粉煤灰泡沫陶瓷漿料的穩(wěn)定機(jī)制*

呂新雨 閆 洪 艾凡榮

(南昌大學(xué)材料加工工程系 南昌 330029)

粉煤灰泡沫陶瓷漿料的穩(wěn)定機(jī)制*

呂新雨 閆 洪 艾凡榮

(南昌大學(xué)材料加工工程系 南昌 330029)

通過不同組分漿料的沉降實(shí)驗(yàn)，研究了固含量、分散劑(淀粉、硅酸鈉、檸檬酸三銨)對漿料穩(wěn)定性能的影響。實(shí)驗(yàn)過程中測量了1#～12#漿料渾濁液和上清液的高度，進(jìn)而得到漿料的相對沉降高度(RSH)值。通過測量10#、13#、14#漿料在沉降過程中上清液高度的變化，研究了13#、14#漿料的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，在含硅酸鈉的懸浮漿料中，隨著漿料中固含量的增加，淀粉作為分散劑對漿料的穩(wěn)定性能的影響減小;在不含硅酸鈉的漿料中，這一規(guī)律只在3#～6#的漿料中出現(xiàn);淀粉、檸檬酸三銨作分散劑可顯著提高漿料的穩(wěn)定性。硅酸鈉對漿料的分散效果較差，保證素坯在低溫強(qiáng)度的狀態(tài)下，應(yīng)盡量減少硅酸鈉的用量。

沉降實(shí)驗(yàn) 分散劑 漿料穩(wěn)定性能

前言

據(jù)綠色和平2010年的調(diào)查報(bào)告顯示［1］，2009年中國的粉煤灰產(chǎn)量達(dá)到3.75億t，相當(dāng)于城市生活垃圾的2倍多;其體積達(dá)到4.24億m3，相當(dāng)于每2min填滿一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)游泳池，每天填滿一個(gè)水立方。如此大量的的固體廢棄物的堆積不僅占用大量的空間，而且還污染環(huán)境，對人類的身體健康構(gòu)成威脅。目前，我國的粉煤灰的利用率還很低，因此研究粉煤灰的綜合利用技術(shù)顯得極為迫切。由于我國粉煤灰產(chǎn)量巨大，它的成本很低，其組成成分與粘土的組成成分接近，稍加調(diào)整就可將粉煤灰應(yīng)用于陶瓷領(lǐng)域。泡沫陶瓷作為近年來發(fā)展較快的新型材料，因其具有三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，密度小，比表面積大，孔徑可控且分布均勻等特點(diǎn)，可應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。粉煤灰泡沫陶瓷的制備方法有很多種，其中泡沫浸漬法對設(shè)備的的要求較低，易于實(shí)現(xiàn)，使用該方法研究便于新技術(shù)的推廣。使用泡沫浸漬法時(shí)，最大的難點(diǎn)是漿料的制備。筆者對漿料中的固含量、分散劑兩大重要的變量進(jìn)行了研究，希望獲得粘度低、分散性能好、穩(wěn)定性能好、固含量高的漿料［2］。對濃度較低的懸浮液，用相對沉降高度(Relative Sedimentation Height，RSH)值［3］表示分散劑對粉體的分散效果，當(dāng)固含量相同時(shí)，較小的RSH值表明沉降速度較快，其穩(wěn)定性較差;反之亦然。RSH是指渾濁懸浮體高度(指上清液與渾濁懸浮層的分界線，包括穩(wěn)定漿料和沉降層)與懸浮體總高度之比。筆者通過漿料的RSH值和上清液的高度來研究漿料的穩(wěn)定性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)用材料

實(shí)驗(yàn)所采用的粉煤灰為云南微珠商貿(mào)有限公司提供的亞微米級實(shí)心微珠;硅酸鈉、可溶性淀粉、檸檬酸三銨為化學(xué)分析純。粉煤灰的化學(xué)成分組成如表1所示。

表1 粉煤灰的化學(xué)成分組成(質(zhì)量/%)Tab.1 Chemical composition of fly ash(%)

