磷酸對(duì)硅微粉研制的多孔陶瓷的影響

林亮

（福建交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福州：350007）

磷酸對(duì)硅微粉研制的多孔陶瓷的影響

林亮

（福建交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福州：350007）

以鐵合金冶煉過(guò)程中產(chǎn)生的超細(xì)硅灰粉塵為主要原料，添加適量結(jié)合劑，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)可研制成本低廉的多孔陶瓷。本論文主要探討不同燒結(jié)溫度下以磷酸為結(jié)合劑的多孔陶瓷的氣孔率、體積密度、抗折強(qiáng)度的變化，并采用X射線粉末衍射分析和掃描電鏡對(duì)其晶相組成和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。結(jié)果表明磷酸結(jié)合劑的最佳添加量為2.0%，最佳燒結(jié)溫度為700℃，所制得的多孔陶瓷以無(wú)定形SiO2為主相，樣品氣孔率為43.55%，吸水率為34.19%，體積密度為1.25 g/cm3，抗折強(qiáng)度為28.50MPa。

磷酸，結(jié)合劑，多孔陶瓷，硅微粉

1 前言

多孔陶瓷是一種含有氣孔的固體材料，一般來(lái)說(shuō)，氣孔在多孔陶瓷體中所占的體積分?jǐn)?shù)在20%到95%之間[1]。多孔陶瓷的應(yīng)用范圍很廣，包括分離與過(guò)濾、催化劑及其載體、生物反應(yīng)器、氣體傳感器、隔熱材料、熱交換器、生物醫(yī)學(xué)材料等等。根據(jù)使用場(chǎng)合的不同，多孔陶瓷材料的組成及制備工藝也不相同，包括氧化鋁、堇青石、莫來(lái)石、海泡石、碳化硅、氧化鋯、羥基磷灰石等等[2]。常見(jiàn)的制備工藝有發(fā)泡工藝、擠出成型工藝以及有機(jī)泡沫浸漬工藝等，這些制備方法普遍具有成本高，工藝復(fù)雜，燒成溫度高等特點(diǎn)[3-4]。

硅微粉是硅鐵電爐冶煉過(guò)程中產(chǎn)生的超細(xì)粉塵經(jīng)袋式收塵器收集得來(lái)，其主要成分為超細(xì)的SiO2，平均粒徑＜0.1μm，掃描電鏡下觀察呈球形[5]，這些球形顆粒堆積可形成多孔結(jié)構(gòu)，因此可用來(lái)制備具有微孔尺度的多孔陶瓷。由于硅微粉呈瘠性，成型性能差，因此制備多孔陶瓷需添加結(jié)合劑，但結(jié)合劑的加入在提高制品強(qiáng)度的同時(shí)會(huì)降低氣孔率，不同的結(jié)合劑作用效果不同[6]。本論文主要探討磷酸作為結(jié)合劑對(duì)硅微粉制備的多孔陶瓷的性能及微觀結(jié)構(gòu)的影響，為以最低成本制備多孔陶瓷提供參考依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)方法及過(guò)程

2.1 原料及成分

實(shí)驗(yàn)所用硅微粉來(lái)自西北鐵合金冶煉廠，其化學(xué)成分如表1所示。磷酸來(lái)自江蘇恒發(fā)化工有限公司。

2.2 試樣制備

2.2.1 粘結(jié)劑配方試樣制備

本文采用分別在硅灰粉塵中添加0.3%，0.5%，1%，2%，3%，4%和5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）的結(jié)合劑來(lái)制備粘結(jié)劑試樣，相應(yīng)的試樣代號(hào)依次記為：No.1～No.7。

表1 硅微粉的化學(xué)組成Tab.1 Chemical composition of fine silicon powder

表2 各樣本多孔陶瓷的性能指標(biāo)Tab.2 Performance index of each sample sintered with different dosages of phosphoric acid

按比例稱(chēng)取硅微粉與不同含量的粘結(jié)劑，加適量水，充分混合均勻，半干壓成型（單面加壓方式，將壓力定為7 Mpa，保壓時(shí)間為30s），然后置于馬弗爐中升溫至 650℃（升溫速率：200℃/h，保溫時(shí)間：20min），自然冷卻后得到各樣品。

