透輝石微晶玻璃的低溫?zé)Y(jié)制備及性能表征

馮晉陽(yáng)，龍 民，陶海征，趙修建

(武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070)

1 引 言

透輝石微晶玻璃屬于CaO-MgO-Al2O3-SiO2(CMAS)體系，CMAS體系微晶玻璃的主晶相一般為硅灰石晶相和透輝石類等多種晶相組成，其中，透輝石晶相具有很高的抗酸堿侵蝕的能力，對(duì)應(yīng)的微晶玻璃同樣具有良好的耐腐蝕性能。同時(shí)，該體系微晶玻璃具有比CAS系微晶玻璃更加優(yōu)異的力學(xué)性能，有望在未來(lái)替代CAS系微晶玻璃成為新一代的微晶玻璃建筑裝飾材料[1]，因此，圍繞透輝石微晶玻璃的制備、組成結(jié)構(gòu)及性能研究是當(dāng)前的一個(gè)熱點(diǎn)。目前，透輝石微晶玻璃主要采用熔融-燒結(jié)法制備[2-3]，如Gui等[4]以高爐渣為主要原料，采用熔融法制備CMAS系微晶玻璃，研究不同形核劑對(duì)微晶玻璃物相組成的影響。Zhang等[5]以尾礦為主要原料，采用熔融法制備以輝石相為主晶相的微晶玻璃，研究熔制時(shí)間對(duì)微晶玻璃結(jié)構(gòu)與性能的影響。熔融-燒結(jié)法涉及母相玻璃的高溫熔制、燒結(jié)-晶化的二次高溫?zé)崽幚?，存在工藝?fù)雜、能耗大、成本高等問(wèn)題，不利于低成本透輝石微晶玻璃裝飾板材的生產(chǎn)及應(yīng)用。近來(lái)，人們開(kāi)始利用廢棄的建筑玻璃進(jìn)行微晶玻璃的制備，由于建筑玻璃的主要成分為SiO2、Na2O、CaO、MgO、Al2O3等氧化物，符合制備微晶玻璃所需原料的要求，同時(shí)，這些玻璃中含有較多的低熔點(diǎn)組分有利于燒結(jié)溫度的降低，因此可以有效降低微晶玻璃的生產(chǎn)成本[6-11]。但國(guó)內(nèi)外利用廢棄建筑玻璃進(jìn)行CMAS微晶玻璃制備研究的報(bào)道并不多見(jiàn)，如Zhang等[12]以預(yù)先高溫合成頑輝石作為析晶促進(jìn)劑，再通過(guò)廢玻璃與析晶促進(jìn)劑間的高溫反應(yīng)制備出透輝石微晶玻璃；Faeghi-Nia A[13]通過(guò)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～40%的金云母與廢玻璃混合，采用粉末燒結(jié)法制備出透輝石微晶玻璃等。上述有限的幾篇報(bào)道仍然需要深入研究，如何進(jìn)一步簡(jiǎn)化制備工藝、如何提高CMAS微晶玻璃樣品的機(jī)械性能等。有鑒于此，本論文以廢玻璃為主體原料，將廢玻璃粉、高嶺土和氧化鎂進(jìn)行球磨混和，壓制成型后直接燒結(jié)，在低溫下成功制備出機(jī)械性能良好的透輝石微晶玻璃。與已有的透輝石微晶玻璃制備的研究報(bào)道比較，該制備工藝簡(jiǎn)單、無(wú)特殊晶核促進(jìn)劑、粉料成型性能好、易于生產(chǎn)控制、燒結(jié)溫度低等特點(diǎn)。同時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)MgO加入量、燒結(jié)溫度等參數(shù)，可以獲得具有單一透輝石晶相組成結(jié)構(gòu)的CMAS微晶玻璃。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 微晶玻璃制備

廢玻璃粉由廢棄的建筑窗玻璃經(jīng)機(jī)械破碎后，經(jīng)XQM型行星球磨機(jī)中球磨2 h得到，平均粒徑為26 μm。高嶺土為蘇州高嶺土有限公司提供，粒徑為100目。廢玻璃粉和高嶺土的化學(xué)組成見(jiàn)表1。氧化鎂(MgO)為國(guó)藥化學(xué)純?cè)噭?/p>