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

首先按照表2中的組分要求，配制含有規(guī)定量的硅酸鈉、淀粉水溶液，最后將20 g粉煤灰倒入溶液中攪拌均勻，然后將配置好的漿料倒入做好標(biāo)記的試管，將其垂直放置在試管架上靜置48 h，測量出沉降面上下兩部分的高度，計(jì)算出相對沉降高度RSH值，并測量10#、12#、13#漿料在不同時(shí)間的上清液高度，以此衡量漿料的沉降速度。所用固含量的計(jì)算公式為：

式中：SL——固含量;

Vs——漿料中固體顆粒的體積，在此主要包括陶瓷粉體體積和淀粉的體積;

VL——水的體積。

表2 各漿料的組分Tab.2 Composition of each slurry

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 固含量對漿料穩(wěn)定性能的影響

將1#～12#漿料沉降24 h以后，分別測量各漿料的上清液與渾濁液高度，將測量的結(jié)果計(jì)算后得到各漿料的相對沉降高度，并計(jì)算出固含量相同的相鄰編號漿料相對沉降高度的偏差，如圖1所示。

圖1 固含量相同的兩個(gè)相鄰編號料漿的相對沉降高度的變化Fig.1 RSH variation between near No slurry

圖1 中橫坐標(biāo)1的柱形圖表示1#、2#漿料的RSH值變化的百分比;橫坐標(biāo)為2的表示3#、4#漿料的RSH值的偏差。以此類推，橫坐標(biāo)為6表示11#、12#漿料的RSH值偏差。由圖1中柱形圖的高度可知，隨著固含量的增加，在含有硅酸鈉的漿料中淀粉對漿料穩(wěn)定性能的影響減小。這是由于隨著固含量的增加，粉煤灰顆粒在懸浮液中所占的體積分?jǐn)?shù)增大，對應(yīng)漿料的粉煤灰濃度也增大，而在沉降實(shí)驗(yàn)各漿料中所用淀粉的質(zhì)量一致，與增加的粉煤灰濃度相比，相當(dāng)于降低單位體積粉料中分散劑的濃度。在固含量增加的同時(shí)，漿料的粘度也增加，漿料中分散劑微粒的布朗運(yùn)動(dòng)速度降低，不利于分散劑充分吸附在粉煤灰顆粒表面形成穩(wěn)定的雙電層結(jié)構(gòu)，漿料中顆粒間的距離減小，不利于團(tuán)聚顆粒與水(分散劑)的結(jié)合，所以固含量高的漿料加入的分散劑不足，效果不明顯。因此，在固相含量相對較高的 5#，6#，11#，12#漿料，分散劑的量加入不能太少，否則分散效果不明顯。應(yīng)當(dāng)特別指出的是，以硅酸鈉、淀粉作為分散劑時(shí)，加入量過多會增加漿料的粘度?？紤]到重力對漿料穩(wěn)定性能的影響，加入分散劑的同時(shí)并延長漿料的研磨時(shí)間會對漿料穩(wěn)定性能起到重大作用。

圖2 漿料上清液高度與時(shí)間的變化關(guān)系Fig.2 Slurry supernatant height variation with time

2.2 分散劑對漿料穩(wěn)定性能的影響

通常在懸浮體系中加入一定量的分散劑，可使分散體系更加穩(wěn)定［4］。

2.2.1 硅酸鈉對漿料穩(wěn)定性能的影響

將1#～6#未加硅酸鈉的漿料與7#～12#漿料進(jìn)行對比(如圖2所示)發(fā)現(xiàn)，加入硅酸鈉后漿料的穩(wěn)定性能降低。在圖3中主要表現(xiàn)為，未加硅酸鈉的1#～6#漿料的相對沉降高度值明顯高于7#～12#對應(yīng)的漿料。這主要是由于加入硅酸鈉用于配制漿料的水溶液的粘度增加，在粉煤灰顆粒未加入前不可避免地存在顆粒團(tuán)聚，這些團(tuán)聚的顆粒群在粘度較大的硅酸鈉水溶液中很難充分分散開。未分散開的顆粒團(tuán)聚體由于質(zhì)量較大，很快就沉降到漿料的底部，并呈疏松的堆積，漿料下層沉積體積增加，RSH 值減小［5］。

