[发明专利]一种由煤矸石和氧化铝制备莫来石晶须的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种以煤矸石和氧化铝为原料制备莫来石晶须的方法。

背景技术

莫来石晶须具有耐高温、抗氧化、体积稳定性好、高温力学性能好、化学性质稳定等一系列优异的性能，故可作为增韧补强组分广泛应用于金属、高分子及陶瓷基复合材料领域。

现有技术中，多数都采用溶胶凝胶法来制备莫来石晶须，且在该制备过程中多数都要引入氟化物。日本专利JP1212299公开了一种以硅酸乙酯和硝酸铝为原料，采用溶胶凝胶工艺制备上述原料的干凝胶，并通过向干凝胶中加入一定量的氟化铝高温(800-1600℃)煅烧制备莫来石晶须的方法。中国专利CN1303037C中公开的也是使用溶胶凝胶法来制备莫来石晶须，其是以工业纯铝溶胶和硅溶胶为原料，采用溶胶-凝胶工艺制备莫来石前驱体干凝胶，然后将干凝胶粉末与工业纯氟化铝混合，在密闭氧化铝坩埚中高温煅烧制备而成的。上述两个专利存在如下共同的不足：(1)使用的反应原料的成本较高；(2)溶胶凝胶法是将反应物首先进行水解反应，后经过缩聚反应而后实现对原料的凝胶化，再经干燥、烧结等后处理才可以制得产物前驱体，可见该溶胶凝胶法制备工艺复杂；(3)反应中氟化铝的引入导致高温反应下含氟气体的挥发，给环境造成了污染；(4)需要在高温密闭环境中进行煅烧。

在此基础上，美国专利US4910172公开了一种以氧化铝、二氧化硅和氟化铝为原料，在氟化硅高温气氛中制备莫来石晶须的方法，虽然该方法的工艺较之溶胶凝胶法有所简化，但是其仍然需要引入氟化铝，所以在高温下仍然难以避免含氟气体对环境的污染。而且在上述制备莫来石晶须的过程中需要密闭的高温环境。

此外，中国专利CN1884192A公开了一种使用熔盐法制备莫来石晶须的方法，该方法将干燥后的硫酸铝、氧化硅和盐类原料混合置于刚玉质容器中；在900-1000℃条件下煅烧2-5小时；冷却后溶解盐类，然后再进行过滤、洗涤和干燥。该专利中公开的莫来石晶须制备方法需要经过反复洗涤、过滤才可以得到晶须，所以其工艺过程也比较复杂。在上述洗涤过程中，产生了污染环境的废液废渣；该方法仍需高温密闭环境，否则硫酸盐高温分解产生的气体将造成环境污染，这对其工业化生产造成很大困难；此外，该方法因选用硫酸铝、氧化硅和盐类等化工产品作为原料，故其原料成本仍相对较高。

煤矸石是采煤和洗煤过程中产生的副产品，是我国排放量最大的工业废弃物之一。煤矸石的化学成分主要是SiO₂、Al₂O₃和C。其次是Fe₂O₃、CaO、MgO、Na₂O、K₂O等。

到目前为止，还没有公开过使用工业废弃物煤矸石为原料来制备莫来石晶须的方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种原料成本低、工艺简单、容易实现工业化生产、环境友好的制备莫来石晶须的方法。从另一个侧面来讲，该方法以工业废弃物煤矸石为原料，来制备有着广泛需求的莫来石晶须的同时也实现了对废弃物煤矸石的综合利用。

为解决上述技术问题，本发明采用如下步骤来实现的：其包括如下步骤：(1)对煤矸石进行破粉碎至平均粒度为20-44μm粉料；(2)向上述煤矸石粉料中添加氧化铝微粉，使上述混合物中的氧化铝和氧化硅的质量比为51∶20；(3)将上述配制后的原料置于高能球磨机中，以300-1000转/分的转速共磨5-30h，得到上述混合原料的混合粉；(4)将所述步骤(3)中得到的混合粉在30-80MPa压力下压成块状坯体；(5)将所述块状坯体置于电阻炉内，于1100-1500℃下保温0.5-5h；冷却至室温后即可得到莫来石晶须。

选择使用的煤矸石的化学组成为：SiO₂ 30-65％、Al₂O₃ 15-40％、Fe₂O₃0.3-10％、CaO 1-4％、MgO 1-2％、TiO₂ 0.5-4％、Na₂O+K₂O 1-3％、烧失量10-30％。

添加的所述氧化铝微粉的纯度大于99％。

在对上述步骤(2)中配置成的原料进行高能球磨时，球料比为20∶1-60∶1。

在上述步骤(5)中应保证所述电阻炉的升温速率为10-20℃/min；且保温温度可优选1100-1300℃。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：