Joidenkin teollisuusjätteiden on osoitettu olevan hyödyllisiä mulliittikeramiikan valmistuksessa. Nämä teollisuusjätteet sisältävät runsaasti tiettyjä metallioksideja, kuten piidioksidia (SiO2) ja alumiinioksidia (Al2O3). Tämä antaa jätteille mahdollisuuden käyttää lähtöaineena mulliittikeramiikan valmistuksessa. Tämän katsauksen tarkoituksena on koota ja tarkastella erilaisia mulliittikeramiikan valmistusmenetelmiä, joissa hyödynnettiin erilaisia teollisuusjätteitä lähtöaineina. Tässä katsauksessa kuvataan myös valmistuksessa käytetyt sintrauslämpötilat ja kemialliset lisäaineet sekä sen vaikutukset. Tässä työssä käsiteltiin myös eri teollisuusjätteistä valmistetun mulliittikeramiikan sekä mekaanisen lujuuden että lämpölaajenemisen vertailua.
Mulliitti, jota kutsutaan yleisesti nimellä 3Al2O3∙2SiO2, on erinomainen keraaminen materiaali poikkeuksellisten fysikaalisten ominaisuuksiensa ansiosta. Sillä on korkea sulamispiste, alhainen lämpölaajenemiskerroin, korkea lujuus korkeissa lämpötiloissa, ja sillä on sekä lämpöshokki- että virumisvastus [1]. Nämä poikkeukselliset lämpö- ja mekaaniset ominaisuudet mahdollistavat materiaalin käytön sellaisissa sovelluksissa kuin tulenkestävät materiaalit, uunihuonekalut, katalysaattorien substraatit, uuniputket ja lämpösuojat.
Mulliitti löytyy vain vähäisenä mineraalina Mull Islandista Skotlannista [2]. Harvinaisen luonnossa esiintymisen vuoksi kaikki teollisuudessa käytettävä mulliittikeramiikka on ihmisen valmistamaa. Mulliittikeramiikan valmistukseen on tehty paljon tutkimusta käyttämällä erilaisia esiasteita, alkaen joko teollisuus-/laboratoriolaatuisista kemikaaleista [3] tai luonnossa esiintyvistä alumiinisilikaattimineraaleista [4]. Näiden lähtöaineiden kustannukset ovat kuitenkin kalliita, ja ne syntetisoidaan tai louhitaan etukäteen. Tutkijat ovat vuosien ajan etsineet taloudellisia vaihtoehtoja mulliittikeramiikan syntetisoimiseksi. Tästä syystä kirjallisuudessa on raportoitu lukuisia teollisuusjätteistä peräisin olevia mulliitin esiasteita. Näissä teollisuusjätteissä on korkea pitoisuus hyödyllistä piidioksidia ja alumiinioksidia, jotka ovat välttämättömiä kemiallisia yhdisteitä, joita tarvitaan mulliittikeramiikan valmistuksessa. Muita näiden teollisuusjätteiden käytön etuja ovat energia- ja kustannussäästöt, jos jätteet ohjattaisiin muualle ja hyödynnettäisiin uudelleen suunnittelumateriaalina. Lisäksi tämä voisi myös auttaa vähentämään ympäristökuormitusta ja lisäämään sen taloudellista hyötyä.
Sen selvittämiseksi, voidaanko puhdasta sähkökeraamista jätettä käyttää mulliittikeramiikan syntetisoimiseen, vertailtiin alumiinioksidijauheiden kanssa sekoitettua puhdasta sähkökeraamista jätettä ja puhdasta sähkökeraamista jätettä raaka-aineina. Raaka-aineiden koostumuksen ja sintrauslämpötilan vaikutukset mikrorakenteeseen ja fysikaaliseen Mulliittikeramiikan ominaisuuksia tutkittiin. XRD:tä ja SEM:ää käytettiin faasikoostumuksen ja mikrorakenteen tutkimiseen.
Tulokset osoittavat, että mulliittipitoisuus kasvaa sintrauslämpötilan noustessa ja samalla bulkkitiheys kasvaa. Raaka-aineet ovat puhdasta sähkökeraamista jätettä, joten sintrausaktiivisuus on suurempi ja sintrausprosessia voidaan nopeuttaa ja tiheys myös kasvaa. Kun mulliitti valmistetaan vain sähkökeramiikkajätteestä, bulkkitiheys ja puristuslujuus ovat suurimmat, huokoisuus pienin ja kattavat fysikaaliset ominaisuudet ovat parhaat
Edullisten ja ympäristöystävällisten vaihtoehtojen tarpeesta johtuen monet tutkimustyöt ovat käyttäneet erilaisia teollisuusjätteitä mulliittikeramiikan valmistuksessa. Käsittelymenetelmät, sintrauslämpötilat ja kemialliset lisäaineet on käyty läpi. Perinteinen reittikäsittelymenetelmä, johon sisältyi mulliitin esiasteen sekoittaminen, puristus ja reaktiosintraus, oli yleisimmin käytetty menetelmä yksinkertaisuutensa ja kustannustehokkuutensa vuoksi. Vaikka tällä menetelmällä voidaan valmistaa huokoista mulliittikeramiikkaa, tuloksena olevan mulliittikeramiikan näennäisten huokoisuuksien ilmoitettiin pysyvän alle 50 %:ssa. Toisaalta pakastevalulla pystyttiin tuottamaan erittäin huokoista mulliittikeramiikkaa, jonka näennäinen huokoisuus on 67 % jopa erittäin korkeassa 1500 °C:n sintrauslämpötilassa. Selviteltiin mulliitin valmistuksessa käytettyjä sintrauslämpötiloja ja erilaisia kemiallisia lisäaineita. On toivottavaa käyttää mulliitin valmistukseen yli 1500 °C:n sintrauslämpötilaa, koska Al203:n ja Si02:n välinen reaktionopeus on korkeampi esiasteessa. Kuitenkin liiallinen piidioksidipitoisuus, joka liittyy esiasteen epäpuhtauksiin, voi johtaa näytteen muodonmuutokseen tai sulamiseen korkean lämpötilan sintrauksen aikana. Mitä tulee kemiallisiin lisäaineisiin, CaF2:n, H3BO3:n, Na2SO4:n, TiO2:n, AlF3:n ja MoO3:n on raportoitu olevan tehokas apu alentamaan sintrauslämpötilaa, kun taas V2O5:tä, Y2O3:lla seostettua ZrO2:ta ja 3Y-PSZ:a voidaan käyttää edistämään mulliittikeramiikan tiivistymistä. Doping kemiallisilla lisäaineilla, kuten AlF3, Na2SO4, NaH2PO4·2H2O, V2O5 ja MgO, auttoi mulliittiviiksien anisotrooppista kasvua, mikä myöhemmin lisäsi mulliittikeramiikan fyysistä lujuutta ja sitkeyttä.
Postitusaika: 29.8.2023