Alcuni scarti industriali si sono rivelati utili nella produzione della ceramica mullite. Questi rifiuti industriali sono ricchi di alcuni ossidi metallici come la silice (SiO2) e l'allumina (Al2O3). Ciò conferisce ai rifiuti la possibilità di essere utilizzati come fonte di materiale di partenza per la preparazione della ceramica di mullite. Lo scopo di questo documento di revisione è quello di compilare e rivedere vari metodi di preparazione della ceramica mullite che utilizzavano una varietà di rifiuti industriali come materiali di partenza. Questa recensione descrive anche le temperature di sinterizzazione e gli additivi chimici utilizzati nella preparazione e i suoi effetti. In questo lavoro è stato affrontato anche un confronto tra la resistenza meccanica e l'espansione termica delle ceramiche di mullite preparate da vari rifiuti industriali.
La mullite, comunemente indicata come 3Al2O3∙2SiO2, è un eccellente materiale ceramico grazie alle sue straordinarie proprietà fisiche. Ha un alto punto di fusione, un basso coefficiente di dilatazione termica, un'elevata resistenza alle alte temperature e possiede sia resistenza allo shock termico che al creep [1]. Queste straordinarie proprietà termiche e meccaniche consentono al materiale di essere utilizzato in applicazioni quali refrattari, arredi per forni, substrati per convertitori catalitici, tubi di forni e scudi termici.
La mullite può essere trovata solo come minerale raro a Mull Island, in Scozia [2]. A causa della sua rara esistenza in natura, tutte le ceramiche di mullite utilizzate nell'industria sono prodotte dall'uomo. Sono state condotte molte ricerche per preparare ceramiche di mullite utilizzando diversi precursori, a partire da sostanze chimiche di grado industriale/di laboratorio [3] o minerali di alluminosilicato presenti in natura [4]. Tuttavia, il costo di questi materiali di partenza è elevato e vengono sintetizzati o estratti in anticipo. Per anni, i ricercatori sono stati alla ricerca di alternative economiche per sintetizzare la ceramica mullite. Pertanto, in letteratura sono stati riportati numerosi precursori della mullite derivati da rifiuti industriali. Questi rifiuti industriali hanno un alto contenuto di silice e allumina utili, che sono i composti chimici essenziali necessari per produrre la ceramica di mullite. Altri vantaggi derivanti dall'utilizzo di questi rifiuti industriali sono il risparmio energetico e di costi se i rifiuti venissero deviati e riutilizzati come materiale tecnico. Inoltre, ciò potrebbe anche contribuire a ridurre l’onere ambientale e ad aumentarne i benefici economici.
Al fine di indagare se i rifiuti elettroceramici puri potessero essere utilizzati per sintetizzare la ceramica di mullite, sono stati confrontati i rifiuti elettroceramici puri mescolati con polveri di allumina e i rifiuti elettroceramici puri come materie prime. Gli effetti della composizione delle materie prime e della temperatura di sinterizzazione sulla microstruttura e sulla fisica sono state studiate le proprietà della ceramica mullite. XRD e SEM sono stati utilizzati per studiare la composizione della fase e la microstruttura.
I risultati mostrano che il contenuto di mullite aumenta con l’aumento della temperatura di sinterizzazione e allo stesso tempo aumenta la densità apparente. Le materie prime sono i rifiuti elettroceramici puri, quindi l'attività di sinterizzazione è maggiore, il processo di sinterizzazione può essere accelerato e anche la densità aumenta. Quando la mullite viene preparata solo dai rifiuti elettroceramici, la densità apparente e la resistenza alla compressione sono maggiori, la porosità è minima e le proprietà fisiche complete saranno le migliori
Spinti dalla necessità di alternative a basso costo e rispettose dell’ambiente, molti sforzi di ricerca hanno utilizzato una varietà di rifiuti industriali come materiali di partenza per produrre ceramica di mullite. Sono stati esaminati i metodi di lavorazione, le temperature di sinterizzazione e gli additivi chimici. Il metodo di lavorazione tradizionale che prevedeva la miscelazione, la pressatura e la sinterizzazione della reazione del precursore della mullite era il metodo più comunemente utilizzato grazie alla sua semplicità ed efficacia in termini di costi. Sebbene questo metodo sia in grado di produrre ceramica di mullite porosa, è stato riportato che le porosità apparenti della ceramica di mullite risultante rimangono al di sotto del 50%. D'altra parte, la colata a freddo ha dimostrato di essere in grado di produrre ceramica mullite altamente porosa, con una porosità apparente del 67%, anche a una temperatura di sinterizzazione molto elevata di 1500 °C. È stata effettuata una revisione delle temperature di sinterizzazione e dei diversi additivi chimici utilizzati nella produzione della mullite. È auspicabile utilizzare una temperatura di sinterizzazione superiore a 1500 °C per la produzione di mullite, a causa della maggiore velocità di reazione tra Al2O3 e SiO2 nel precursore. Tuttavia, un contenuto eccessivo di silice associato ad impurità nel precursore potrebbe portare alla deformazione o alla fusione del campione durante la sinterizzazione ad alta temperatura. Per quanto riguarda gli additivi chimici, CaF2, H3BO3, Na2SO4, TiO2, AlF3 e MoO3 sono stati segnalati come un aiuto efficace per abbassare la temperatura di sinterizzazione mentre V2O5, ZrO2 drogato con Y2O3 e 3Y-PSZ possono essere utilizzati per promuovere la densificazione per le ceramiche di mullite. Il drogaggio con additivi chimici come AlF3, Na2SO4, NaH2PO4·2H2O, V2O5 e MgO ha favorito la crescita anisotropa dei filamenti di mullite, che successivamente ha migliorato la resistenza fisica e la tenacità della ceramica di mullite.
Orario di pubblicazione: 29 agosto 2023