復(fù)合黏結(jié)劑和助燒劑對SiC基泡沫陶瓷性能的影響

任鳳章，翟鋼軍，李鋒軍，馬戰(zhàn)紅，李 娜

(1.河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南洛陽471003;2.中鋼集團耐火材料有限公司，河南洛陽471039;3.中國一拖集團有限責(zé)任公司，河南洛陽471004)

0 前言

泡沫陶瓷是一種造型上像泡沫狀的多孔陶瓷，它是繼普通多孔陶瓷、蜂窩多孔陶瓷之后，發(fā)展起來的第3代多孔陶瓷產(chǎn)品［1－5］。影響泡沫陶瓷性能的因素很多，如有機泡沫表面掛漿量、漿料添加劑以及燒結(jié)工藝等。文獻［6－8］分別通過不同的有機表面活化劑活化有機泡沫表面，來改善有機泡沫和無機陶瓷料漿之間的潤濕性以提高掛漿量;文獻［9］從原料及有機泡沫的處理等方面介紹了影響泡沫陶瓷性能的因素。對泡沫陶瓷制備中復(fù)合黏結(jié)劑和懸浮劑的研究較少。

本文主要研究復(fù)合黏結(jié)劑的選擇、助燒劑α-Al2O3以及懸浮劑黏土的不同加入量對泡沫陶瓷室溫抗壓強度和抗熱震性的影響。

1 試驗材料及方法

1.1 主要試驗材料

聚氨酯泡沫:德國進口，每一寸孔數(shù)(ppi)為6;SiC微粉:純度大于95%，320目;硅溶膠:SiO2質(zhì)量分數(shù)為50%;糊精:200目;CMC(絮狀):化學(xué)純，天津博迪化工有限公司;PVA:化學(xué)純，湖南湘中地質(zhì)實驗研究所;α-Al2O3:純度大于97%，320目;軟質(zhì)黏土:200目，武鋼焦作黏土礦綜合廠。

1.2 泡沫陶瓷制備

有機泡沫用一定濃度聚醚酰亞胺(PEI)溶液表面活化，浸漿，自然風(fēng)干24 h，110℃干燥24 h，然后在1400℃下燒結(jié)。

(1)選用不同的復(fù)合黏結(jié)劑:硅溶膠―糊精、硅溶膠―羧甲基纖維素納(CMC)和硅溶膠―聚乙烯醇(PVA)，硅溶膠與有機物質(zhì)量比均為2∶1，復(fù)合黏結(jié)劑在料漿中加入量相同。比較其掛漿效果，然后測試泡沫陶瓷的性能。

(3)在料漿中分別加入0%、2.0%、3.5%、5.0%、6.5%(均以SiC質(zhì)量為基準)的黏土，測試對比燒結(jié)后的性能。

1.3 性能測試

泡沫陶瓷過濾器的試樣尺寸為50 mm×50 mm×20 mm。用島津(Shimadzu)AG-I250KN型精密萬能試驗機測試其室溫抗壓強度?？篃嵴鹦允菢悠吩?100℃(保溫15 min)加熱自來水中急冷，如此反復(fù)，直至樣品表面出現(xiàn)宏觀裂紋或質(zhì)量損失超過20%的循環(huán)次數(shù)。用JSM-5610LV型掃描電鏡觀察其斷口形貌和Philips X'pert MPD pro型X射線衍射儀進行物相組成研究。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 復(fù)合黏結(jié)劑對SiC基泡沫陶瓷的影響

復(fù)合黏結(jié)劑中有機物(糊精、PVA和CMC)作為低溫黏結(jié)劑，硅溶膠作為中高溫黏結(jié)劑。復(fù)合黏結(jié)劑對泡沫陶瓷性能的影響如表1所示。

從表1可以看出:當(dāng)硅溶膠與糊精、PVA、CMC質(zhì)量比均為2∶1時，硅溶膠-糊精和硅溶膠-PVA對泡沫陶瓷掛漿和性能的影響差別不大，而硅溶膠-CMC的掛漿效果則較差。掛漿效果的差別決定了容重、室溫抗壓強度和抗熱震性的差別。硅溶膠-糊精作為復(fù)合黏結(jié)劑時的容重、室溫抗壓強度和抗熱震性均略好于硅溶膠-PVA 和硅溶膠-CMC，而硅溶膠-CMC的各方面性能比其他兩組要差得很多。硅溶膠中的SiO2呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，結(jié)合力較強，失水后的硅溶膠有很高的活性，有利于陶瓷的燒結(jié)，可以保證泡沫陶瓷高溫強度和抗熱震性。

