Noe industriavfall har vist seg å være nyttig i produksjonen av mullittkeramikk. Dette industriavfallet er rikt på visse metalloksider som silika (SiO2) og alumina (Al2O3). Dette gir avfallet potensial til å bli brukt som utgangsmateriale for fremstilling av mullittkeramikk. Formålet med denne gjennomgangsartikkelen er å samle og gjennomgå ulike metoder for fremstilling av mullittkeramikk som benyttet en rekke industriavfall som utgangsmaterialer. Denne gjennomgangen beskriver også sintringstemperaturene og kjemiske tilsetningsstoffer som brukes i fremstillingen, og deres effekter. En sammenligning av både mekanisk styrke og termisk ekspansjon av de rapporterte mullittkeramikkene fremstilt fra ulike industriavfall ble også tatt opp i dette arbeidet.
Mullitt, ofte betegnet som 3Al2O3∙2SiO2, er et utmerket keramisk materiale på grunn av dets ekstraordinære fysiske egenskaper. Det har et høyt smeltepunkt, lav termisk utvidelseskoeffisient, høy styrke ved høye temperaturer, og har både termisk sjokk- og krypemotstand [1]. Disse ekstraordinære termiske og mekaniske egenskapene gjør at materialet kan brukes i applikasjoner som ildfaste materialer, ovnsmøbler, substrater for katalytiske omformere, ovnsrør og varmeskjold.
Mullitt finnes bare som et sjeldent mineral på Mull Island i Skottland [2]. På grunn av sin sjeldne forekomst i naturen er all mullittkeramikk som brukes i industrien menneskeskapt. Mye forskning har blitt gjort for å fremstille mullittkeramikk ved hjelp av forskjellige forløpere, enten med utgangspunkt i industrielle/laboratoriekvalitetskjemikalier [3] eller naturlig forekommende aluminosilikatmineraler [4]. Imidlertid er kostnaden for disse utgangsmaterialene høy, og de syntetiseres eller utvinnes på forhånd. I årevis har forskere lett etter økonomiske alternativer for å syntetisere mullittkeramikk. Derfor har det blitt rapportert om en rekke mullittforløpere avledet fra industriavfall i litteraturen. Dette industriavfallet har et høyt innhold av nyttig silika og alumina, som er de essensielle kjemiske forbindelsene som trengs for å produsere mullittkeramikk. Andre fordeler med å bruke dette industriavfallet er energi- og kostnadsbesparelsen hvis avfallet ble omdirigert og gjenbrukt som et teknisk materiale. Videre kan dette også bidra til å redusere miljøbelastningen og øke den økonomiske fordelen.
For å undersøke om rent elektrokeramisk avfall kunne brukes til å syntetisere mullittkeramikk, ble rent elektrokeramisk avfall blandet med aluminapulver og rent elektrokeramisk avfall som råmaterialer sammenlignet. Effektene av råmaterialenes sammensetning og sintringstemperatur på mikrostrukturen og de fysiske egenskapene til mullittkeramikk ble undersøkt. XRD og SEM ble brukt til å studere fasesammensetningen og mikrostrukturen.
Resultatene viser at innholdet av mullitt øker med økende sintringstemperatur, og samtidig øker bulktettheten. Råmaterialene er rent elektrokeramisk avfall, dermed er sintringsaktiviteten større, og sintringsprosessen kan akselereres, og tettheten øker også. Når mullitten fremstilles kun av elektrokeramisk avfall, er bulktettheten og trykkfastheten størst, porøsiteten er minst, og de omfattende fysiske egenskapene vil være best.
Drevet av behovet for rimelige og miljøvennlige alternativer, har mye forskning brukt en rekke industriavfall som utgangsmaterialer for å produsere mullittkeramikk. Bearbeidingsmetodene, sintringstemperaturene og kjemiske tilsetningsstoffer har blitt gjennomgått. Den tradisjonelle prosesseringsmetoden som involverte blanding, pressing og reaksjonssintring av mullittforløperen var den mest brukte metoden på grunn av dens enkelhet og kostnadseffektivitet. Selv om denne metoden er i stand til å produsere porøs mullittkeramikk, ble det rapportert at den tilsynelatende porøsiteten til den resulterende mullittkeramikken holdt seg under 50 %. På den annen side ble det vist at frysestøping kunne produsere svært porøs mullittkeramikk, med en tilsynelatende porøsitet på 67 %, selv ved en svært høy sintringstemperatur på 1500 °C. En gjennomgang av sintringstemperaturene og forskjellige kjemiske tilsetningsstoffer som brukes i produksjonen av mullitt ble utført. Det er ønskelig å bruke en sintringstemperatur på over 1500 °C for mullittproduksjon, på grunn av den høyere reaksjonshastigheten mellom Al₂O₃ og SiO₂ i forløperen. Imidlertid kan for høyt silikainnhold assosiert med urenheter i forløperen føre til deformasjon eller nedsmelting av prøven under høytemperatursintring. Når det gjelder kjemiske tilsetningsstoffer, har CaF2, H3BO3, Na2SO4, TiO2, AlF3 og MoO3 blitt rapportert som et effektivt hjelpemiddel for å senke sintringstemperaturen, mens V2O5, Y2O3-dopet ZrO2 og 3Y-PSZ kan brukes til å fremme fortetting for mullittkeramikk. Doping med kjemiske tilsetningsstoffer som AlF3, Na2SO4, NaH2PO4·2H2O, V2O5 og MgO bidro til anisotrop vekst av mullitt-whiskers, noe som deretter forbedret den fysiske styrken og seigheten til mullittkeramikken.
Publisert: 29. august 2023