泡沫陶瓷材料的制備及多功能性

劉 陽 馬健巖 李艷波

沈陽建筑大學(xué)材料學(xué)院 沈陽110168

泡沫陶瓷材料的制備及多功能性

劉 陽 馬健巖 李艷波

沈陽建筑大學(xué)材料學(xué)院 沈陽110168

泡沫陶瓷是一種重要的多孔材料，由眾多的氣孔在空間通過各種方式排列而成，因其特殊的結(jié)構(gòu)具有多功能性。根據(jù)國內(nèi)外最新文獻(xiàn)，本文綜述了泡沫陶瓷材料的制備方法，介紹了泡沫陶瓷優(yōu)異的過濾與分離性、吸聲性、隔熱性等多種功能性。

泡沫陶瓷；制備方法；多功能性；

1、引 言

泡沫陶瓷材料的發(fā)展始于2O世紀(jì)7O年代，是一種具有可耐高溫的多孔材料。其孔徑從納米級到微米級不等，具有三維空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，氣孔率在20%～95%之間，其造型猶如鋼化了的泡沫塑料或瓷化了的海綿體。根據(jù)材質(zhì)不同，泡沫陶瓷的使用溫度為常溫～1600℃。自1978年美國發(fā)明了利用氧化鋁、高嶺土等陶瓷料漿研制的泡沫陶瓷，用于鋁合金鑄造過濾之后，英、日、德、瑞士等國家競相開展了研究，生產(chǎn)工藝日益先進(jìn)，技術(shù)裝備越來越向機(jī)械化、自動(dòng)化發(fā)展，根據(jù)應(yīng)用的目的不同，已研制出多種材質(zhì)、適合于不同用途的泡沫陶瓷過濾器，如A l2O3、 ZrO2、 SiC、Si3N4、硼化物 等高溫泡沫 陶瓷，有的還加入了一定的礦物，如莫來石、堇青石、粉煤灰、煤矸石等。目前泡沫陶瓷產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，形成了陶瓷材料的一個(gè)重要分支。[1]

2、泡沫陶瓷的制備方法

泡沫陶瓷材料的制備方法很多，目前應(yīng)用比較普遍的有：發(fā)泡法、溶膠—凝膠法、添加造孔劑法、有機(jī)前驅(qū)體浸漬法、注模法、自蔓延高溫合成法等。[2]每種工藝方法都有其各自的特點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)中，往往同時(shí)采用多種工藝方法，以提高產(chǎn)品的性能。

2.1 發(fā)泡法

發(fā)泡法主要是在陶瓷粉料中加入適當(dāng)?shù)陌l(fā)泡劑，通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生揮發(fā)性氣體從而產(chǎn)生泡沫，然后再經(jīng)干燥和燒成制得。采用反應(yīng)發(fā)泡的方法，可以制備形狀復(fù)雜的泡沫陶瓷制品。發(fā)泡法制備泡沫陶瓷工藝較復(fù)雜，不易控制，且制備的泡沫陶瓷易出現(xiàn)粉化剝落現(xiàn)象并含有大量閉口氣孔，因而在實(shí)際制備中較少被采用。研究表明，在陶瓷粉料中加入適當(dāng)?shù)奶沾衫w維，可以改善這一工藝，有效增加坯體在燒結(jié)過程中的強(qiáng)度，避免粉化和塌陷。

2.2 溶膠─凝膠法

溶膠—凝膠法是利用凝膠化過程中膠體粒子的堆積以及凝膠處理、熱處理等過程中留下小氣孔，形成可控孔隙結(jié)構(gòu)。由溶膠向凝膠的轉(zhuǎn)化過程中，體系的粘度迅速增加，從而穩(wěn)定了已經(jīng)產(chǎn)生的氣泡，有利于發(fā)泡。溶膠─凝膠方法主要用來制備孔徑在納米級的微孔陶瓷材料，氣孔分布均勻，現(xiàn)已成為無機(jī)分離膜制備工藝中最為活躍的研究領(lǐng)域。

2.3 添加造孔劑法

通過在陶瓷配料中添加造孔劑，利用造孔劑在坯體中占據(jù)一定的空間，然后經(jīng)過燒結(jié)，造孔劑離開基體而形成氣孔來制備泡沫陶瓷。造孔劑顆粒的形狀和大小決定了泡沫陶瓷材料氣孔的形狀和大小。利用這種方法可以制得形狀復(fù)雜的泡沫陶瓷制品，但制品氣孔分布的均勻性較差。造孔劑在加熱過程中要易于排除。造孔劑的種類和用量的選擇是該方法的關(guān)鍵。造孔劑分為有機(jī)造孔劑和無機(jī)造孔劑兩種。碳酸銨、碳酸鈣、氯化銨、碳酸氫銨等高溫可分解鹽類以及各類碳粉、煤粉等，屬于無機(jī)造孔劑；天然纖維、高分子聚合物和有機(jī)酸等屬于有機(jī)造孔劑。