表1 復(fù)合黏結(jié)劑對泡沫陶瓷性能的影響

糊精、PVA、CMC均為有機物，都具有較大的黏結(jié)性，可以與有機泡沫具有較好的潤濕性，在燒結(jié)過程中隨泡沫一起揮發(fā)，不留下污染。試驗所用糊精是黃色的無定形粉末，易溶于熱水，稍溶于冷水，為使其形成均勻的料漿，將其配成濃度50%(質(zhì)量分數(shù)，下同)的溶液加入;而PVA為絮狀固體，需要加熱才能完全溶解于水，并且濃度為8%的溶液黏度最穩(wěn)定，因此糊精配成8%的水溶液加入;CMC也為絮狀固體，雖然在攪拌過程中可以溶于冷水，但是4%的CMC溶液由于黏度過大而幾乎不具有流動性，因此將其配成濃度為2%的水溶液加入。

掛漿初期，3種復(fù)合黏結(jié)劑掛漿效果沒有太大差別，這是由于初期3種復(fù)合黏結(jié)劑配置的料漿中均有一定的水分;但是自然風(fēng)干之后發(fā)現(xiàn)硅溶膠-糊精與硅溶膠-PVA的掛漿效果遠好于硅溶膠-CMC。這是由于相同濃度的CMC水溶液的黏度要遠大于糊精和PVA，為了保持料漿的流動性，在配置料漿時以硅溶膠―CMC作為復(fù)合黏結(jié)劑的加水量要遠多于糊精和PVA。其中的固相含量過少，當(dāng)水分蒸發(fā)后留在泡沫孔筋上的陶瓷料漿也遠少于另外兩組。因此，硅溶膠―CMC作為復(fù)合黏結(jié)劑制備的泡沫陶瓷的容重就遠遠小于另外兩組。

2.2 α-Al2 O3對SiC基泡沫陶瓷的影響

碳化硅基泡沫陶瓷是比較常用的泡沫陶瓷制品，但是碳化硅很難燒結(jié)，其晶界能與表面能之比很高，不能獲得足夠的能量形成晶界而燒結(jié)成塊體，導(dǎo)致其致密度也不高，因此，需要加入一定的助燒劑來提高其致密度。α-Al2O3具有良好的助燒效果，它的加入可以改善泡沫陶瓷的性能，α-Al2O3加入量對泡沫陶瓷室溫抗壓強度和抗熱震性的影響如表2所示。

表2 α-Al2 O3質(zhì)量分數(shù)對室溫抗壓強度和抗熱震性的影響

從表2中可以看出:泡沫陶瓷的室溫抗壓強度和抗熱震性并不是隨著α-Al2O3加入量的增加而一直增加，而是呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。當(dāng)w(α-Al2O3)=13.0%時，室溫抗壓強度最高，為1.31 MPa;w(α-Al2O3)=16.5%時，抗熱震性次數(shù)最高，為23次。

α-Al2O3在燒結(jié)過程中會與SiC發(fā)生反應(yīng)［10］

眾所周知，廁紙粘染物與實際排放物相比微乎其微，可忽略不計，廁紙入廁的主要污染物為紙張與水接觸后產(chǎn)生的可溶物及碎屑，可用COD、SS、氨氮、BOD5等污染指標表示.實驗室模擬廁紙入水后的變化，測定不同品質(zhì)的廁紙溶于水后，在不同時間水體中的COD、SS、氨氮、BOD5的濃度值，計算單位廁紙的污染物量，進而推算家庭以至全國的污染物排放總量.通過計算廁紙進入下水道對污水處理廠的污染物貢獻占比及可生化性評價指標(B/C)值(BOD5/COD)，評價廁紙入水后的可生化性，進而評價其對城市污水處理廠的影響.

生成物還會發(fā)生下列反應(yīng)

圖1是 w(α-Al2O3)為 9.5%和16.5%時的X射線衍射(XRD)圖譜，從圖1中可以看出:w(α-Al2O3)為9.5%時，泡沫陶瓷主要成分為SiC和石英，沒有明顯的莫來石相(由矽線石變成);而w(α-Al2O3)為16.5%時，其主要成分則有明顯的莫來石相。莫來石的生成提高了泡沫陶瓷的室溫抗壓強度和抗熱震性。莫來石則是由反應(yīng)(1)～反應(yīng)(4)所生成。因此，隨著α-Al2O3的加入，室溫抗壓強度和抗熱震性都提高。

