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1、高温焙烧对石英砂表面的影响第25卷第4期2005年12月矿物学报ACTAMIOGI(sINI(v01.25.No.4Dee.,2005文章编号:10004734(2005)04-0385.04高温焙烧对石英砂表面的影响赵中魁,孙清洲,张普庆,荆海鸥,孙益民2(1.山东建筑工程学院材料科学与工程学院,山东济南250101;2.山东大学材料科学与工程学院,山东济南250069)摘要:采用电子探针和透射电子显微镜研究了石英砂经900高温焙烧前后表面元素和杂质相颗粒的变化.结果表明:石英砂表面的0/$i比偏离si的化学比例,高温焙烧后其表面的0/$i比接近为2.石英砂表面存在大量纳米尺寸的杂质相,高温
2、焙烧使杂质相脱落,增大了石英的裸露表面积.关键词:石英砂表面;焙烧;杂质相颗粒;O/Si比中图分类号:P574.1;P579文献标识码:A作者简介:赵中魁,男,1969年生,博士,副教授,主要从事新材料开发与研制,E-mail:jorezhk163.coin.石英砂是重要的造型材料,然而砂粒表面被各种杂质,氧化物包围,真正裸露的表面非常少.为了提高铸造粘结剂与石英砂之间的粘结强度,必须保证石英砂表面尽可能干净.为此,人们常常采取擦洗,酸清洗等方法去除石英砂表面杂质,提高型(芯)砂的强度【1.实验发现,热法再生砂或高温焙烧的原砂可以在粘结剂加入量不变的情况下,提高砂型性能【3.4J.然而,对石英
3、砂的表面特性,尤其焙烧对石英砂的表面的影响研究较少.本文对焙烧前后的石英砂表面特性进行研究,探讨焙烧提高石英砂的表面活性的原因.1实验材料与方法先把大林砂在擦洗机中擦洗20rain,然后用清水漂洗,以去除泥分.擦洗时砂与水的质量比为7:3.把经过擦洗过的砂在105烘干,并以其为研究对象.石英砂在900oc焙烧15rain2次和5次后冷却到室温.采用电子探针测量石英砂表面的元素及其含量,并用透射电子显微镜高倍观察石英砂的表面.2试验结果电子探针检测发现,未焙烧的砂粒表面的O/Si比较大地偏离了Si02的化学式的比例2,石英砂有些表面的O/Si比为1.801.90,有些为2.32.5,见表1.部分
4、石英砂表面还含有杂质元素,如Ig,K,Ca,Fe等元素,这些元素可能以氧化物或氢氧化物形式存在引,其中Fe可能以FeOOH型式存在【刮.表1未焙烧的大林砂表面的成分及其含量(B/%)rable1.Elementsandtheircontentsofthesu出ceofrawDalinsaIld8(%)0si30.3o28.8635.6435.5935.4428.8730.0034.6330.09AlNaKCaFeSO/SiI.740.390.472.206(2.090)4.I120.59I.13O.27O.99O.342.2o7(,.897)0.281.8031.8091.8212.4632.
5、3331.8872.32366.8663.7l64.2764.4164.5671.1370.0065.3769.9l注:()内的数据为假定杂质元素为氧化物并去除其中的氧含量后的O/Si比收稿日期:2005-04419基金项目:山东自然科学基金资助项目(y2003l03)盟2,4386矿物学报2oo5拄焙烧后的石英砂表面仍含有Mg,Na,K,Al,Ca,Fe等元素,但附着在砂粒表面的羟基将发生分解,附着的杂质将主要以氧化物形式存在.同时,O/Si比接近2,与Si02的化学成分比靠近,并且焙烧次数越多,石英砂表面的O/Si比越接近2,见表2和表3.表2焙烧二次的大林砂表面的成分及其含量(xB/%)
6、Table2.ElementsandtheircontentsofthesurfaceofDalinsandsaftertwicecaleinalion(%)注:()内的数据为假定杂质元素为氧化物,并去除其中的氧含量后的o/si比表3焙烧5次的大林砂表面的成分及其含量(xs/%)Table3.ElementsandtheircontentofthesurfaceofDalinsandsafterfive-timescalcination(%)序号0SiMgAINaKCaFeO/Si66.3366.7263.6965.4062.8o67.39O.17O.163.381.187.14O.875.2
7、31.44O.18O.52O.580.430.41注:()内的数据为假定杂质元素为氧化物,并去除其中的氧含量后的O/Si比图1为未焙烧的大林砂的TEM照片,从图中可以看出,砂粒表面不是光洁的眙面,其上分布着杂质相颗粒.在不同的颗粒和不同的位置,这些杂质相颗粒的数量,大小不同.图1a中砂粒表面大部分覆盖着的各种尺寸的杂质颗粒;图1b中的杂质相颗粒既有直径为80nnl左右的大颗粒,也有几个纳米尺度的微小颗粒,它们大量而散乱地分布在砂粒表面;图1c中的杂质相颗粒比较细小,只有l0nm左右,数量也比较少.可见,未焙烧的砂粒表面分布大量的细小的杂质相颗粒,颗粒尺寸电差别较大.图l未焙烧的大林砂表面的TE