2.4 有機(jī)前驅(qū)體浸漬法

該方法基本思路是：首先將有機(jī)泡沫浸漬到陶瓷料漿中，經(jīng)過干燥后，在高溫?zé)蛇^程中使有機(jī)泡沫脫離母體就可以獲得泡沫陶瓷。通過控制漿料性能，優(yōu)化無機(jī)粘結(jié)劑體系，嚴(yán)格控制漿料浸漬工藝過程，可以制備高性能的泡沫陶瓷制品。該方法是目前泡沫陶瓷最理想的制備方法，用該方法制備的泡沫陶瓷已在多個(gè)領(lǐng)域獲得大量應(yīng)用。但是有機(jī)前驅(qū)體浸漬法存在一個(gè)明顯的缺陷，即有機(jī)泡沫體的網(wǎng)眼尺寸是有限的，這在一定程度上制約了所得泡沫陶瓷材料的孔徑和結(jié)構(gòu)。針對這一缺陷，采用三維網(wǎng)狀有機(jī)泡沫材料為載體，首先用浸漬工藝制備出疏松多孔結(jié)構(gòu)坯體，并經(jīng)過排塑、預(yù)燒處理獲得具有一定強(qiáng)度的預(yù)制體，再通過對預(yù)制體進(jìn)行進(jìn)一步表面處理，可以很好地解決這一問題。

2.5 注模法

注模法是將有機(jī)單體溶液與陶瓷粉體、引發(fā)劑和催化劑球磨混合成均勻漿料，然后浸漬聚合物泡沫使之在泡沫網(wǎng)絡(luò)骨架表面形成涂層，最后有機(jī)單體在引發(fā)劑和催化劑作用下產(chǎn)生原位聚合反應(yīng)，使?jié){料凝固。其關(guān)鍵技術(shù)是如何控制料漿內(nèi)部及添加劑的原位化學(xué)反應(yīng)，使陶瓷料漿原位凝固形成坯體。該方法能夠制備機(jī)械強(qiáng)度高、微觀結(jié)構(gòu)均勻，結(jié)構(gòu)致密的泡沫陶瓷。此法具有靈活的可調(diào)性，可以根據(jù)材料性能的要求自由控制凝固時(shí)間，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀成形，從而制備形狀復(fù)雜，具有特殊要求的陶瓷材料。它是一種被廣泛應(yīng)用的新型成形方法，工藝簡單，適合大批量生產(chǎn)。[3]

2.6 高溫自蔓延(SHS)合成法

高溫自蔓延合成方法是一種高放熱無機(jī)化學(xué)反應(yīng)，其基本反應(yīng)過程是：向體系提供必要能量，誘發(fā)體系局部產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，這一化學(xué)反應(yīng)過程在自身放出的高熱量的支持下繼續(xù)進(jìn)行，最后將燃燒波蔓延到整個(gè)體系。[4]SHS反應(yīng)產(chǎn)物通常具有很高的孔隙率，利用這一特點(diǎn)可以制備具有多孔連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的陶瓷材料，而且通過添加造孔劑可進(jìn)一步提高制品的開孔孔隙率，制備出性能優(yōu)良的陶瓷材料。近年來SHS技術(shù)以其高效、節(jié)能等特點(diǎn)而受到關(guān)注。

2.7 微波加熱工藝

微波加熱工藝是指依靠物體吸收微波轉(zhuǎn)換成熱能，同時(shí)自身整體加熱至一定溫度蒸發(fā)水分并制成泡沫陶瓷，可以適當(dāng)添加纖維來改善泡沫陶瓷的強(qiáng)度。此外，為了提高微波吸收能力，還可添加微波耦合劑，如甘油等。微波加熱工藝的關(guān)鍵在于有機(jī)粘結(jié)劑的選擇，粘結(jié)劑在常溫下應(yīng)具有一定的粘度，而且在一定的溫度下凝固后具有一定的彈性。該工藝具有加熱均勻、加熱速率極快的特點(diǎn)，改進(jìn)了泡沫陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能。[4]

此外，還有機(jī)械攪拌法、離子交換法、有機(jī)泡沫堆積法、熱壓法、分相濾出法、固─氣共晶法、木材熱解構(gòu)架法等泡沫陶瓷制備方法，在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)需要選擇合適的制備方法。[5]

3、泡沫陶瓷的多功能性

3.1 過濾與分離功能

作為過濾材料，多孔陶瓷具備很多優(yōu)點(diǎn)：化學(xué)穩(wěn)定性好，耐酸堿及有機(jī)溶劑；極好的耐急冷急熱性能，最高工作溫度可達(dá)1600℃；抗菌性能好，不易被細(xì)菌降解，不易堵塞；無毒，尤其適用于食品行業(yè)和藥物的處理?？蓮V泛應(yīng)用于各種液體和氣體過濾，在空氣凈化、工業(yè)用水、生活用水處理和污水凈化等方面獲得越來越廣泛的應(yīng)用。比如汽車尾氣和發(fā)電廠煙氣中的煙塵，半導(dǎo)體工業(yè)廢水中的重金屬元素等都是重要的環(huán)境污染源。讓廢氣或廢液通過泡沫陶瓷體，其中的有害物質(zhì)顆粒物就會被攔截或者吸附在泡沫結(jié)構(gòu)中，而凈化后的氣體或液體就可以排放到自然界中了。[6]

