固相合成法制备莫来石粉体

1、固相合成法制备莫来石粉体实验10固相合成法制备莫来石粉体一、实验目的1. 掌握固相合成制备技术及其形成机理。2. 学习并掌握体积密度和气孔率计算并掌握莫来石表征方法。二、实验原理莫来石是生产一般耐火材料广泛应用的铝硅酸盐材料，常压条件下，仅在AI2O3 SiO2,系统中才存在其稳定晶相。莫来石的化学组成范围从3AI2O3 2SiO2 到接近2AI2O3 SiO2o其晶体属斜方晶系，除非在无液相的条件下烧结，通常 晶体都为拉伸的针状结晶。一般来讲，莫来石是由各种天然形成的铝硅酸盐材 料，诸如众所周知的硅线石、蓝晶石或红柱石是通过高温处理而生产出来的。这些矿物因产地不同，其组成也不同，其铝、硅比及

2、微量杂质含量也不同。为 确保获得莫来石最佳产量进行的热处理，常常会产生大量的不均匀硅质玻璃， 如加入铝矶土来提高Al 2O3含量，则会混进诸如二氧化铁，氧化铁等杂质，实际 上进一步改变了组分，就会极大地影响耐火度。合成莫来石的高温性能不仅要 简单地寄托在组成物（整个加工阶段中非常严格的质量控制）固有的高温稳定 性上，而且要在转化过程期间，能够控制结晶的生长。莫来石的耐高温及物理 损坏性能和它的最初的结晶尺寸有直接关系，结晶大，会使耐火材料全部性能 良好，而这也是高温处理过程的作用。晶体的增长依赖于原料的整体性、混合 料的均匀性和混合料在高温下的停留时间。通过对合成莫来石的微观结构及性 能进行控

3、制，由于它具有高熔点，低热膨胀性、抗蠕变、化学惰性、高温时略 微提高的抗折强度及良好的介质性能，在对各种结构及电学性能有所要求的不 同材料中获得广泛的应用。通过对莫来石合成工艺、方法、原料的选择等方面 的控制，并借助改进其微观结构（通过改变粒度、外形、组成、基质分布、界 面特征，以及其他方面来控制其微观结构或性能），可以使其性能满足所需要的 标准和要求。大量的成果是用于合成高纯度莫来石，直接地应用在各种结构和 电学要求的领域中。莫来石主要的合成方法有醇盐沉淀法，化学湿混法、溶胶 法及烧结反应、结合反应法，莫来石可以采用工业原料合成，也可以采用天然 矿物原料合成，电熔法合成的莫来石晶粒发育良好呈

4、针状或柱状解理明显，易 于破碎；烧结法合成的莫来石晶粒细小，通常呈粒状，无明显解理存在，破碎 比较困难；采用工业原料合成的莫来石纯度较高，而采用天然矿物原料合成的 莫来石通常含有较多的杂质。为了降低莫来石的合成温度，采用如下两条途径。 采用湿化学方法。主要是 Sol-Gel方法来制备颗粒尺寸更小，反应活性及混合性更好的莫来石先驱体，以实现莫来石的低温合成。主要以正硅酸乙酯和 硝酸铝为起始原料，用来合成莫来石先驱体。这种双相凝胶的莫来石生成反应 一般认为按以下两条途径进行：一是莫来石由无定形Si02和过渡态AI2O3之间反应进行；二是凝胶首先在1000生成Al-Si尖晶石香，然后在1200E以上

5、同 无定形Si02反应生成莫来石。 通过加入LiF、AIF3、V2O5添加剂等来实现莫来石的低温合成。虽然采 用Sol-Gel法能较大程度地降低莫来石的合成温度，但是工艺参数不易控制，生 产周期长，难以达到规模化生产的要求。为此，本工作仍采用传统的固相反应 合成方法，固相反应是当加热到一定温度时，反应物开始呈现显著扩散作用， 发生物质迁移和传递的过程，反应物之间直接进行化学反应。合成莫来石固相 反应主要有一次莫来石化和二次莫来石化反应。用不同原料合成莫来石其所发 生的固相反应也尽不相同，如用氧化铝和高岭土作原料，固相反应主要有一次莫来石化和二次莫来石化反应。固相合成莫来石主要依靠AI2O3与S