2.2.2 淀粉對漿料穩(wěn)定性能的影響

由圖3可知，當(dāng)?shù)矸蹫闈{料單一變量時(shí)，加入淀粉的漿料與未加淀粉的漿料進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，加入淀粉后漿料的相對沉降高度RSH值明顯增大。淀粉作為分散劑其分散機(jī)制為空間位阻機(jī)制，固體顆粒被分散劑吸附后，當(dāng)彼此靠近時(shí)就會產(chǎn)生排斥能［6］。顆粒表面吸附淀粉微粒后，其穩(wěn)定機(jī)理和靜電穩(wěn)定機(jī)制大不相同。這種情況下穩(wěn)定的主要原因是淀粉膠粒吸附層，已不再是雙電層的靜電斥力。吸附的淀粉膠粒層將會對顆粒的穩(wěn)定產(chǎn)生3 種影響［7］：

1)吸引帶電膠粒后，顆粒之間的靜電斥力Vr增大。

2)由于淀粉膠粒進(jìn)入粉煤灰顆粒之間，這在一定程度上降低了顆粒間的引力勢能Va。

3)粉煤灰顆粒吸附膠粒后還可能產(chǎn)生一種新的斥力勢能Vs。系統(tǒng)的總的勢能V應(yīng)為：V=Va+Vr+Vs，因而勢壘增加，使顆粒體系的穩(wěn)定性能增加。

2.2.3 檸檬酸三銨對漿料穩(wěn)定性能的影響

檸檬酸及其銨鹽水溶液極易離解出三價(jià)離子，且容易被氧化物顆粒表面吸附，是一種合適的漿料分散劑。檸檬酸銨鹽已用于Al2O3的分散。筆者用檸檬酸三銨對粉煤灰漿料分散，在10#漿料中加入2.5%、5.0%左右的檸檬酸三銨(即為表2中的13#，14#漿料)與10#漿料的穩(wěn)定性進(jìn)行對比。實(shí)驗(yàn)過程中測量了不同時(shí)間段漿料的上清液高度，如圖2所示。

圖3 1#～12#漿料的相對沉降高度Fig.3 No.1 ～12 slurry RSH

由圖 3 可知，13#，10#，14#漿料的沉降速度依次增加，相應(yīng)的漿料的穩(wěn)定性依次降低。由此可知，13#漿料的穩(wěn)定性能最好，14#漿料的穩(wěn)定性能最差。13#漿料與10#漿料對比分散性提高可能是由于加入了分散劑，但再與14#對比發(fā)現(xiàn)，14#漿料加入的分散劑最多穩(wěn)定性能卻最差，不難推斷檸檬酸三銨作為粉煤灰顆粒的分散劑存在一個(gè)最佳的加入量。

由文獻(xiàn)［8～9］可知，加入檸檬酸三銨分散劑后，分散劑電解出的離子增大了液體中的離子濃度，離子吸附在粉煤灰顆粒的表面，使顆粒表面的雙電層厚度增加，靜電穩(wěn)定機(jī)制與空間位阻機(jī)制共同作用，加大顆粒之間的斥力，從而使吸附了分散劑的顆粒體系更加穩(wěn)定。當(dāng)分散劑加入量過多時(shí)，漿料中離子的濃度增加，有更多與固體表面離子符號相反的離子進(jìn)入溶劑化層，同時(shí)雙電層的厚度變薄，漿料的穩(wěn)定性能變差，因而沉降速度較快。