將廢玻璃粉與高嶺土按質(zhì)量比3∶1混合后，再分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%，4%，6%，8%，10%的MgO。將廢玻璃粉、高嶺土與MgO混合球磨2 h后，加入適量6wt%蒸餾水濕化，并用50 MPa壓力在模具中單向壓制成矩形試樣，再將成型試樣加熱到900～1000 ℃進(jìn)行燒結(jié)，保溫時(shí)間2 h，升溫速率5 ℃/min，最后隨爐冷卻至室溫得到微晶玻璃樣品。

2.2 性能測(cè)試與表征

微晶玻璃試樣的體積密度和吸水率采用阿基米德排水法測(cè)定。試樣的抗折強(qiáng)度在Instron 5967型電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上采用三點(diǎn)彎曲法測(cè)定，加載速度為1 mm/min，跨距為30 mm，試樣尺寸為5 mm×6 mm×40 mm。將試樣研磨成200目粉末，用D8 Advance型X射線衍射儀對(duì)其物相組成進(jìn)行表征，掃描速度為10°/min，使用Cu靶Kɑ射線，管電壓40 kV，管電流40 mA。將試樣的斷口表面進(jìn)行噴金處理后，用Quanta FEG 450型場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡觀察其微觀形貌。

3 結(jié)果與討論

3.1 微晶玻璃樣品的XRD晶相分析

圖1為不同MgO加入量組成在950 ℃燒結(jié)2 h制備的微晶玻璃樣品的XRD圖譜。由圖可見(jiàn)，當(dāng)MgO的加入量為2%時(shí)，微晶玻璃中析出的主晶相為透輝石(Ca0.964Mg(Si2O6)，PDF#89-0830)，還有少量的霞石(Na6.8(Al6.3Si9.7O32)，PDF#79-0994)和方石英(SiO2，PDF#76-0935)析出。隨著MgO加入量的增多，透輝石的析出量呈緩慢增多趨勢(shì)，霞石相的衍射峰強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，非晶相散射峰減弱。當(dāng)MgO的加入量為10%時(shí)，微晶玻璃的主晶相仍為透輝石，而方石英衍射峰消失，樣品中出現(xiàn)鎂橄欖石(Mg2(SiO4)，PDF#78-1372)相。

樣品中主晶相透輝石的產(chǎn)生是在燒結(jié)過(guò)程中通過(guò)熔體中Ca2+和Mg2+的擴(kuò)散遷移形成的，當(dāng)MgO加入量較高時(shí)，溶解在玻璃Si-O網(wǎng)絡(luò)間隙中Mg2+的聚集將誘導(dǎo)新的硅酸鹽相形成，如鎂橄欖石[14]。霞石是廢玻璃中的Na+在燒結(jié)過(guò)程中通過(guò)離子擴(kuò)散，與高嶺土反應(yīng)析出的。由于Mg2+在玻璃中為網(wǎng)絡(luò)外體離子，能夠削弱玻璃的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有利于離子的擴(kuò)散[15]，因此MgO加入量增加將促進(jìn)透輝石和霞石的形核生長(zhǎng)。圖1中并未出現(xiàn)莫來(lái)石的衍射峰，這意味著方石英并不是直接來(lái)自于高嶺土的高溫分解[16]，而是從高硅含量的廢玻璃粉熔體中析出的，并且由于熔體中Na+和Ca2+的存在，方石英能在文中較低的溫度(950 ℃)下析出[17]，但當(dāng)MgO含量提高時(shí)由于其他晶相的析出而受到抑制。

圖1 不同MgO含量的微晶玻璃XRD圖 Fig.1 XRD patterns of glass-ceramics with different MgO adding amount

圖2 不同燒結(jié)溫度的微晶玻璃XRD圖 Fig.2 XRD patterns of glass-ceramics at different sintering temperature