6、i02之间的固相反应来完成，提高原料的细分散度，将会加速固相反应的进程，改善烧结 特性。因为，粉体在粉碎与研磨过程中消耗的机械能，以表面能的形成储存在 粉体中，使粉状物料与同质量的块体材料相比具有极大的比表面积，相应地粉 料也具有很高的比表面积的过剩能量；此外，粉碎和研磨也会导入晶格缺陷， 使得粉体具有较高的活性；随着粉料的颗粒尺寸的减小，键强分布曲线变平， 弱键比例增加，反应和扩散能力增强。因此，烧结使用的粉末颗粒具有非常大 的表面能量和反应活性。本实验以廉价的a -Al2O3和硅灰为起始原料，通过加入V2O5、CaF2、MgF2 等添加剂来实现固相合成莫来石，考察这些添加剂和工艺条件对莫来

7、石合成的 影响，并进一步探讨莫来石的形成机理。三、实验设备及材料1实验设备：有机玻璃球，研钵，电动搅拌机，鼓风干燥箱，数显恒温水浴 锅，高温煅烧炉，X射线衍射仪，扫描电子显微镜，电子天平，透射电镜。2实验材料：a -AI2O3,硅灰（SiO2），无水乙醇，五氧化二钒，氟化镁，氟化钙四、实验内容与制备(一)莫来石粉体的制备(1) 粉体制备 按AI2O3： SiO2=3:2(物质的量之比)称取一定量的a -AI2O3 和硅灰(SiO2),另外分别加入上述粉体质量分数 2%的添加剂(V2O5, MgF2, CaF2)溶于定量无水乙醇(达到混合效果即可)，搅拌混合均匀，静置8h后用 78 C水浴加热蒸

8、干乙醇。(2) 粉体研磨 上述混合过后的粉体放入金属研钵内，用有机玻璃球进行 手工研磨，研磨15min。(3) 粉体煅烧 将研磨后的固体复合物置于坩埚，并送入高温煅烧炉中， 煅烧温度10001500C之间。保温时间6h,然后按5C/min的速度降温至200C 以下时自然冷却至室温，得到终产物。(二)莫来石粉体体积密度气孔率测试及形貌表征。1. 体积密度测试(1 )试样质量的测定 试样称重前先把其表面附着的灰尘及细碎颗粒刷净 在电热干燥箱中于(110± 5)C烘干2h或在允许的更高温度下烘干至恒温，并 于干燥箱中自然冷却至室温，称量每个试样的质量，精确至 0.01g。(2) 浸渍 将试

9、样放入容器中，并置于抽真空装置中，抽真空至剩余压力小于20mmHg，试样在此真空度下保持 5min，然后在5min内缓慢注入供试样 吸收的蒸馏水，直至试样完全被淹没。再保持抽真空5min，然后停止抽气，将容器取出在空气中静置30min。(3) 饱和试样表观质量的测定将饱和试样迅速移动至带溢流管容器的浸 液中，当浸液完全淹没试验后，将试样吊在天平的挂钩上称量，精确至 0.01g。(4) 饱和试样的质量的测定从浸液中取出试样，用饱和了液体的毛巾，小心地擦去试样表面多余的液体(但不要把气孔中的液体吸出)，迅速称量饱和试样在空气中的质量，精确至 0.01g。显气孔率（Pa）(10-1)体积密度（Db）

10、(10-2)式中mi干燥试样质量，g；m2饱和试样的表现质量，g ；m3饱和试样在空气中的质量，g;Di实验温度下，浸渍液体的密度，g cm-3。在体积密度和气孔率的测定中，莫来石在常温下置于水中，不会对其物理 和化学性质产生根本的改变，所以本次测定过程中，浸渍液体选用水即可，所 以式（10-2）就变为(10-3)2. 莫来石粉体的表征（1）X射线衍射（XRD ）通过对材料进行X射线衍射，分析其衍射图谱, 分析材料的成分和含量等。（2）扫描电子显微镜（SEM ）观察莫来石颗粒表面形貌。（3）粒子尺寸测试 采用透射电镜测试粒子尺寸。五实验结构与讨论1. 按上述测定内容撰写实验报告。2. 分析V2O5、CaF2