国产日韩欧美一区二区三区三州_亚洲少妇熟女av_久久久久亚洲av国产精品_波多野结衣网站一区二区_亚洲欧美色片在线91_国产亚洲精品精品国产优播av_日本一区二区三区波多野结衣 _久久国产av不卡

?

利用鎂橄欖石和粉煤灰漂珠制備輕質(zhì)隔熱材料的研究

2022-10-19 07:15謝哲鄧承繼董博丁軍祝洪喜周念余超
耐火材料 2022年5期
關(guān)鍵詞:氣孔率硼砂硼酸

謝哲 鄧承繼 董博 丁軍 祝洪喜 周念 余超

武漢科技大學(xué)省部共建耐火材料與冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖北武漢430081

粉煤灰漂珠是煤炭燃燒過程中無機(jī)礦物快速冷卻而形成的鋁硅酸鹽廢料,利用粉煤灰漂珠的中空薄壁結(jié)構(gòu),其與高嶺土、礬土等鋁硅系原料混合后經(jīng)高溫?zé)桑芍苽浔馗魺岵牧?,被廣泛應(yīng)用于建筑、石化、冶金和機(jī)械等領(lǐng)域[1-3]。然而,高嶺土、礬土等資源在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防等領(lǐng)域的需求量日趨增多,過度開采和消耗導(dǎo)致優(yōu)質(zhì)礦床越來越少,近年來優(yōu)質(zhì)高嶺土、礬土資源的產(chǎn)量已滿足不了快速發(fā)展的需求[4-6]。同時(shí),為保證經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量綠色發(fā)展,尤其是推動我國“碳達(dá)峰”“碳中和”戰(zhàn)略實(shí)施,如何在較低的燒成溫度下制備低成本、高性能輕質(zhì)隔熱材料受到了國內(nèi)外研究工作者的廣泛關(guān)注。

天然鎂橄欖石是我國特有的優(yōu)勢非金屬礦產(chǎn)資源,質(zhì)地優(yōu),分布廣。鎂橄欖石具有熔點(diǎn)高、化學(xué)穩(wěn)定性好、熱導(dǎo)率(是純氧化鎂的1/3~1/4)低等特點(diǎn)。采用天然鎂橄欖石為原料制備輕質(zhì)隔熱材料不僅具有明顯的資源優(yōu)勢,還有利于提升鎂橄欖石資源利用的附加值[7-10]。目前鎂橄欖石質(zhì)隔熱材料的制備方法主要包括添加造孔劑法[11]、泡沫法[12]和熔鹽法[13]等,但都存在燒成溫度較高的問題。為進(jìn)一步降低原料成本和燒成溫度,在本研究中,以鎂橄欖石和粉煤灰漂珠為主要原料,硼砂為調(diào)質(zhì)劑,通過液相燒結(jié)制備輕質(zhì)隔熱材料,并研究了其性能,為開辟鎂橄欖石資源高效綜合利用提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 原料

試驗(yàn)用主要原料有:粒徑為830~380、380~150 和150~40 μm的粉煤灰漂珠,d50=20.02 μm的鎂橄欖石粉,二者的化學(xué)組成見表1。

以硼砂(Na2B4O7·10H2O,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)為調(diào)質(zhì)劑,以水玻璃(液體硅酸鈉,SiO2與Na2O物質(zhì)的量比為3.3,固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)為34%,山東優(yōu)索化工科技有限公司)為結(jié)合劑。

1.2 試樣制備

試樣配比如表2所示。按表2精確稱取原料,首先將鎂橄欖石粉和硼砂混合均勻作為預(yù)混合粉;而后將粉煤灰漂珠與部分水玻璃攪拌3~5 min,倒入所有預(yù)混合粉后繼續(xù)攪拌3~5 min,最后倒入剩余水玻璃,攪拌10~15 min后得到混合均勻的泥料;困料12 h后,在5 MPa壓力下壓制成φ50 mm×50 mm的圓柱試樣;放入110℃的烘箱中烘12 h,再置于馬弗爐中在空氣氣氛下以5℃·min-1升溫至800℃保溫1 h,自然冷卻后得燒后試樣。

表2 試樣配比Table 2 Formulations of samples

1.3 性能檢測

對800℃保溫1 h燒后試樣,采用X射線衍射儀(XRD)測定物相組成,采用掃描電子顯微鏡(SEM)和能譜儀(EDS)觀察斷口形貌和微區(qū)成分分析,并對試樣進(jìn)行切片、滲膠和拋光等處理后,觀察試樣背散射電子像。按GB/T 5072—2008,使用YAW-1000D型微機(jī)控制壓力試驗(yàn)機(jī)測燒后試樣的常溫耐壓強(qiáng)度;按GB/T 5071—2013,采用全自動真密度分析儀測定試樣的真密度(ρt);按GB/T 2997—2015,以煤油為介質(zhì)測定試樣的顯氣孔率(πa)和體積密度(ρb),根據(jù)真氣孔率(πt)的計(jì)算公式πt=(ρt-ρb)/ρt×100%,計(jì)算試樣的真氣孔率,再按πt-πa計(jì)算閉氣孔率πf;按YB/T 4130—2005使用平板導(dǎo)熱儀測燒后試樣在300℃下的熱導(dǎo)率。

