠能量。隨著溫度的繼續升高，當溫度達到1350℃時，所形成的的晶體均存在不同程度的長大，1350℃下保溫2 h，晶體進一步發育完全，因此所檢測到的堇青石相含量較大。

表6 熱膨脹系數及相組成

4 結論

（1）通過凹凸棒粘土可以實現堇青石的合成；

（2）堇青石相合成需要足夠的能量，在燒成溫度前，需要一定的保溫時間，1200℃保溫效果較1000℃和1100℃保溫效果要好；

（3）利用凹凸棒粘土合成堇青石的溫度較傳統合成法合成溫度要低30～50℃；

（4）在1200℃保溫10 h，并達到燒結溫度下，可制備出吸水率為9.95%、堇青石含量為35%、熱膨脹系數為3.58×10-6/℃的復相功能陶瓷材料。