Spodumene Dan Penggunaannya Dalam Seramik: Gambaran Keseluruhan

Spodumene adalah mineral dengan peranan penting untuk dimainkan dalam seramik moden: penambahan ketahanan terhadap kejutan haba dan pengembangan - menjadikan jangka hayat seramik yang lebih lama.

Pengenalan

Spodumene adalah mineral jenis pyroxene dengan formula kimia LiAl(SiO3)2. Ia digunakan terutamanya sebagai sumber logam litium, yang diasingkan terlebih dahulu dengan memanggang spodumene dan kemudian dengan larut lesap dalam asid. Ia lebih disukai berbanding kaedah lain kerana jumlah litium yang lebih tinggi yang boleh diekstrak. Di kawasan lain, spodumene mendapati penggunaan dalam seramik, sebagai agen fluks dan dalam perubatan. Di rumah, spodumene didapati popular dan meluas digunakan sebagai fasa kristal bahan seramik kaca 'Pyroceram' untuk memasak. Memiliki toleransi haba yang tinggi dan pengembangan yang rendah pada suhu tinggi, bahan ini sangat popular dari akhir 1950-an. Spodumene, khususnya fasa β-spodumene, bertanggungjawab untuk sifat-sifat yang mengagumkan ini. Kebanyakan spodumene yang berlaku secara semula jadi wujud sebagai struktur kristal α-spodumene, dengan varian β yang lebih kuat dicapai melalui pemanasan. Republik Demokratik Congo mempunyai rizab terbukti terbesar spodumene.

shutterstock_537960268 Wide

Kegunaan Dalam Seramik

Dalam 'Pyroceram' Corning, seramik kaca kelihatan berwarna putih susu; membenarkan jumlah cahaya yang sederhana untuk lulus; Lut. Seramik

berasaskan spodumene mendapati popularitinya kerana sifat-sifat yang mereka tanggung, ketahanan chef terhadap kejutan haba, toleransi suhu tinggi dan ketahanan terhadap pengembangan haba. Selain itu, seramik spodumene umumnya dianggap sebagai kekuatan dan ketahanannya. Dari segi proses pembuatan, sinters spodumene dengan baik.

Rintangan kejutan haba

Rintangan kepada kejutan haba merujuk kepada keupayaan bahan untuk tidak berubah bentuk atau pecah pada perubahan suhu secara tiba-tiba dan/atau dramatik. Kerana prestasi haba yang sangat baik dengan haknya sendiri, β-spodumene sering dimasukkan ke dalam seramik lain untuk membantu menambah sifat tahan kejutan yang berharga. Sebagai contoh, penambahan 15 wt% β-spodumene kepada alumina telah ditunjukkan untuk menghasilkan seramik dengan ketidakpadanan pengembangan haba yang tinggi (1). Ujian menunjukkan bahawa seramik doped spodumene menunjukkan kemerosotan kekuatan minimum di bawah keadaan kejutan haba, berbanding alumina tulen yang tidak berfungsi dengan baik. Keputusan ini dibandingkan dengan seramik komposit alumina yang lain.

Dalam seramik kaca, spodumene dan silika digunakan. Ketumpatan seramik kaca yang dihasilkan meningkat selepas 3.5 atau lebih jam sintering. Dalam proses ini, saiz bijirin min meningkat daripada 0.55 kepada 0.67 μm dengan kekerasan meningkat kepada 5.47 GPa, di samping peningkatan kekuatan lenturan sebanyak 158 MPa. Terdapat peningkatan kekuatan sisa dan prestasi yang sepadan dalam ujian kejutan haba. Penyelidik menerangkan fenomena ini dengan peningkatan kehabluran dan peratusan tinggi β-spodumene yang datang dengan tempoh sintering / kalsinasi lanjutan (2). Oleh itu, prestasi kejutan haba dipengaruhi oleh prestasi kekuatan lenturan.

Apabila digunakan sebagai fluks, spodumene bertanggungjawab untuk kesan densifikasi dalam seramik yang terhasil. Dalam contoh di mana penyelidik sedang membangunkan cordierite-spodumene untuk aplikasi penghantaran haba suria, menambah hanya 10% daripada β-spodumene adalah mencukupi untuk memastikan kekuatan lenturan selepas 30 kitaran pemanasan dan penyejukan (cepat dari 1,100 °C kepada suhu bilik) menurun hanya 6%. Bahan yang sangat berdaya tahan ini mengekalkan hampir semua spodumene selepas semua kitaran (3). Penulis mencadangkan ini mungkin bahan yang menjanjikan untuk penghantaran haba dalam penjanaan kuasa haba suria. Membina kerja cordierite-spodumene, penambahan 5% andalusite didapati meningkatkan sifat kejutan haba lebih jauh (4).

stoneware mangkuk
Mangkuk

Rintangan pengembangan haba

Pekali pengembangan haba (CTE) adalah pengukuran berapa banyak bahan mengembang pada suhu, dengan nombor yang lebih rendah lebih disukai.