2 結(jié)果與討論

2.1 粉煤灰漂珠的表征

粒徑為830~380、380~150和150~40 μm的粉煤灰漂珠的SEM照片和XRD圖譜見圖1。由圖可得,粉煤灰漂珠的物相主要由莫來石和石英組成,并含有部分玻璃相。粉煤灰漂珠具有球形結(jié)構(gòu),其壁厚隨漂珠粒徑的減小而降低。

圖1 粉煤灰漂珠的顯微形貌和XRD圖譜Fig.1 SEM images and XRD pattern of fly ash cenespheres

2.2 物相組成

圖2為800℃燒后試樣的XRD圖譜。

圖2 800℃燒后試樣的XRD圖譜Fig.2 XRD patterns of samples fired at 800℃

由圖2可看出,試樣BP1主要由鎂橄欖石(Mg2SiO4)、硼酸鋁(Al18B4O33)、莫來石(Al6Si2O13)和石英(SiO2)組成,并含有部分非晶相。隨著硼砂加入量的增加,硼酸鋁和莫來石對應(yīng)衍射峰的相對強(qiáng)度逐漸降低,而石英對應(yīng)衍射峰的相對強(qiáng)度逐漸增加;當(dāng)硼砂加入量為20%(w)時(shí),試樣BP3中出現(xiàn)硼酸鎂(Mg2B2O5)的衍射峰。進(jìn)一步增加硼砂加入量,硼酸鎂衍射峰的相對強(qiáng)度增強(qiáng)。硼砂的主要成分為Na2B4O7·10H2O。在240~260℃時(shí),硼砂首先失去結(jié)晶水[14],有利于形成氣孔;在741℃附近時(shí)分解生成液相B2O3(熔點(diǎn)為460℃[15])和Na2O;在800℃時(shí)B2O3分別與漂珠中的莫來石和鎂橄欖石發(fā)生固液反應(yīng),生成硼酸鎂和硼酸鋁。隨硼砂加入量增加,硼酸鎂含量逐漸增大,而鎂橄欖石含量逐漸降低。XRD圖譜中未發(fā)現(xiàn)B2O3和Na2O的衍射峰,可能是由于高溫下B2O3和Na2O氣相的揮發(fā)或者B2O3和Na2O形成了玻璃相[16]。

2.3 常溫物理性能

800℃燒后試樣的常溫物理性能見表3。由表3可知:1)試樣燒后先微膨脹再收縮,硼砂加入量(w)從20%到30%,線收縮率呈增大趨勢。結(jié)合XRD分析可得,800℃下試樣中液相的主成分為B2O3和Na2O,且液相含量隨著硼砂加入量增加而增多,使鎂橄欖石與粉煤灰漂珠結(jié)合更緊密,導(dǎo)致試樣的燒后線收縮率增大。2)隨著硼砂加入量的增加,試樣真氣孔率呈上升趨勢,且體積密度呈下降趨勢。這是由于硼砂含量增多時(shí),硼砂中結(jié)晶水的揮發(fā)會導(dǎo)致氣孔的形成,增大材料的真氣孔率,降低材料的體積密度。3)隨硼砂加入量增加,試樣的常溫耐壓強(qiáng)度呈上升趨勢。液相B2O3有效促進(jìn)了高溫下固-液反應(yīng)的推進(jìn),使漂珠與鎂橄欖石之間結(jié)合更加緊密,從而提高了材料的耐壓強(qiáng)度。因此,本方法可制得高氣孔率、高強(qiáng)度的輕質(zhì)隔熱材料。

表3 800℃燒后試樣的常溫物理性能Table 3 Cold physical properties of samples after firing at 800℃

2.4 顯微結(jié)構(gòu)

圖3為800℃燒后試樣的背散射電子像,淺灰色部分表示材料固相部分,黑色部分表示材料的孔隙,部分典型的孔隙形狀由虛線圈出。由圖可得,隨著硼砂加入量增加,圓形孔隙數(shù)量(特別是小尺寸圓形孔隙的數(shù)量)明顯減少,而貫通孔的數(shù)量增多。這是由于B2O3與莫來石反應(yīng)生成硼酸鋁,破壞了漂珠孔隙結(jié)構(gòu)。粒徑較小的粉煤灰漂珠比表面積較大,反應(yīng)活性較高,同時(shí)由圖1可知粒徑較小的漂珠壁更薄,因此材料中小粒徑漂珠更容易發(fā)生反應(yīng)并溶蝕漂珠的中空薄壁結(jié)構(gòu),使材料中形成連通孔隙,降低材料的閉口氣孔率,所以表3中試樣BP1的閉氣孔率最大。