圖1 不同α-Al2 O3加入量時的泡沫陶瓷XRD圖譜

隨著α-Al2O3與SiC的反應(yīng)，生成物不僅使泡沫陶瓷在燒結(jié)過程中容易產(chǎn)生液相，提高了致密度，還生成了莫來石。莫來石是一種優(yōu)質(zhì)的耐火材料，它具有膨脹均勻、熱震穩(wěn)定性極好、荷重軟化點高、高溫蠕變值小、硬度大、抗化學(xué)腐蝕性好等特點，因此隨著α-Al2O3的加入，泡沫陶瓷室溫抗壓強度和抗熱震性都有所提高。

表3 不同α-Al2 O3含量時泡沫陶瓷的吸水率

表3是不同α-Al2O3含量時的吸水率，從表3中可以看出:隨著α-Al2O3加入量的增加，制備的泡沫陶瓷的吸水率也增大。加入的α-Al2O3會使反應(yīng)過程中產(chǎn)生一部分CO氣體，這些氣體從坯體中逸出。加入的α-Al2O3越多，泡沫陶瓷產(chǎn)生的氣孔增多，氣孔的存在緩解了泡沫陶瓷在抗熱震性過程中的應(yīng)力，提高其抗熱震性;但是加入過多的α-Al2O3，雖然生成的莫來石增多，但是由于逸出的氣體過多，大大降低了其致密度，導(dǎo)致室溫抗壓強度和抗熱震性也降低。

綜合室溫抗壓強度和抗熱震性兩個指標，α-Al2O3的較佳加入量應(yīng)在16.5%左右。

2.3 黏土對SiC基泡沫陶瓷的影響

表4是黏土含量對室溫抗壓強度和抗熱震性的影響。從表4中可以看出:泡沫陶瓷的室溫抗壓強度和抗熱震性隨著黏土加入量的增加而先增加，后急劇降低。黏土加入量(質(zhì)量分數(shù)，下同)為5.0%時，室溫抗壓強度最高，為1.23 MPa;加入量為3.5%時，抗熱震性次數(shù)最高，為45次。

表4 黏土含量對室溫抗壓強度和抗熱震性的影響

圖2為黏土加入量為2.0%和5.0%時的泡沫陶瓷掃描電鏡(SEM)照片。從圖2a中可以看到有明顯的晶相，而在圖2b中則可以看到明顯的玻璃相。玻璃相是陶瓷坯體中的一部分物質(zhì)高溫下形成熔體，冷卻過程中原子、離子或分子被“凍結(jié)”成非晶態(tài)固體。黏土是由諸多氧化物和其他雜質(zhì)組成的混合物，由于這些氧化物的存在，在燒結(jié)過程中容易形成液相，在冷卻過程中會形成玻璃相。黏土加入量越多，引入的其他氧化物和雜質(zhì)就越多，制品中越容易形成玻璃相。因此，黏土加入量為2.0%的泡沫陶瓷中的玻璃相少于加入量為5.0%的泡沫陶瓷。

圖2 泡沫陶瓷的SEM照片

玻璃相存在于晶粒與晶粒之間，起著膠黏作用。玻璃相的存在使坯體致密度提高，提高其室溫抗壓強度。但是，由于玻璃相是低溫軟化相，導(dǎo)熱系數(shù)較晶相低，在溫度急劇變化時泡沫陶瓷產(chǎn)生的熱應(yīng)力不能得到及時緩解，對泡沫陶瓷的抗熱震性有較大危害［11］。因此，泡沫陶瓷中玻璃相過多會使抗熱震性較差。

綜合室溫抗壓強度和抗熱震性兩個指標，黏土較佳加入量在3.5%左右。

3 結(jié)論

(1)硅溶膠―糊精、硅溶膠―PVA和硅溶膠―CMC均按照質(zhì)量比為2∶1作為復(fù)合黏結(jié)劑時，硅溶膠—CMC的掛漿效果、室溫抗壓強度和抗熱震性最差。

(2)α-Al2O3作為助燒劑加入，在燒結(jié)過程中會形成莫來石，莫來石的形成提高了泡沫陶瓷室溫抗壓強度和抗熱震性，但是過多α-Al2O3的加入，會導(dǎo)致燒結(jié)過程中產(chǎn)生的氣體增多，降低了泡沫陶瓷的致密度。

(3)黏土的加入增加了泡沫陶瓷的致密度，并產(chǎn)生了一定的莫來石，提高了泡沫陶瓷的室溫抗壓強度和抗熱震性，但是加入過多會造成玻璃相增多，導(dǎo)致室溫抗壓強度和抗熱震性能下降。

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