泡沫陶瓷的一個(gè)典型應(yīng)用就是柴油機(jī)尾氣過濾、熱電廠和工業(yè)鍋爐的煙塵過濾。利用泡沫陶瓷具備高孔隙度且擁有相當(dāng)大的熱交換面積及具有優(yōu)良的熱輻射特性不僅可以有效除去高溫含塵氣體，還可節(jié)約能源。再如利用泡沫陶瓷替代目前國內(nèi)水處理行業(yè)使用的石英砂過濾材料后，可大幅提高水處理效率，減少環(huán)境污染，降低水處理成本。除臭用泡沫陶瓷催化器能使廢水中有機(jī)溶劑、惡臭氣體催化燃燒，達(dá)到除臭凈化的目的；城市污水處理過程中，泡沫陶瓷材料也成為曝氣處理所用材料。泡沫陶瓷扮演著“環(huán)境凈化使者”的角色。

3.2 隔熱功能泡沫陶瓷的較高的氣孔率和較低的基體導(dǎo)熱系數(shù)，使其具有熱傳導(dǎo)率低、抗熱震性能優(yōu)良等特性，因而具有很好的隔熱保溫效果。利用這種優(yōu)點(diǎn)可以將其用于各種防止熱輻射的場合，以及用于保溫節(jié)能方面。因此從環(huán)保和節(jié)能兩方面來說都是有利的。使用泡沫陶瓷制備的建筑材料就可以讓房屋具有非常好的保溫隔熱效果，這種先進(jìn)的材料目前在國內(nèi)部分新建的住宅小區(qū)和辦公樓中已經(jīng)得到應(yīng)用。[7]除了日常生活中的應(yīng)用，泡沫陶瓷在航空航天領(lǐng)域也有著重要的應(yīng)用，比如航天器的熱保護(hù)系統(tǒng)就廣泛采用了泡沫陶瓷材料。[8]

3.3 吸聲功能由于泡沫陶瓷具有大量的由表及里的三維互相貫通的網(wǎng)狀小孔結(jié)構(gòu)，當(dāng)聲波傳播到泡沫陶瓷上時(shí)，引起孔隙中的空氣振動(dòng)，并與陶瓷筋絡(luò)發(fā)生摩擦，由于粘滯作用，聲波轉(zhuǎn)換為熱能而消耗，從而達(dá)到吸收噪音的效果。[9]現(xiàn)在已經(jīng)得到應(yīng)用的包括安裝在汽車排氣管中間的泡沫陶瓷，用來減少汽車排氣管的噪音。一些新型建筑材料也廣泛采用泡沫陶瓷作為墻體材料，實(shí)踐證明可以達(dá)到非常好的隔音效果。目前有人正在研究把泡沫陶瓷作為一種降音隔聲屏障用于地鐵、隧道、影院等有較高噪音的地方，效果很好。因此，開展泡沫陶瓷聲屏材料的研究，為開發(fā)聲學(xué)性能良好、重量輕、易于安裝維護(hù)的公路聲屏障吸聲材料具有重要的實(shí)用價(jià)值。

4、展 望

近年來，泡沫陶瓷的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)擴(kuò)展到航空、電子、醫(yī)用及生物化學(xué)等領(lǐng)域?？梢灶A(yù)見，各應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ε菽沾傻男枨罅繉⒉粩鄶U(kuò)大，特別是對高性能泡沫陶瓷的需要將快速增長。隨著改善環(huán)境呼聲的不斷高漲，將會促進(jìn)泡沫陶瓷的飛速發(fā)展，為泡沫陶瓷的應(yīng)用開創(chuàng)更廣闊的空間。高科技泡沫陶瓷在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用展現(xiàn)出其作為一種綠色環(huán)保材料的重要意義和應(yīng)用價(jià)值。如何進(jìn)一步簡化生產(chǎn)工藝、降低成本、提高效益，不斷發(fā)明新的技術(shù)和工藝來制備功能強(qiáng)大、性能優(yōu)異的環(huán)保泡沫陶瓷材料正成為當(dāng)今材料科技工作者積極思考的課題。

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PREPARATIONAND MULTI-FUNCTIONALITIES OF FOAMEDCERAM ICS

Foamed ceramics is an important type of porous materials,which possess new mul ti-functionalities owing to i ts special porous characteristics.Based on the latest l iteratures,the preparation methods are systematical ly summarized and compared in details in this paper.It is pointed out that foamed ceramics show mul ti-functionalities such as excel lent f il tration and separation,acoustic absorption,thermal insulation and so on.

foamed ceramics;preparation;mul ti-functional ities

劉 陽(1977-)，女，2003年畢業(yè)于遼寧師范大學(xué)，獲碩士研究生學(xué)位。現(xiàn)在沈陽建筑大學(xué)材料學(xué)院工作，講師，主要研究方向是物理有機(jī)化