Dalam seramik silika dengan β-spodumene, anisotropi pengembangan bahan lebih besar dengan peningkatan peratusan silika(5). β-spodumene itu sendiri membentuk dirinya menjadi rantai lingkaran Al-O tetrahedra dalam susunan paksi skru, yang walaupun tegang, ketegangan lega pada suhu tinggi dengan pengurangan sudut ikatan dalam tetrahedra. Ini menyebabkan tahap kestabilan yang lebih tinggi (6).

Seramik kaca β-spodumene yang dihasilkan melalui proses gel sol diikuti dengan menekan panas telah menunjukkan CTE hampir sifar -0.03 x 10-7 K-1 hingga -0.97 x 10-7 K-1 dari suhu bilik hingga 1,200 °C(7). Penyelidik mencadangkan bahawa sebab rintangan yang luar biasa terhadap pengembangan adalah disebabkan oleh fasa kristal yang sangat stabil yang dicapai dan kristal seragam, yang kedua-duanya bergantung kepada tingkah laku sintering yang sangat baik dari spodumene. Nilai CTE negatif tersebut merujuk kepada bahan yang dilatometrik - iaitu kontrak material. Ini telah diketahui sebagai kes β-spodumene sejak tahun 1951(8).

Pekali pengembangan haba yang sangat rendah dalam seramik spodumene boleh dicapai dengan penggunaan litium oksida dan bahan tambahan sintering germanium oksida. Menggunakan hanya 3% berat bahan tambahan ini dalam proses yang diketuai β-spodumene mengakibatkan seramik dengan CTE hanya 7.0 x 10-7 K-1 dari suhu bilik hingga 800 ° C (9). Sebagai perbandingan, seramik litium aluminosilicate mempunyai CTE 3.2 x 10-7 K-1(10).

Nilai CTE negatif juga diperhatikan dalam spodumene yang mengandungi seramik kaca yang lebih eksotik. Dalam kes nitrogen yang mengandungi seramik kaca spodumen, komposisi kaya β-spodumene nitrided yang mengkristal pada 1,200 °C mempunyai CTE negatif. Ketumpatan dan kekerasan kaca yang dihasilkan meningkat dengan ketara. Penjelasan untuk fenomena ini adalah bahawa di samping pembentukan β-kuarza (lihat di bawah), atom nitrogen dimasukkan ke dalam kekisi (11).

Pertimbangan Dan Pemerhatian Semasa Pembuatan

Seperti semua seramik, proses rawatan haba adalah bahagian penting dalam pembuatan. Semasa pemanasan, α-spodumene atau spodumene amorf berubah menjadi ɣ-spodumene, kestabilan yang bergantung kepada kadar pemanasan serta rawatan mekanikal sebelumnya sampel (iaitu sama ada ia telah dikisar). Apabila kalsinasi diteruskan, ɣ-spodumene menukar kepada β-spodumene, ditambah dalam beberapa kes beberapa β-kuarza sebagai gangue, kerana beberapa pusat litium dan aluminium digantikan dengan silikon. Sebagai peraturan umum, bermula dengan sampel tanah halus akan menghasilkan penukaran yang lebih lengkap kepada β-spodumene(12). Pengurangan tenaga boleh dicapai dengan memproses spodumene dalam katil cecair (13).

Penyelidik telah menyatakan bahawa apabila membentuk seramik spodumen, badan menjadi lebih sukar untuk dibentuk apabila kalsinasi telah menyebabkan perkadaran β-spodumene melebihi 50%. Untuk bentuk seramik yang lebih kompleks dengan bahan ini, oleh itu penting untuk memodulasi suhu dengan berhati-hati supaya tidak melebihi tahap 50% terlalu awal (14). Kaedah yang berpotensi untuk mengurangkan ini boleh termasuk mengubah kandungan / penambahan LiO2, yang mempunyai lebih banyak kesan ke atas tingkah laku sintering, bersama oksida lain (15).

Kesan Terhadap Seramik Lain

Penambahan spodumene dalam pengeluaran seramik yang diketahui telah terbukti bermanfaat dari segi menambah sifat yang diingini. Dalam pembuatan seramik mullite, para penyelidik telah mendapati bahawa dengan menggunakan β-spodumene sebagai agen sintering fasa cecair, ketumpatan mullite meningkat (iaitu kurang berliang), tingkah laku sintering diperbaiki dan mullite lebih mudah dibentuk pada 1,550 ° C (16). Di samping itu, penulis mendakwa bahawa seramik mullite yang diubah suai spodumene mempunyai sifat fizikal dan mekanikal yang unggul berbanding mullite sahaja.

