在硫酸钠熔盐中合成莫来石晶须Word下载.docx
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因此,熔盐法合成莫来石的合理温度为1000℃时保温3h。
关键词 熔盐法,硫酸钠,莫来石,晶须 莫来石陶瓷的高温物理化学性质稳定,熔点高,热膨胀系数小,而且其强度和韧性随着温度的升高不仅不衰减反而大幅度提高,所以莫来石的应用极其广泛
[1-3]
100℃干燥,以去除吸附水,按Al2O3与SiO2物质的
量比为3:
2准确称取Al2（SO4）3?
18H2O和SiO2,置于刚玉行星球磨罐中,加入适量刚玉球,以250
r?
min的转速,在行星球磨机上研磨10min,取出
-1
。
莫来石的结构呈链状,其晶体自然生长形状
为沿c轴延伸的长柱状、针状,所以通过控制合成条件可以获得莫来石晶须。
近年来,许多科研工作者利用莫来石晶须对陶瓷材料进行增韧补强陶瓷材料的机械性能。
在熔盐中合成复杂氧化物粉体是近年来受到关注的一种粉体制备方法
[6-7][4-5]
备用。
该混合粉末即为合成反应的原料。
按反应料与Na2SO4的质量比分别为2:
1、1、1:
2、4称取Na2SO4和研磨混合的反应料,放入行星1:
以提高
球磨机内再次混合,将混合物取出,置于刚玉坩埚内,在高温炉中分别于700℃、℃、℃、℃、8009009501000℃、1100℃1200℃和保温一定时间煅烧,随炉冷却后取出。
烧后试样在烧杯中用蒸馏水溶解以去除其中的
Na2SO4,经滤纸过滤,用热蒸馏水洗涤沉淀至无硫酸根
该方法采用一种或数
种低熔点的盐类溶剂作为反应介质,合成反应在熔盐中完成。
反应结束后,采用合适的溶剂将盐类溶解,经过滤、洗涤后即可得到合成粉体产物。
高纯莫来石的制备主要采用溶胶-凝胶法、共沉淀法、喷雾热解法、醇盐水解法、水热法等
[8-9]
离子后（用氯化钡溶液检验）,将沉淀物在烘箱内于
100℃烘干,即得到合成产物莫来石粉体。
1.3 性能测试
这些
方法操作繁琐,合成周期长,合成温度一般在1400℃以上。
本工作以硫酸铝和SiO2为原料,在硫酸钠熔盐中合成了直径在50～150nm,长度3～8μm的莫来石晶须。
用荷兰Philips公司的X′pertPro型X射线衍射仪对粉体进行物相分析;
用Philips公司的XL-30TP型扫描电子显微镜（SEM）和美国FEI公司的M
Sirion2000型场发射扫描电子显微镜（FESEM）对粉
体进行形貌研究;
用美国EDAX公司的PHOENIX型能谱仪对莫来石晶须进行微区的EDAX检测;
用美国
Micromeritics公司的AccuPyc1330型全自动真空密
3国家自然科学基金项目（50472101）。
朱伯铨:
男,1955年生,教授。
E2mail:
zbqref@263.net收稿日期:
2005-12-21修回日期:
2006-02-19
1 试验
1.1 原料
试验所用原料是Al2（SO4）3?
18H2O、O2和Si
Na2SO4,均为分析纯。
1.2 莫来石的合成
将Al2（SO4）3?
18H2O和SiO2在烘箱内于
编辑:
柴剑玲
2006/3
耐火材料/NAIHUOCAIIOLA
165
度分析仪测定粉体的真密度;
用美国TJAI公司
IISADVANTA型等离子发射光谱仪测定各元素含R
2.2 影响合成反应的主要因素
由于莫来石的合成反应是在熔融态的盐中进行的,因此影响莫来石生成的主要因素有熔融温度、熔盐用量、保温时间等。
2.2.1 合成温度的影响Al2（SO4）3和Na2SO4可以形成低共熔物。
图2
[11]为Al2（SO4）3和Na2SO4的二元相图,其低共熔温
量;
用德国NETZSCH公司的STA449C型综合热分析仪进行DSC分析。
2 结果与讨论
2.1 反应机理
硫酸钠的熔点为884℃。
硫酸铝的熔点为865℃。
Al2（SO4）3和Si2在硫酸钠熔盐中发生以O下化学反应:
Al2（SO4）3→Al2O3+3SO3↑3Al2O3+2Si2→3Al2O3?