2.2.2 不同燒結(jié)溫度試樣制備

在2.2.1確定的最佳結(jié)合劑添加量配方的基礎(chǔ)上，進(jìn)行不同燒結(jié)溫度 500、550、600、650、700、750、800、850℃（升溫速率：200℃/h，保溫時(shí)間：20min）的試樣制備，以確定最佳的燒結(jié)溫度。

2.3 樣品測(cè)試及表征

采用三點(diǎn)彎曲法測(cè)試樣品的抗折強(qiáng)度，采用懸水重法測(cè)試各樣品的顯氣孔率和體積密度。采用XRD法（Philips X′pert－MPD X射線衍射儀，分析條件CuKα1，電壓 40KV，電流 40mA）表征各樣品的晶相組成，用SEM（Philips XL30ESEM）觀察微觀形貌。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 磷酸添加量對(duì)多孔陶瓷性能的影響

表2所示為不同磷酸添加量下得到的多孔陶瓷的氣孔率、體積密度、吸水率和抗折強(qiáng)度。

從表2可以看出，隨著磷酸添加量的增加，多孔陶瓷的氣孔率和吸水率呈先下降而后上升的趨勢(shì)，相應(yīng)的體積密度和抗折強(qiáng)度則相反。這是因?yàn)榱姿岢誓z體狀態(tài)，在高溫下，膠體狀的顆粒呈粘性流動(dòng)，顆粒間進(jìn)行重新排列而阻力較大，填充了部分氣孔通道，隨著磷酸添加量的增多，這種填充效應(yīng)愈加明顯，因此表現(xiàn)出整體材料氣孔率的下降；但因?yàn)楣栉⒎壑谐齋iO2外還含有一定的CaO、MgO、K2O和Na2O，隨磷酸添加量的增多，部分磷酸會(huì)與這些堿性氧化物發(fā)生反應(yīng)而產(chǎn)生瞬間凝固效應(yīng)，凝固速度太快難以形成致密的結(jié)構(gòu)，從而使制品中出現(xiàn)微裂紋，所以No.6樣品，即磷酸添加量等于4%時(shí)，多孔陶瓷表現(xiàn)出氣孔率和吸水率增加的現(xiàn)象。根據(jù)表2數(shù)據(jù)，并考慮樣品的成型操作難易程度，選擇No.4樣品，即磷酸添加量為2%時(shí)為最佳添加量，此時(shí)制得的多孔陶瓷顯氣孔率為47.61%，吸水率為40.98%，體積密度為1.16g/cm3，抗折強(qiáng)度為19.34MPa，可以滿足一般場(chǎng)合的使用強(qiáng)度要求。

3.2 燒結(jié)溫度對(duì)多孔陶瓷性能的影響

選擇磷酸添加量為2%的樣品，分別在不同溫度（500、550、600、650、700、750、800、850℃） 下燒結(jié)，所得的樣品性能指標(biāo)如圖1和圖2所示。

從圖1可以看出，隨著燒結(jié)溫度的升高，氣孔率先緩慢升高，在650℃達(dá)到最大值后又緩慢下降，變化并不明顯，說(shuō)明從650℃后樣品開(kāi)始逐漸燒結(jié)，體積密度逐漸增大，強(qiáng)度逐漸提高；到800℃時(shí)氣孔率開(kāi)始快速下降，850℃時(shí)氣孔率由37.43%快速下降到20.41%，說(shuō)明此時(shí)樣品已趨于完全燒結(jié)，與此同時(shí)，樣品的體積密度增加到1.72 g/cm3，達(dá)到最高。

從圖2可以看出，樣品的抗折強(qiáng)度隨燒結(jié)溫度的升高呈先下降繼而上升后又下降的趨勢(shì)。當(dāng)燒結(jié)溫度為500和550℃時(shí)，樣品的抗折強(qiáng)度不足5Mpa，不能滿足一般場(chǎng)合的使用強(qiáng)度要求；當(dāng)燒結(jié)溫度為700℃時(shí)，樣品的抗折強(qiáng)度達(dá)到最高值28.50Mpa；當(dāng)燒結(jié)溫度升高到750℃時(shí)，樣品的抗折強(qiáng)度又大幅下降至11.24MPa；繼續(xù)升高燒結(jié)溫度，樣品出現(xiàn)開(kāi)裂等現(xiàn)象，因此無(wú)法測(cè)試其抗折強(qiáng)度。