根據(jù)DLVO理論，加入無機(jī)電解質(zhì)檸檬酸三銨后，粉煤灰顆粒表面將吸附無機(jī)電解質(zhì)顆粒，從而使顆粒表面的電位絕對值顯著提高;又由下式可知，電位絕對值的增加將產(chǎn)生強(qiáng)大的雙電層靜電排斥作用［10］，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)體系的穩(wěn)定。而且無機(jī)電解質(zhì)的加入也能增強(qiáng)顆粒表面對水的潤濕程度。

式中：K——常數(shù);

e——介質(zhì)的介電常數(shù);

j0——顆粒表面的電勢;

k——德拜常數(shù);

H0——兩球形顆粒表面間的最小距離;

r——顆粒半徑。

3 結(jié)論

筆者研究了不同組分漿料的穩(wěn)定性，并分析了各分散劑的分散機(jī)制。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知：

1)在含硅酸鈉的懸浮漿料中，隨著漿料中固含量的增加，淀粉作為分散劑對其影響減小。在不含硅酸鈉的漿料中，這一規(guī)律只在3#～6#的漿料中出現(xiàn)。

2)淀粉作為粉煤灰分散劑，分散效果較明顯，分散機(jī)制以空間位阻機(jī)制為主。

3)硅酸鈉作為粉煤灰的分散劑，效果不明顯，漿料的穩(wěn)定性能略有下降。為保證素坯在低溫成形，應(yīng)盡量降低硅酸鈉的使用量。

4)加入適量的檸檬酸三銨可顯著降低漿料的沉降速度，提高其分散性，穩(wěn)定機(jī)制以靜電穩(wěn)定機(jī)制為主。

1 楊愛倫，江雍年，趙星敏，等.2010煤炭的真實(shí)成本粉煤灰調(diào)查報(bào)告.綠色和平，2010

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3 周峰.氧化鋁/莫來石復(fù)合泡沫陶瓷的制備研究：［碩士學(xué)位論文］.長沙：中南大學(xué)，2009

4 蓋國勝.分體工程.北京：清華大學(xué)出版社，2009

5 胡云香，周東祥，龔樹平，等.用檸檬酸三銨分散和穩(wěn)定BaTiO3水漿料.電子元器件與材料，2000，19(6)，12 ～16

6 李玉嬌.硅酸鈉水溶液特性研究.鉆采工藝，2007，30(4)：116～118

7 李寧.分散劑對剛玉質(zhì)澆注料基質(zhì)漿體流變性能的影響：［碩士學(xué)位論文］.武漢：武漢科技大學(xué)，2009

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10 傅獻(xiàn)彩，沈文霞，姚天揚(yáng)，等.物理化學(xué).北京：高等教育出版社，2007

Stable M echanism on Fly Ash Ceram ic Foam Slurry

Lv Xinyu，Yan Hong，Ai Fanrong(Department of Materials Processing Engineering，Nanchang University，Nanchang，330029)

Influence of solids loading，dispersants(include starch，sodium silicate)on stability of slurries were investigated by sedimentation experiments.In the experiments，height of turbid solution and supernatant in slurry(No.1 ～ 12)was measured.Then RSH were obtained through analyzing experiment data.Stability on No.13，14 slurry was investigated by observing variation of supernatant in No.10，13，14 slurry.The experiment results show，with the increase of solid loading，influence of starch on stability decreases in slurry which contains sodium silicate.In slurry existed no sodium silicate，this rule shows only in slurry No.3 ～6;starch，triammonium citrate as dispersant，stability increase remarkably;sodium silicate plays a negative role in dispersing solid particulate.Therefore，containmentof sodium silicate should be lowed on condition that enough strength of bisque at low teperature.

Sedimentation experiments;Dispersant;Stability of slurries

TQ174.6

A

1002－2872(2011)11－0009－03

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：51165032);江西省高等學(xué)?？萍紕?chuàng)新團(tuán)隊(duì)資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：00008713);江西省教育廳資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：GJJ11269)。

呂新雨(1984－)，碩士研究生;主要從事多孔陶瓷及基復(fù)合材料的相關(guān)研究。E－mail：lvxinyuabc@163.com