圖2為4%MgO加入量下不同溫度燒結(jié)的微晶玻璃的XRD圖譜。由圖可知，當(dāng)燒結(jié)溫度為900 ℃時(shí)，微晶玻璃的主晶相為透輝石，次晶相為方石英，且還有少量霞石和鈉鋁硅酸鹽相(NaAlSiO4，PDF#52-1342)析出。隨著燒結(jié)溫度的升高，方石英和鈉鋁硅酸鹽的衍射峰強(qiáng)度明顯下降，霞石衍射峰基本消失，當(dāng)燒結(jié)溫度達(dá)到1000 ℃時(shí)，微晶玻璃樣品形成單一透輝石晶相結(jié)構(gòu)組成。由以上可見(jiàn)，隨著燒結(jié)溫度的升高，方石英、霞石以及鈉鋁硅酸鹽相將逐漸熔融分解進(jìn)入玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，而透輝石相則繼續(xù)生長(zhǎng)，其衍射峰也越來(lái)越尖銳。

圖3 不同MgO含量的微晶玻璃SEM圖(a)2%;(b)4%;(c)6%;(d)8%;(e)10% Fig.3 SEM images of glass-ceramics with different MgO adding amounts (a)2%;(b)4%;(c)6%;(d)8%;(e)10%

3.2 微晶玻璃樣品FE-SEM測(cè)試

圖3為950 ℃燒結(jié)制備的不同MgO加入量試樣的FE-SEM圖。由圖中可以看出，在MgO加入量由2%增加到10%時(shí)，樣品斷面的顯微結(jié)構(gòu)由大小不一的淺凹坑逐漸演變?yōu)樾螤畈灰?guī)則的深空洞，微晶玻璃樣品的致密度整體呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)，這一點(diǎn)在樣品的體積密度測(cè)試結(jié)果中可以得到進(jìn)一步的證實(shí)。

圖4為MgO加入量4%在不同溫度燒結(jié)得到的樣品的FE-SEM圖。由圖中可見(jiàn)，當(dāng)燒結(jié)溫度由900 ℃提高到1000 ℃時(shí)，微晶玻璃樣品的顯微結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)致密度先提高后降低的趨勢(shì)。900 ℃所燒結(jié)的樣品結(jié)構(gòu)疏松多孔，925 ℃燒結(jié)后樣品中疏松的空洞數(shù)量逐漸減少，而升高溫度達(dá)950 ℃時(shí)，樣品中孔洞數(shù)量進(jìn)一步減少的同時(shí)，出現(xiàn)了大小不一的淺凹坑，975 ℃時(shí)，樣品中孔洞基本全部轉(zhuǎn)變?yōu)闇\凹坑，這些淺凹坑代表了樣品中的閉氣孔結(jié)構(gòu)，而當(dāng)溫度繼續(xù)提高至1000 ℃時(shí)，樣品中淺凹坑的大小和數(shù)量明顯增加，樣品中閉氣孔的數(shù)量及大小也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的提高，樣品的致密度出現(xiàn)降低。

圖4 不同燒結(jié)溫度的微晶玻璃SEM圖(a)900 ℃;(b)925 ℃;(c)950 ℃;(d)975 ℃;(e)1000 ℃ Fig.4 SEM images of glass-ceramics at different sintering temperature(a)900 ℃;(b)925 ℃;(c)950 ℃;(d)975 ℃;(e)1000 ℃

3.3 樣品的物性測(cè)試

圖5為950 ℃燒結(jié)制備的不同MgO加入量樣品的體積密度和吸水率。由圖可見(jiàn)，隨著MgO加入量的增多，微晶玻璃的體積密度先增大后減小，在MgO加入量為4%時(shí)達(dá)到最大值，為2.383 g/cm3；吸水率在MgO加入量低于6%時(shí)變化不大，超過(guò)后急劇上升。上述現(xiàn)象與玻璃相粘性流動(dòng)受阻有關(guān)，因?yàn)椴Ａ?晶體混合粉末的燒結(jié)致密化過(guò)程是通過(guò)玻璃相粘性流動(dòng)實(shí)現(xiàn)的[18]。隨著MgO加入量的提高，熔體中玻璃相粘性流動(dòng)將受到阻礙，導(dǎo)致樣品燒結(jié)致密度的降低，故樣品的體積密度急劇減小，吸水率也急劇增大。

