氧化鋁泡沫多孔陶瓷的制備

王艷香 彭 文 肖劍翔 孫 健

（景德鎮(zhèn)陶瓷學院材料與工程學院，江西景德鎮(zhèn)333001）

0 前言

泡沫陶瓷是一種具有三維網(wǎng)狀骨架結構的高氣孔率(75～95%)多孔陶瓷，除了具有多孔陶瓷所具有的低密度、抗腐蝕、良好的隔熱性能、耐高溫和使用壽命長等優(yōu)點之外，它還具有高滲透率、高比表面積和復雜的孔道結構等，這些特性使它在冶金、化工、機械、環(huán)保等行業(yè),可以用作高溫氣體凈化器、柴油機排放的固體過濾器、熔融金屬過濾器、以及作為物理分離用隔板，處理化工廠廢物和汽車尾氣的催化劑載體等。此外，在生物醫(yī)用領域也具有潛在前景[1-2]。

有機泡沫體浸漬工藝是制備泡沫陶瓷最常用的一種工藝，其獨特之處在于它憑借了有機泡沫體所具有的開孔三維網(wǎng)狀骨架的特殊結構，將制備好的漿料均勻地涂覆在有機泡沫網(wǎng)狀體上，干燥后燒掉有機泡沫體而獲得一種泡沫多孔陶瓷[3]。該工藝簡單、操作方便和制造成本低。本課題利用有機泡沫浸漬工藝制備氧化鋁泡沫多孔陶瓷，研究制備工藝對氧化鋁泡沫多孔陶瓷性能的影響。

1 實驗

1.1 實驗所用原料

α-氧化鋁粉（中位徑10μm，鄭州白鴿集團）、龍巖高嶺土（龍巖高嶺土有限公司）、膨潤土（浙江安吉天裕膨潤土有限公司）、滑石粉（萊州金源峰滑石有限公司）、硅溶膠（青島恒盛達化工有限公司）、羧甲基纖維素鈉（上海試劑一廠）、聚丙烯酰胺（上海試劑一廠）等。

1.2 實驗過程

(1)聚氨酯泡沫的處理

聚氨酯泡沫先用水清洗除去孔筋上（骨架）表面的雜物和隔膜，然后用2mol/L的氫氧化鈉溶液對其進行表面預處理（增加表面粗糙度），最后用濃度為1%羧甲基纖維素鈉和硅溶膠混合溶液浸泡，以改善有機泡沫與水基漿料的親和性。

(2)漿料的制備

首先，將氧化鋁、龍巖高嶺、滑石、膨潤土按一定的比例稱好倒入球磨罐中；其次配液相，先取一定量的硅溶膠，在稱一定量的CMC倒入加熱硅溶膠中，使其溶解在硅溶膠中混合均勻再倒入球磨罐中，并加入適量的蒸餾水和聚丙烯酸胺。球磨2小時，將料漿混合均勻。配好料漿后可直接用浸漿。

設計四因素三水平的正交實驗，本實驗確定要考察的因素有四個，即氧化鋁（A）、龍巖高嶺（B）、膨潤土（C）、滑石（D）的加入量。每個因素均取三個水平，見表1。

表1 正交實驗因素表Tab.1 The table of orthogonal experiments

表2 正交實驗結果Tab.2 The results of orthogonal experiments

表3 聚丙烯酸胺對料漿粘度的影響Tab.3 The effect of PMAA-NH4 content on slurry viscosity

(3)浸漿、烘干和燒成

將已經(jīng)預處理的有機泡沫體放入配制好的料漿中，并不斷的揉搓。待料漿已經(jīng)完全充滿泡沫體時，將其取出，并輥壓（擠出多余料漿）。然后，將輥壓成型后的制品在60℃干燥12小時。烘干后的樣品分別于1350℃、1500℃、1600℃溫度下燒成并保溫2小時。

(4)二次掛漿

將一次掛漿的樣品于1100℃下燒成，再將燒成的樣品進行二次掛漿，再二次燒成，燒成溫度1500℃，保溫2小時。

1.3 測試

采用CNB-3型數(shù)字粘度計測漿料的粘度；用丹東射線儀儀器有限責任公司生產(chǎn)Y-4型衍射儀對所制得的樣品進行物相分析；采用北京中國科學院科學儀器廠生產(chǎn)的KYKY-1000B型掃描電鏡對樣品進行表面顯微結構分析。