Ciri-ciri peningkatan ini sebahagian besarnya digembar-gemburkan oleh penyelidik yang melakukan fasa cecair sintered aluminas dengan β-spodumene (17). Mereka mendapati bahawa dengan menambah β-spodumene, seramik yang dihasilkan mengandungi campuran spodumene kristal dan bahan kaca - yang membawa kepada seramik yang berprestasi kuat secara mekanikal, menyaingi mana-mana seramik alumina yang tersedia secara komersial.

mangkuk seramik dibuat dengan felddi atas rak

Spodumene Floatation And Recovery

Faktor penting dalam mana-mana proses pengeluaran moden adalah pengurangan sisa - dan rawatan apa sahaja sisa yang ada untuk memastikan pelupusan yang selamat. Dengan ini, apungan spodumene adalah proses penting dalam pengeluaran logam litium (seperti yang disebutkan, kebanyakannya dari spodumene) dan sebatian spodumene dan litium sisa boleh diekstrak daripada ekor pengeluaran litium. Oleh kerana spodumene mempunyai potensi zeta negatif dalam penyelesaian yang mempunyai pH kurang daripada 3(18), spodumene berpotensi dikeluarkan dari ekor tersebut dengan koleksi kationik, seperti dengan amina. Penyelidikan telah menunjukkan bahawa 90% spodumene dari ekor boleh diekstrak (19). Terapung dicapai dengan penambahan natrium oleat (250 g L-1) dan kalsium klorida pada ekor(20). Spodumene yang dipulihkan sangat sesuai digunakan dalam seramik (21), seperti contoh di mana ekor terapung, kaolin dan serbuk kaca lebur rendah digabungkan untuk menghasilkan seramik yang sangat berliang dengan nilai kekuatan MPa 5.60 yang dicemburui (22).

Ringkasan

  • Spodumene adalah mineral dengan formula LiAl(SiO3)2, yang digunakan terutamanya sebagai sumber litium
  • Dalam dunia seramik dan seramik kaca, spodumene dinilai untuk sifat sintering yang sangat baik
  • Rintangan yang tinggi terhadap kejutan haba dijelaskan oleh peningkatan kehabluran dan kekuatan yang dihasilkan oleh peratusan β-spodumene yang lebih besar
  • Dari segi pengembangan haba, spodumene memberikan ciri-ciri yang sangat baik untuk seramik, dengan beberapa pekali pengembangan walaupun negatif
  • β-spodumene sebahagian besarnya bertanggungjawab untuk kekuatan yang mengagumkan dan sifat-sifat yang berkaitan, bersama-sama dengan pembentukan jumlah sederhana β-kuarza dalam beberapa sistem
  • Pemulihan spodumene yang mencukupi untuk pengeluaran seramik adalah mungkin melalui apungan spodumene
  • Secara keseluruhan, spodumene adalah bahan berharga untuk pengeluaran seramik

Rujukan

1 B. A. Latella et al., J. am. Ceram. SoC., 1999, 82, 819

2 H. Mohammad et al., Asia J. Ceram. SoC., 2021, 9, 507

3 C. Hu et al., Ceram. Int., 2016, 42, 13547

4 C. Hu et al., Ceram. Int., 2018, 44, 3240

5 J. P. Williams et al., J. am. Ceram. SoC., 1968, 51, 651

6 C.-T. Li dan D. R. Peacor, Z. Kristallogr. Krist., 1968, 126, 146
7 G. Wen et al., Ceram. Int., 2012, 38, 5315
8 E. J. Asap, J. am. Ceram. SoC., 1951, 34, 131
9 T. Ogiwara et al., J. am. Ceram. SoC., 2013, 96, 2577

10 L. Xia et al., Ceram. Int., 2020, 46, 28668

11 H. Unuma et al., J. am. Ceram. SoC., 1991, 74, 1291

12 M. Altarawneh et al., Pelombong. Eng., 2019, 140, 105883

13 E. Gasafi dan R. Pardemann, Pelombong. Eng., 2020, 148, 106205

14 E. M. El-Meliegy, Ceram. Int., 2004, 30, 1059

15 S. Knickerbocker et al., J. am. Ceram. SoC., 1989, 72, 1873

16 I. Low et al., J. Mini., 1997, 32, 3807

17 B. H. O'Connor et al., J. am. Ceram. SoC., 1995, 78, 1895
18 J. Deng et al., Pelombong. Eng., 2015, 79, 40

19 L. Wang et al., Sep. Purif. Tech., 2016, 169, 33

20 S. Farrokhpay et al., Mineral, 2019, 9, 372

21 P. N. Lemougna et al., Ceram. Int., 2021, 47, 33286

22 L.-H. Xu et al., Trans. Soc Logam Bukan Ferus. China, 2021, 31, 9