2Si2OO
（1）
（2）
度为640℃,而莫来石在钠盐中于1200℃开始分解
[12]
所以本工作于640～1200℃之间分别选取不
同的温度进行合成试验。
用XRD对不同温度煅烧后的合成产物进行物相分析,结果如图3所示。
总反应式为:
3Al2（SO4）3+2SiO2→3Al2O3?
2SiO2+9SO3↑（3）在1000℃,Na2SO4与Al2（SO4）3均以熔融态下存在,此时Al2（SO4）3缓慢分解为γ2l2O3和SO3,由A于SiO2和γ2l2O3在硫酸钠熔液中是微溶的,在此温A度下以Na2SO4为介质,Al2O3和SiO2反应生成莫来石并结晶析出,随着Al2（SO4）3的完全分解,Al2O3和
SiO2完全反应生成莫来石。
为了研究合成过程中的反应历程,取部分混合物（其中反应料与Na2SO4的质量比为1:
1）进行DSC分
图2 Na2SO4-Al2（SO4）3二元相图Fig.2PhasediagramofNa2SO4-Al（SO4）3system2
析。
图1为此混合物的DSC曲线（升温速度10-1℃?
min,空气气氛）。
图1 反应料与Na2SO4的质量比为1:
1的混合物DSC曲线Fig.1DSCcurveofmixedpowder（themassratioofreact2antandNa2SO4is1:
1）
在图1中,161.4℃的吸热峰为Al2（SO4）3?
18H2O
脱去结晶水而产生的吸热峰,650℃的吸热峰为的吸热峰为Na2SO4的熔化吸热峰。
根据合成反应
（3）的热力学数据[10],计算可得反应（3）在1000℃时
Na2SO4-Al2（SO4）3低共熔体的熔化吸热峰,696℃
的ΔH=-1571.51kJ?
mol
<
0,为吸热反应,所以
图1中967.4℃处的吸热峰应为莫来石生成时产生的吸热峰。
因此可以判定,在Na2SO4熔盐中合成莫来石的温度在900～1000℃之间。
166
图3 不同温度下合成产物的XRD图谱（反应料与Na2SO4的质量比为1:
1,保温时间3h）Fig.3XRDpatternsofpowdersynthesizedatdifferenttem2peratures（themassratioofreactantandNa2SO4is1:
1,holdingtie3h）m
由图3可知:
在900℃下开始有莫来石生成,但还有石英的衍射峰存在,表明反应进行尚不完全,合成产物中仍有SiO2存在;
在950～1000℃之间,石英的衍射峰基本消失,表明Al2O3和SiO2已基本完全反应生成莫来石;
从1100℃开始,出现刚玉和石英的衍射峰,表明生成的莫来石开始分解,到1200℃时,合成的莫来石大部分分解,并生成部分铝硅酸钠。
因此,在硫酸钠熔盐中合成莫来石晶须的温度范围应在1000℃左右,较其他合成方法的低400℃左右。
2.2.2 熔盐用量的影响Na2SO4在合成反应中的主要作用是提供反应介
质,用量太少不能起到熔剂和反应介质的作用,用量过多不但会降低反应物的浓度,延长完全反应时间,而且对后续的分离带来不便,增加合成成本。
本试验采用反应料与Na2SO4的质量比分别为2:
1、1、2、1:
4,分别在1000℃下保温4h进行合成试验,并对合
成产物进行XRD分析,结果见图4。
为2:
1或比例大于1:
2时,合成反应不能进行完全,质量比为1:
1时合成效果最好。
2.2.3 保温时间的影响
合成的粉体中仍有石英存在;
而反应料与Na2SO4的
间。
采用反应料与Na2SO4的质量比为1:
1,在
1000℃下分别保温不同时间进行合成试验,合成产
物的XRD分析结果见图5。
英的衍射峰存在,而保温3h和4h的合成产物中石英相基本消失,没有其他晶相,从而合成出了高纯度的莫来石粉体。
图4 不同熔盐用量的合成粉体的XRD图谱（1000℃保温4h）Fig.4XRDpatternsofmullitepowderssynthesizedatdiffer2entsaltcontents（1000℃for4h）
由图4可以看到:
当反应料与Na2SO4的质量比
为了使反应进行完全,必须要有充分的保温时
由图5可以看到,保温2h的合成产物中仍有石
图5 不同保温时间下合成粉体的XRD图谱（反应料与Na2SO4的质量比为1:
1,1000℃）Fig.5XRDpatternsofmullitepowderssynthesizedatdiffer2entholdlingtie（themassratiofreactantandmoNa2SO4is1:
1,at1000℃）
2.3 合成粉体的理化指标和显微结构
对反应料与Na2SO4的质量比为1:
1,1000℃保
温3h合成的莫来石粉体进行了理化性能检测,结果如下:
w（Al2O3）为71.6%,w（SiO2）为28.4%,
w（Na2SO4）为0.14%,真密度为3.11g?