圖6為MgO加入量4%時(shí)在不同溫度燒結(jié)得到的樣品的體積密度和吸水率。由圖可見(jiàn)，隨著燒結(jié)溫度的升高，微晶玻璃的體積密度先增大后減小，燒結(jié)溫度為975 ℃時(shí)，體積密度達(dá)到最大值2.395 g/cm3，而吸水率由900 ℃下的0.383%急劇下降到925 ℃下的0.077%后呈緩慢減小的趨勢(shì)。直接燒結(jié)法制備微晶玻璃涉及燒結(jié)和晶化兩個(gè)過(guò)程[19]，當(dāng)燒結(jié)溫度較低時(shí)，隨著燒結(jié)溫度的升高，玻璃液相的粘度降低，有利于玻璃相的粘性流動(dòng)，從而促進(jìn)微晶玻璃的致密；當(dāng)燒結(jié)溫度較高(975～1000 ℃)時(shí)，透輝石晶相析出速率加快，液相粘度迅速增大，燒結(jié)致密化進(jìn)程受到阻礙，出現(xiàn)了如圖4e所示的大量閉氣孔，從而導(dǎo)致試樣的體積密度降低，但值得注意的是，此時(shí)(1000 ℃)微晶玻璃樣品的吸水率并沒(méi)有明顯增大，這是因?yàn)橐环矫嫣岣邿Y(jié)溫度更有利于實(shí)現(xiàn)表層致密化，另一方面，吸水率表征的是試樣開(kāi)氣孔的密度和大小，而1000 ℃燒結(jié)得到的微晶玻璃樣品內(nèi)部的顯微結(jié)構(gòu)主要以數(shù)量較多的閉氣孔為主，因此吸水率沒(méi)有升高。

圖7為微晶玻璃的抗折強(qiáng)度隨MgO加入量的變化曲線。950 ℃燒結(jié)時(shí)，隨著MgO加入量的增多，抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)，在加入量為4%時(shí)達(dá)到最大值82.0 MPa，結(jié)合圖5中體積密度隨MgO加入量的變化趨勢(shì)分析可知，燒結(jié)致密化程度的提高有利于樣品抗折強(qiáng)度的提高[20]。

圖8為MgO加入量為4%時(shí)微晶玻璃樣品的抗折強(qiáng)度隨燒結(jié)溫度的變化曲線。由圖可見(jiàn)，隨著燒結(jié)溫度的升高，抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在975 ℃時(shí)達(dá)到最大值102.1 MPa?？拐蹚?qiáng)度的變化趨勢(shì)同體積密度的變化趨勢(shì)保持一致。隨著燒結(jié)溫度的提高，微晶玻璃樣品的致密度和晶相含量不斷提高，制備的微晶玻璃樣品的抗折強(qiáng)度也呈現(xiàn)不斷提高的趨勢(shì)；而當(dāng)燒結(jié)溫度大于975 ℃后，由于透輝石晶相的快速析出，玻璃相的粘性流動(dòng)受阻，使得樣品內(nèi)部出現(xiàn)了數(shù)量較多的大閉氣孔，最終導(dǎo)致了樣品抗折強(qiáng)度的降低。

圖5 不同MgO含量微晶玻璃樣品的體積密度和吸水率 Fig.5 Density and water absorption of glass-ceramics with different MgO adding amounts

圖6 不同燒結(jié)溫度的微晶玻璃樣品的體積密度和吸水率 Fig.6 Density and water absorption of glass-ceramics at different sintering temperatures

圖7 不同MgO含量的微晶玻璃樣品的抗折強(qiáng)度 Fig.7 Bending strength of glass-ceramics with different MgO adding amount

4 結(jié) 論

(1)以廢玻璃為主體原料，將廢玻璃粉、高嶺土和氧化鎂粉進(jìn)行球磨混和，壓制成型后直接燒結(jié)，在低溫下成功制備出具有單一透輝石晶相結(jié)構(gòu)的微晶玻璃；提高M(jìn)gO加入量和燒結(jié)溫度可以促進(jìn)透輝石晶相的生成。

(2)隨著MgO加入量的增多和燒結(jié)溫度的升高，微晶玻璃樣品的體積密度和抗折強(qiáng)度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)MgO加入量為4%、燒結(jié)溫度為975 ℃時(shí)，微晶玻璃樣品的性能最佳：體積密度2.395 g/cm3，抗折強(qiáng)度102.1 MPa。