800℃燒后試樣BP1和BP3的斷口形貌見圖4。由圖可得,800℃燒后試樣BP1斷面中漂珠的顆粒堆積較為松散,形貌保存較好,僅有少量漂珠發(fā)生破裂,說明材料受外力作用時(shí)裂紋主要沿基質(zhì)部分?jǐn)U展;而試樣BP3斷面中有較多的圓形氣孔,漂珠的形狀發(fā)生明顯變化,從圖4(c)看出,鎂橄欖石和粉煤灰漂珠緊密結(jié)合在一起,是由于硼砂在二者界面處形成結(jié)合相,此時(shí)鎂橄欖石和漂珠的界面強(qiáng)度高于漂珠的強(qiáng)度,因此粉煤灰漂珠破裂時(shí)將消耗更多能量,使得材料的常溫強(qiáng)度得到提高。

圖3 800℃燒后試樣的背散射電子像Fig.3 Backscattered electron images of samples fired at 800℃

圖4 800℃燒后試樣BP1和BP3的斷口形貌Fig.4 Fracture morphology of samples B1 and B3 fired at 800℃

2.5 熱導(dǎo)率

圖5為800℃燒后試樣在300℃下的熱導(dǎo)率。

圖5 800℃燒后試樣在300℃下的熱導(dǎo)率Fig.5 Thermal conductivity of samples fired at 800℃

由圖5可知,隨硼砂加入量增加,試樣的熱導(dǎo)率先降低再增大。一方面,材料氣孔率逐漸增加,使得材料的熱導(dǎo)率降低;另一方面,材料中閉口氣孔率逐漸降低,且具有較高熱導(dǎo)率的硼酸鎂含量增加,使得熱導(dǎo)率增加。試樣BP1、BP2和BP3中前者對材料熱導(dǎo)率的作用效果較強(qiáng),使試樣熱導(dǎo)率隨氣孔率增大而降低;而試樣BP4中后者作用效果較強(qiáng),使得試樣熱導(dǎo)率較大。綜合考量試樣的常溫強(qiáng)度與熱導(dǎo)率,當(dāng)硼砂加入量為20%(w)時(shí),可制得高強(qiáng)度和低熱導(dǎo)率的輕質(zhì)隔熱材料。

3 結(jié)論

(1)輕質(zhì)隔熱材料的主物相為鎂橄欖石、硼酸鋁、莫來石和石英,隨硼砂加入量逐漸增大,試樣中出現(xiàn)硼酸鎂相。

(2)加熱過程中,硼砂中結(jié)晶水的揮發(fā)有利于材料中氣孔的形成,同時(shí)硼砂分解生成B2O3,與粉煤灰漂珠和鎂橄欖石反應(yīng)形成結(jié)合相,提升了材料的常溫耐壓強(qiáng)度。當(dāng)硼砂含量較高時(shí),B2O3與粉煤灰漂珠的反應(yīng)破壞了粉煤灰漂珠的中空薄壁結(jié)構(gòu),使材料閉口氣孔率降低,熱導(dǎo)率增大。

(3)當(dāng)硼砂加入量為20%(w)時(shí),試樣的綜合性能最佳,其真氣孔率、體積密度、常溫耐壓強(qiáng)度和熱導(dǎo)率分別為(58.6±0.3)%、(1.08±0.01)g·cm-3、(7.62±0.31)MPa和0.15 W·m-1·K-1。

(4)利用鎂橄欖石和粉煤灰漂珠制備輕質(zhì)隔熱材料,燒成溫度較低,其性能與常見輕質(zhì)隔熱材料的相當(dāng),具有明顯的成本優(yōu)勢和環(huán)保效益。

猜你喜歡
氣孔率硼砂硼酸
酯化法高純硼酸制備中痕量鈣殘存機(jī)理及脫除方法探究
硼砂洗頭止癢去屑
光斑尺寸對碳鋼板激光焊焊縫成形及氣孔率的影響
全方位護(hù)理干預(yù)在真菌性外耳道炎患者耳道沖洗與硼酸滴耳液治療過程中的應(yīng)用觀察
氧化鋅對滑石質(zhì)瓷性能的影響
6061-T6中厚板鋁合金激光焊接工藝研究
利用硼砂結(jié)晶原理自制雪花
取代硼酸與羥乙基胺化合物間的相互作用研究
自制“水晶”雪花
基于高氣孔率的“蓮藕型”多孔隙鋁的制造