粉煤灰與Al（OH）3的配比對制備莫來石多孔材料的影響

胡其國 劉 瑩 邵 晴 李 濟

江西陶瓷工藝美術職業技術學院 江西景德鎮 333001

莫來石多孔陶瓷具有體積密度小、比熱容和熱導率低、抗熱震性好等優點，在高溫隔熱、過濾、催化劑載體、離子交換等領域具有廣泛的應用［1-2］。粉煤灰是燃煤發電廠的一種固體廢棄物，富含SiO2、Al2O3，可以作為制備莫來石材料的原料，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為晶須促進劑，V2O5為燒結助劑，在不引入其他造孔劑的條件下，采用固相燒結法制備莫來石多孔陶瓷材料，主要研究了粉煤灰與Al（OH）3的配比對莫來石多孔材料的影響。

1 試驗

試驗用粉煤灰的化學組成（w）為：SiO260.37%，Al2O328.04%，Fe2O33.77%，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；從試驗用粉煤灰的XRD圖譜（圖略）看，其晶相為石英和莫來石，但在2θ角20°～30°范圍的“饅頭峰”表明其中有玻璃相存在。試驗用Al（OH）3、燒結助劑V2O5和晶須促進劑AlF3均為化工原料。

根據莫來石的理論組成3Al2O3·2SiO2及粉煤灰和Al（OH）3（按純Al（OH）3計）的化學組成計算，配料中Al2O3、SiO2比符合3Al2O3·2SiO2時，其粉煤灰與Al（OH）3的配料組成（w）為：粉煤灰34.2%，Al（OH）365.8%。考慮到粉煤灰中存在的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相對富余。因此，設計了表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，在行星球磨機中以氧化鋁球和去離子水為球磨介質混磨3 h。過篩，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檢測試樣的體積密度和顯氣孔率，按GB/T 1964—1996檢測試樣的耐壓強度。用德國Bruker AXS D8-Advance型X射線衍射儀檢測試樣的物相組成，用日本FEJSM-6700F型掃描電子顯微鏡觀察試樣斷面形貌。

2 結果與討論

2.1 顯氣孔率、體積密度和耐壓強度

試樣的顯氣孔率和體積密度見圖1，耐壓強度見圖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 試樣的耐壓強度Fig．2 Compressive strength of specimens

從圖1和圖2可以看出：從試樣X1到試樣X5，隨著粉煤灰與Al（OH）3質量比的增大，試樣顯氣孔率呈增大趨勢，體積密度和耐壓強度呈減小趨勢。

2.2 物相組成和顯微結構

試樣的XRD圖譜見圖3。可以看出：各試樣的主晶相均為莫來石，但試樣X1至X4均存在剛玉衍射峰。從試樣X1到試樣X5，剛玉衍射峰逐漸減弱直至消失（試樣X5），莫來石衍射峰逐漸增強。

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

試樣斷面的SEM照片見圖4。可以看出：試樣X1、X2中有明顯的片狀物，據圖3的物相分析結果推測其為剛玉。試樣X3中的莫來石晶體呈棒狀和針狀。試樣X4、X5中有大量針狀莫來石，通過Nano Measurer軟件測量計算可得其長徑比達到30，并且莫來石呈簇狀生長。

圖4 試樣斷面的SEM照片Fig．4 SEM photos of specimens section

2.3 分析討論

本試驗中，試樣孔隙主要來源于：

（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，它們在1 100℃保溫2 h燒成過程中揮發而留下相應的孔隙，這些孔隙在1 100℃保溫2 h燒成過程中不能全部排出。

（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燒成過程中會在珠體表面形成定向外延生長的莫來石晶體，使珠體之前的閉氣孔轉變為開氣孔［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燒成過程中與Al（OH）3分解形成的Al2O3原位反應生成次生莫來石，同時產生較大的體積膨脹，從而在試樣中產生大量孔隙。大量原位莫來石的生成可能是導致本試驗中試樣孔隙率大的主要原因。如前所述，從試樣X1到試樣X5，莫來石相逐漸增多，且莫來石晶體由棒狀逐漸向針狀轉變并呈簇狀生長，這導致試樣孔隙率逐漸增大。

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

粉煤灰中含有較多的雜質和一定量的玻璃相。粉煤灰含量增多，試樣在1 100℃保溫2 h燒成過程中產生的液相也增多。液相能夠促進莫來石晶體的生長發育，使其由棒狀逐漸轉變為針狀，且長徑比增大。

3 結論

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

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

（3）當粉煤灰與Al（OH）3質量比為52.2∶47.8時，試樣的顯氣孔率為53.1%，體積密度為1.12 g·cm-3，耐壓強度為22.8 MPa，莫來石晶體的長徑比達到30。