綜合圖1和圖2的分析結(jié)果，確定以磷酸為結(jié)合劑的硅微粉多孔陶瓷的最佳燒結(jié)溫度為700℃，此時(shí)，樣品的氣孔率為43.55%，吸水率為34.19%，體積密度為1.25 g/cm3，抗折強(qiáng)度為28.50Mpa。

3.3 多孔陶瓷的晶相組成表征

圖3所示為不同燒結(jié)溫度下得到的多孔陶瓷的XRD分析結(jié)果。從中可以看出，在各燒結(jié)溫度下得到的樣品的XRD譜圖是一致的，仍保持著硅微粉原始粉末的無(wú)定形態(tài)結(jié)構(gòu)，說(shuō)明在750℃下硅微粉沒(méi)有析晶，這與文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)是一致的。

3.4 多孔陶瓷的微觀形貌表征

圖4(a)～(d)依次是燒結(jié)溫度為 700℃，磷酸添加量分別為0.3%、1.0%、2.0%和4.0%時(shí)樣品的微觀形貌。

從圖4可以看出，隨著磷酸添加量的增加，樣品逐漸呈現(xiàn)燒結(jié)的狀態(tài)。圖4(a)樣品仍保持均勻分散的顆粒狀；圖4(b)局部顆粒粘結(jié)，但整體仍未呈現(xiàn)燒結(jié)現(xiàn)象；圖4(c)已出現(xiàn)明顯的顆粒聚集、氣孔率下降的燒結(jié)現(xiàn)象；而從圖4(d)則可看出，樣品顆粒間隙已填充玻璃相，導(dǎo)致氣孔率明顯下降，這表明4.0%的磷酸添加量已過(guò)量。

4 結(jié)論

（1）用硅微粉為主要原料，添加磷酸結(jié)合劑可制備高氣孔率的多孔陶瓷，工藝簡(jiǎn)單，成本低廉。

（2）磷酸結(jié)合劑的最佳添加量為2.0%，最佳燒結(jié)溫度為700℃，所制得的多孔陶瓷樣品氣孔率為43.55%，吸水率為34.19%，體積密度為1.25 g/cm3，抗折強(qiáng)度為28.50Mpa，此時(shí)樣品的主晶相仍保持硅微粉原料時(shí)的無(wú)定形態(tài)SiO2。

1 王圣威,金宗哲,黃麗容.多孔陶瓷材料的制備及應(yīng)用研究進(jìn)展.硅酸鹽通報(bào),2006,25(4):124～129

2 初雅杰,吳申慶.多孔陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)與性能.材料導(dǎo)報(bào),2008,22(9):47～50

3 朱新文,江東亮,譚壽洪.多孔陶瓷的制備、性能及應(yīng)用：(I)多孔陶瓷的制造工藝.陶瓷學(xué)報(bào),2003,24(1):40～45

4 張智慧,李楠.多孔陶瓷材料制備方法.材料導(dǎo)報(bào),2003,17(7):30～31

5 于巖,阮玉忠,林春鶯等.鐵合金廠回收的硅微粉在不同溫度下晶相結(jié)構(gòu)的研究.結(jié)構(gòu)化學(xué),2004,23(3):306～311

6 朱立欽,吳任平,于巖.利用硅灰粉塵研制多孔陶瓷.福州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,37(3):384～387

INFLUENCE OF PHOSPHORIC ACID ON POROUS CERAMICS MADE FROM FINE SILICON POWDER

Lin Liang
(Fujian Communications Technology College,Fuzhou 350007)

A type of low cost porous ceramics was made by using suitable binder and fine silicon powder generated during iron alloy smelting process as main raw materials.The variation of porosity,bulk density and bending strength with different sintering temperatures of porous ceramics (by using phosphoric acid as binder)were discussed in this paper.XRD and SEM techniques were used to characterize the crystalline composition and microstructures.The results show that the best dosage of phosphoric acid is 2.0%and the best sintering temperature is 700℃.The main crystal phase of acquired porous ceramics is amorphous SiO2.The porosity of the porous ceramics is up to 43.55%,water absorption is 34.19%,bulk density is 1.25 g/cm3and bending strength is 28.50MPa under best preparing conditions.

phosphoric acid,binder,porous ceramics,fine silicon powder

on Feb.3,2010

T Q 1 7 4.7 5

A

1000-2278（2010）02-0306-04

2010-02-03

林亮，E-mail:linliang0601114@163.com

Lin Liang,E-mail:linliang0601114@163.com