cm
-3
其中
Na2SO4含量用等离子发射光谱测定粉体中的S和Na
的含量换算而得。
可见,合成的莫来石粉体中Al2O3对上述莫来石粉体进行显微形貌及粒度的研究
和SiO2含量与莫来石的理论含量接近,而且纯度高。
结果见图6。
由图6可以看到,生成的莫来石晶须的
167
（3）在Na2SO4熔盐中合成的莫来石晶须形貌好,同时合成工艺简单,合成温度在1000℃左右,较其他合成方法的低400℃左右。
参考文献
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图6 1000℃保温3h合成的莫来石粉体的SEM、FESEM照片和EDAX分析Fig.6SEMandFESEMphotographandEDAXofmullitepowderssynthesizedat1000℃for3h
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直径为50～150nm,长度为3～8μm,长径比约为50。
采用熔盐法可以制备出莫来石晶须的主要原因是由于莫来石的晶体结构呈链状,属于斜方晶系。
同时由于合成反应是在液相中进行的,晶体可以按照结晶习性自由生长,所以莫来石晶体在熔盐中沿c轴生长,形成长柱状、针状的晶须。
3 结论
（1）采用Al2（SO4）3?
18H2O和SiO2作为原料,
工程,2002,20（4）:
618-620
[9] 赵惠忠,计道珺,雷中兴,等.纳米莫来石的合成及其表征.硅酸
在Na2SO4熔盐中合成了莫来石。
当原料与Na2SO4的质量比为1:
1时,在900℃时开始生成莫来石,在
1000℃保温3h合成反应基本完成,1100℃以上合
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东北大学出版
社,1993:
49,53,252,254,258,323,337
成的莫来石开始分解,在1200℃莫来石大部分分解,并生成部分铝硅酸钠。
（2）以熔盐法合成的莫来石粉体,Al2O3和Si2O含量与莫来石的理论含量接近,并且纯度高;
其显微形貌为晶须状,直径在50～150nm,长度为3～8μm。
[11] HashimotoS,ZhangSW,LeeWE,etalSynthesisofmagnesium.
Αaluminatespinelplateletsfromα2l2O3plateletandmagnesium
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1959-1962.
Synthesisofmullitewhiskerinmoltensodiumsulphate/ZhuBoquan,LiXuedong,HaoRui,etal//NaihuoCailiao.-2006,40（3）:
phatemedia.ThephasecompositionandmicrostructureofthemullitewhiskerwereanalyzedbyXRD,
puritymullitecanbesynthesizedbythismethodwithmullitewhiskers50～150nmindiameterand3～8μm
Author’address:
TheHubeiProvinceKeyLaboratoryofCeramicsandRefractories,WuhanUniversityofs
ScienceandTechnology,Wuhan430081,China
Themullitewhiskerwaspreparedthroughreactionofaluminumsulphateandsilicainmoltensodiumsul2FESEMandSEM.Parametersaffectingthesynthesizingreactionwerealsostudied,whichincludethereac2tiontemperature（700℃,800℃,900℃,950℃,1000℃,1100℃and1200℃）,saltaddition（themassratioofreactantandNa2SO4:
2/1,1/1,1/2and1/4）andsoakingtie（2h,3hand4h）.Resultsshowthathighminlength.TheappropriatemassratioofreactantandNa2SO4isfoundtobe1/1,atwhichthemullitebeginstogenerateat900℃,thequartzphasewilldisappearover950℃andthefullreactionwillbecompletedaftersoakingfor3hat1000℃Whenthetemperatureexceeds1100℃,thegeneratedmullitebeginsto.decompose.Therefore,thereasonablesynthesizingconditionisatabout1000℃for3h.
Keywords:
Moltensalt,Sodiumsulphate,Mullite,Whisker
168
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