莫来石的合成方法及其过程中应注意的事项
发布日期： 2020-03-24 14:31:33 阅读量（1360） 作者：刘梓明莫来石的合成可分为固相合成(包括传统的溶胶-凝胶(SSG)工艺)，液态合成和气态合成。固态合成和液态合成的莫来石根据加热处理的温度和铝硅的组成，可以被分为烧结莫来石和熔融莫来石。烧结莫来石是指将合成莫来石的原料加热到生成少量液相的温度，促进烧结又不影响其固相烧结，继而保温，使莫来石结晶并发育长大，形成所需要的莫来石形貌和结构。而熔融莫来石则是将氧化铝和二氧化硅的混合物加热到莫来石熔点以上，在冷却过程中结晶形成的莫来石。溶胶凝胶法制备莫来石也被称为化学莫来石，是由化学反应、热分解和莫来石化得到的莫来石，这种方法所制备的莫来石其性能高度依赖于化合物的纯度、均匀性、结晶温度以及致密度等条件。
高温工业大规模使用的莫来石按其制备方法分为两大类：即电熔莫来石和烧结莫来石。
电熔莫来石是将配好的铝硅系物料混合后装入电弧炉中，经电弧加热熔融合成而制得。一般要求电熔莫来石中不含刚玉相和尽量少的玻璃相。电熔莫来石的晶体常呈集束状多晶结构、晶柱体长达数晕米，仅有极少量的玻璃相填充在晶柱间隙内。
图1电熔莫来石(a)和烧结莫来石(b)的偏光显微结构照片
烧结合成法制备莫来石通常采用湿法生产。国内外生产基本工艺流程相似，如下图所示。
图2烧结合成莫来石的生产工艺流程
烧结合成莫来石时通常应注意控制：
(1)Al2O3/SiO2比值
Al2O3含量为71.8%~77.2%，SiO2含量为22.8%~28.2%。铝硅比应在2.55~3.40之间。如果用纯度高的工业氧化铝和熔融石英配置，其Al2O3含量一般应比莫来石的理论含量高1~3%为宜。
(2)原料的活性
烧结法合成莫来石主要是通过固相反应来完成的，因此原料的活性对其烧结性能有重要影响。原料选择得当，有利于固相反应烧结。首先应选择具有容易反应、晶格有缺陷的原料，如高岭石和高铝矾土，二者均在加热过程中产生脱水、相变，产生较高的活性，有利于固相反应和烧结。在工业生产中，不可避免地会带入杂质，其中危害最大的是陪半氧化物R2O，高温下R2O抑制莫来石的形成，在高温下可能导致莫来石分解，并产生较多的富硅玻璃，从而使材料的高温性能下降。
(3)原料的混磨方式与细度
通常采用湿法细磨，提高研磨效率，加大颗粒的比表面积。粒度越细，其结构缺陷越多，越有利于莫来石化的固相反应发生，可缩短烧结时间，降低烧结温度。
(4)烧成温度和保温时间
合成莫来石一般在1100℃莫来石开始生成，到1450℃完成第一阶段，而后随温度升高莫来石晶体发育长大(第二阶段)，到1600-1700℃莫来石含量几乎无变化，主要是烧结更加致密。此时熟料显气孔率最低，体积密度最大，实际是有少量液相参与的第三阶段。在1700℃左右实际已经进入烧结的末期阶段，此后再升温反而会产生致密度降低的现象。
根据我国资源特点制备烧结莫来石，前人有大量的研究报道。
杜晶等采用煤系轻烧高岭土或高纯石英砂和工业氧化铝(γ-Al2O3)为原料(粒度<325目)合成高纯莫来石，实验设计Al2O3含量分别为68%、70%和72%，原料经配料、细磨、成型、烘干后，分别经1580℃×3h、1630℃×3h、1380℃×3h+1580℃×3h二步烧结。以高岭土和工业氧化铝为原料合成的莫来石呈白色，含量高于90%，且其莫来石含量高于用石英砂合成的量。当Al2O3含量为68%、72%时，莫来石含量高于95%。在Al2O3含量为68%的原料中加入2a%ZnO和1b%锆英砂，经1380℃×3h加1580℃×3h二步煅烧后，合成制得了优质莫来石，物相莫来石的含量为97%，体积密度为2.89g·cm-3。
钟香崇等以矾土和煤矸石为原料，用湿磨均化工艺、烧结制备莫来石得出：当温度为1200℃时，有少量的莫来石生成，即为高岭石转变形成一次莫来石，此时莫来石晶体呈片状;当温度为1500℃时大量的莫来石生成，且随着温度继续升高、莫来石量稳定，说明1500℃时莫来石化己经完成，莫来石晶体发育呈不完善的针状或细条状，构成断续的网络结构;当温度为1700℃，发育完善的莫来石柱状晶体构成连续交错的空间网络结构。
杨中正等以高铝矾土和煤矸石为原料，配制成w(Al2O3)分别为90%、80%、70%和60%的试样，通过细磨、混练、成型、烘干后，分别在1450℃、1500℃、1550℃、1600℃、1650℃和1700℃保温3h锻烧，试样的物理性能见表1。
表1 几种国内外莫来石的主要理化性能
其中HB90和HB80的主晶相为刚玉，晶粒大小为8~10μm，它们构成骨架结构，有少量莫来石填充在骨架结构的空隙中;HB70和HB60的主晶相为莫来石，晶体发育良好，大多呈棱柱状，直径为3~6μm，长度为15~20μm，相互交错构成网络结构。莫来石晶体中Al2O3和SiO2的物质的量比分别为2.66~2.78CHB70)和2.13~2.42(HB60)，试样中还固溶有1.0%~2.6%的TiO2，表明试样中大部分TiO2已固溶到莫来石中。
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