2 結果與討論

2.1 漿料配方對樣品抗折強度的影響

采用了L9（34）安排實驗，對每個樣品進行了三點抗彎強度測試，結果見表2。

通過對結果進行極差分析可知，最佳組合為A3B3C2D1，即最佳配方組成為：氧化鋁77.3%，龍巖高嶺18.2%，膨潤土2.7%，滑石粉1.8%。

2.2 聚丙烯酰胺的加入量對掛漿的影響

確定漿料的基本配方之后，在其漿料中分別加入0%、0.5%和1.0%的聚丙烯酸胺，聚丙烯酸胺對漿料粘度的影響結果如表3所示。

從表3可以看出：隨聚丙烯酸胺加入量的增加，漿料的粘度先降低后增加。當聚丙烯酸胺溶液加入量為0.5%時，泥漿粘度適宜，泥漿觸變性也合適。

聚丙烯酸胺類分散劑是一種高分子聚電解質[4]，在無機材料合成中被廣泛作用分散劑，可以阻止顆粒的再團聚，提高漿料的穩(wěn)定性，使各組分均勻地分散在介質中，進而提高漿料的固含量。因此未加聚丙烯酸胺的料漿粘度較大。當聚丙烯酸胺加入的量太大時，容易產(chǎn)生多層吸附，影響雙電層作用效果，且聚合物自身粘度較高容易橋聯(lián)，導致漿料流動性下降。合適的分散劑量可使顆粒被聚合物完全包覆，聚合物充分分散，阻礙顆粒的聚集。當聚丙烯酸胺加入量為0.5%時，料漿性能較好，粘度和觸變性都較好，有利于掛漿。

2.3 燒成溫度對樣品的影響

以表2中9#配方配制漿料，并外加0.5%聚丙基酰胺，硅溶膠10%，CMC0.5%,掛漿烘干后的樣品分別在1350℃、1500℃、1600℃燒成，煅燒后樣品的抗折強度分別為：1.96MPa、2.83MPa和3.51MPa。樣品的XRD見圖1。

圖2 不同燒成溫度的樣品的SEM圖Fig 2 SEM photos of Al2O3porous ceramics sintered at different temperatures

粘土在煅燒過程中會由高嶺石（Al2O3·2SiO2·2H2O）結構最終變化成莫來石（2Al2O3·3SiO2）。從圖1中可以看出：隨著溫度的升高，樣品衍射圖譜中莫來石晶相的衍射峰越來越高，并且出現(xiàn)的莫來石衍射峰也越來越多；隨著溫度提高到1600℃，莫來石峰明顯增強，說明莫來石生成量增加。

從圖2可以看出，在1350℃（圖a）樣品大部分是顆粒堆積，形成玻璃相很少；1600℃樣品致密度較好，顆粒邊緣熔融，出現(xiàn)較多玻璃相，使得顆粒結合緊密，強度增加。

2.4 二次掛漿對樣品的影響

首先用表2中9#實驗配方配成固含量62%的漿料，將有機泡沫掛漿后在1100℃下燒成，得到一次燒成的泡沫體備用；再用相同的實驗配方制成固含量為45%的漿料，將已經(jīng)煅燒的樣品放入已經(jīng)配制好的漿料中，使其完全浸泡取出后用數(shù)顯直流無級調速器將多余的泥漿甩出，最后樣品干燥并于1500℃二次燒成，燒成的樣品抗折強度可達3.54MPa，明顯高于同條件下一次掛漿的樣品。

樣品經(jīng)過二次掛漿燒成后強度明顯有所提高，這是因為網(wǎng)絡結構中由于有機體揮發(fā)遺留的氣孔和泡沫陶瓷顆粒骨架之間的氣孔在二次掛漿時被漿料填補，使得氣孔減少，樣品強度提高。

3 結論

以氧化鋁77.3%、龍巖高嶺18.2%、膨潤土2.7%、滑石粉1.8%，外加固相量10%的硅溶膠，外加固相量0.5%的CMC和0.5%的聚丙烯酸胺組成的配方，有機泡沫的掛漿量高且燒成的樣品性能較好。當分散劑聚丙烯酸胺加入量為固相量的0.5%時，漿料的粘度為η0= 6.325pa·s，厚化度為1.27，料漿性能較好。隨著燒成溫度的提高，樣品的強度增加。二次掛漿能夠有效的提高樣品的強度。

1李飛舟.氣孔率可控氧化鋁多孔陶瓷制備工藝的研究.陶瓷, 2009,NO2:24～27

2王慧,曾令可,張海文.多孔陶瓷--綠色功能材料.中國陶瓷, 2002,38(3):6～8

3劉雪麗,尹洪峰等.凝膠鑄模制備Al2O3多孔陶瓷極其性能的研究.硅酸鹽學報,2008,VOL27.NO2:1162～1165

4 LYCKFELDT O,FERREIRA J M F.Processing of porous ceramics by starch consolidation.Journal of the European Ceramic Society,1998,18:131～140

5 BINNER J G P.Production and properties of low density engineering ceramic foams.British Ceramic Transactions, 1997,96(6):247～249

6竹興,王樹海.陶瓷注凝成型工藝的新進展.現(xiàn)代技術陶瓷, 1999,(2):26～31

7朱小龍,蘇雪筠.多孔陶瓷材料.中國陶瓷,2000,36(4):36～39

8薛明俊,孫承緒,李雁.用Sol-Gel法制備氧化鋁多孔陶瓷的研究.中國陶瓷,1999,35(3):5～8

9 SEPULVEDA P.Gelcasting foams for porous ceramics. American Ceramic Society,1997,76(10):61～65