8、M照片Fig.1.TEMphotosofthesurfaceoflawDalinsands姗Oj第4期赵中魁等:高温焙烧对石英砂表面的影响387图2为焙烧后大林砂表面的TEM照片.经过900焙烧后,石英砂表面的杂质相颗粒数量大大减少,有些石英砂表面甚至已经观察不到杂质相(图2a);有些石英砂粒表面仍可以看到杂质相颗粒,但石英砂表面显示出一些缺陷(图2b);有些石英砂表面的杂质相颗粒较粗大,且数量较少(图2c).可见高温焙烧可使石英砂表面的一些杂质相颗粒脱落,石英裸露面积大大增加.这有利于提高石英砂的表面活性.3分析与讨论图2900oC焙烧后的大林砂表面的TEM照片Fig.2.TEMphotos
9、ofthesurfaceofDalinsandsaftercalcinationat900oC石英加热到573时.低温型的石英.a将转变成高温型的石英,8,是急转变,并伴随体积变化(膨胀,收缩).石英晶体加热到870,在含Fe,Ca等矿化剂的情况下会转变成鳞石英L1,这一转变为慢变化,在长时间高温条件下才能形成.鳞石英冷却时不会再转变成石英.石英的每一次相变,其原子结构都发生重组,同时也伴随着一定的体积变化.由于石英砂表面结构重组,石英砂表面对杂质相颗粒的吸附能力降低,再加上石英砂的热膨冷缩作用,吸附在石英砂表面的杂质相颗粒脱落,净化了石英砂表面.天然石英砂是由火成岩长期风化而成.大块的石英在
10、破碎成砂粒时,使砂粒表面形成不饱和键,即形成过剩氧的带负电荷表面和氧不足的带正电表面,能够吸附大气中的水和周围环境中的钠,钾,钙,铁,铝,镁等离子.加上石英砂表面不平坦,并具有多孔隙性,更加剧了吸附效果.吸附的水可以和石英砂的表面发生反应形成各种羟基团【,而吸附的各种阳离子主要以氧化物或氢氧化物形式存在.通过透射电镜观察可知,石英砂表面吸附的颗粒大部分为纳米尺度,所以这些吸附的颗粒很难采用机械法去除.表面吸附的大量杂质颗粒不但减少了石英砂的裸露面积,还可能与存在的各种羟基团一起降低砂粒表面活性.当往石英砂中添加各种粘结剂时,砂粒表面吸附的杂质不但减少砂粒与粘结剂的接触面积,也降低了粘结剂与砂粒
11、的结合强度.如果杂质与粘结剂发生反应,将会更进一步降低型砂的强度【8J.高温焙烧时,不但石英晶体内部可以形成大量空位,晶体还会发生相变,产生内应力,使石英晶体内部的能量增高,从而可缩小砂粒内部与表一面的能量差,这可能有利于减少石英砂内部与表面的成分差.同时,高温下,石英表面形成的羟基化合物分解,氢氧化合物发生分解并脱落,缺氧的键与外界的氧结合,富氧的键失去多余的氧,结果石英砂表面的O/Si比接近2.这些不仅有利于砂粒表面的杂质相脱落,增大了石英砂的裸露面积,而且使石英砂表面不再形成羟基,增大了表面活性.4结论(1)未焙烧的砂粒表面的O/Si比偏离SiO2的化学式的比例2较大,石英砂有些表面的O
12、/Si比为1.801.90,有些为2.32.5.高温焙烧后石英砂表面的O/Si比接近2,接近SiO2的化学成分,并且焙烧次数越多,石英砂表面的O/Si比越接近2.(2)未焙烧的砂粒表面分布大量的细小的杂388矿物学报2005年质相颗粒,虽然颗粒尺寸差别较大,但大部分杂质相颗粒为纳米尺度.高温焙烧可使石英砂表面的考文献:杂质相颗粒脱落,增大了石英裸露面积大大增加,有利于提高石英砂的表面活性.白宇光,沈联芸.擦洗砂的开发选试及应用J.汽车工艺与材料,1994,(5):2429.刘向东,肖柯则,王文清,等.特种覆膜砂粘结剂机理的研究j.铸造,2000,49(10):769772.孙清洲,赵中魁.孙学
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15、nthesurfaceofrawsilicatesandsandthesandsaftercalcinationat900wereexaminedbyelectronmicroprobeand删(transmissioneleetronmicroscopy).ItwasfoundthattherateofO/SiofthesurfaceofraWsilieatesandsdeviatesfromthatofSi02.However,therateofO/Siisapproximateto2aftercalcination.Therearemuchnano-partielesofimpuritiesonthesurfaceofsilieatesands,anditistheealeinationthatmadetheparticlesofimpuritiesbrokenoff,andalsomadethesurfaceofthesandsnudityl/lOre.Keywords:surfaceofsilieatesand;ealeinatiom;particleofimpurity;rateofO/Si参