粉煤灰泡沫陶瓷的制備及結(jié)構(gòu)表征

艾凡榮　李其江　呂新雨

摘 要：以粉煤灰為主要原料，添加少量的高嶺土及微量的添加劑為輔料，采用泡沫浸漬法制備粉煤灰泡沫陶瓷。采用X射線(xiàn)衍射、場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡研究了泡沫陶瓷的生成相及其分布，以及泡沫陶瓷的形貌；并對(duì)泡沫陶瓷的孔隙率、抗壓強(qiáng)度等進(jìn)行了表征。結(jié)果顯示，泡沫陶瓷的生成相主要為莫來(lái)石，通過(guò)掃描電鏡觀(guān)察到莫來(lái)石為細(xì)長(zhǎng)的針狀，大量存在于孔隙位置。從泡沫陶瓷孔隙率的測(cè)試結(jié)果可知，隨著粉煤灰含量的升高，泡沫陶瓷的平均孔隙率下降，抗壓強(qiáng)度升高；同一組分試樣，當(dāng)燒結(jié)溫度升高時(shí)，試樣的平均氣孔率下降，抗壓強(qiáng)度升高到一定值后會(huì)下降。

關(guān)鍵詞：粉煤灰；泡沫陶瓷；莫來(lái)石；氣孔率；抗壓強(qiáng)度

1 引言

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，粉煤灰的產(chǎn)量持續(xù)增長(zhǎng)，已成為我國(guó)主要的固體廢物之一，對(duì)環(huán)境和人類(lèi)健康造成了較大的危害，因此粉煤灰的回收再利用具有重要的意義。然而，據(jù)媒體報(bào)道，中國(guó)粉煤灰的實(shí)際回收利用率不到30%。因此，目前急需拓展粉煤灰綜合利用的應(yīng)用領(lǐng)域，以提高粉煤灰的利用率[1-3]。

過(guò)去幾十年，粉煤灰主要應(yīng)用于混凝土、水泥、造紙、燒結(jié)磚、陶瓷等領(lǐng)域[4-6]。尤其是陶瓷領(lǐng)域由于粉煤灰的成分與粘土成分接近，因此將粉煤灰應(yīng)用于陶瓷領(lǐng)域的研究備受關(guān)注。王進(jìn)等研究了以粉煤灰作為原料之一的水合陶瓷，并獲得了微觀(guān)結(jié)構(gòu)密實(shí)、結(jié)晶度高的陶瓷相[7]。Dong[8]等開(kāi)展了以粉煤灰為主要原料生產(chǎn)莫來(lái)石陶瓷，簡(jiǎn)化了莫來(lái)石陶瓷的制備工藝，并降低了莫來(lái)石陶瓷的制備成本，同時(shí)也提高了粉煤灰的附加值。隨后他們又以粉煤灰為主要原料制備了孔徑大小為3.6～6.4μm的堇青石基多孔陶瓷膜[9]。Yang[10]等以粉煤灰為主要原料開(kāi)展了低熔點(diǎn)玻璃陶瓷的研究，制備的玻璃陶瓷的主晶相為透輝石，且其晶粒比較細(xì)小僅為100～200nm。近年來(lái)，利用粉煤灰的強(qiáng)度高、耐磨性好等優(yōu)點(diǎn)，粉煤灰顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的研究引起了研究者們的廣泛興趣[11-12]。研究已證實(shí)，粉煤灰顆粒的加入可提高鋁基金屬合金的耐磨性能，但粉煤灰的加入量有限，且隨著粉煤灰加入量的增加，會(huì)引起粉煤灰在金屬基體材料內(nèi)團(tuán)聚，影響材料的性能。針對(duì)此情況，本研究提出先將粉煤灰制備成泡沫陶瓷，再將其與金屬材料復(fù)合制備成雙連續(xù)相的復(fù)合材料，以避免粉煤灰加入量過(guò)多而引起分布不均勻的問(wèn)題。

泡沫陶瓷是一種孔隙率高達(dá)70%～90%，孔徑均勻，并且各個(gè)氣孔在三維空間互相連通的多孔陶瓷材料。泡沫陶瓷具有化學(xué)穩(wěn)定性好、強(qiáng)度較好、質(zhì)量小及特有的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已被廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域[13-14]。雖然，粉煤灰應(yīng)用于陶瓷領(lǐng)域已做了大量的研究，但是將粉煤灰應(yīng)用于泡沫陶瓷尤其是高摻量粉煤灰泡沫陶瓷的研究在國(guó)內(nèi)、外還比較少見(jiàn)。

本文以粉煤灰為主要原料并添加一定量的高嶺土和微量添加劑，采用泡沫浸漬法制備粉煤灰泡沫陶瓷，主要研究了粉煤灰泡沫陶瓷制備及泡沫陶瓷的的氣孔率和抗壓強(qiáng)度變化的原因，為雙連續(xù)相粉煤灰鋁合金復(fù)合材料的制備進(jìn)行前期研究。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1樣品制備

采用泡沫浸漬法制備粉煤灰泡沫陶瓷。以70～100%的粉煤灰及0～30%的高嶺土為陶瓷粉料，制備固含量為45vol%的泡沫陶瓷漿料，并加入適量添加劑，研磨2h。將經(jīng)過(guò)堿液和PVA表面活性處理的泡沫載體浸入漿料，充分浸漬后擠出多余漿料，得到泡沫陶瓷素坯。將素坯在空氣中表面平整的木板上干燥6h，然后在干燥箱中100℃下干燥24h，最后進(jìn)行燒結(jié)。試樣的燒結(jié)工藝為：100～180℃升溫速度為10℃/min，180～550℃升溫速度為1～1.5℃/min，550℃～設(shè)定溫度升溫速度為5～8℃/min，并在設(shè)定溫度下保溫2h，然后隨爐冷卻至室溫。泡沫陶瓷燒結(jié)的設(shè)定溫度為：1000℃、1050℃、1100℃、1150℃、1200℃、1260℃。

2.2樣品表征

采用射線(xiàn)衍射（XRD）分析粉煤灰、泡沫陶瓷的漿料、及泡沫陶瓷樣品的物相組成。用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（FESEM）研究粉煤灰泡沫陶瓷的結(jié)構(gòu)形貌和試樣的微觀(guān)結(jié)構(gòu)。

運(yùn)用阿基米德原理測(cè)量泡沫陶瓷試樣的顯氣孔率和真密度，該實(shí)驗(yàn)中每個(gè)參數(shù)的試樣取5個(gè)，分別測(cè)量然后取其平均值。

3 結(jié)果與討論

3.1泡沫陶瓷的晶相分析

圖1為泡沫陶瓷漿料、粉煤灰及泡沫陶瓷試樣的XRD衍射譜。由圖1（a）知，粉煤灰主要組成為玻璃相，并含有少量的鈣長(zhǎng)石、莫來(lái)石晶相，這與許多文獻(xiàn)報(bào)道的一致；由圖1（b）知，加入高嶺土后，漿料中出現(xiàn)明顯的石英和氧化硅衍射峰；由圖1（c）知，燒結(jié)后泡沫陶瓷樣品以莫來(lái)石為主要晶相，漿料中的石英、氧化硅、鈣長(zhǎng)石相消失，主要是由于鈣長(zhǎng)石作為助溶劑與漿料中的其它組分形成低共融體，石英與氧化硅可能融入液相最終形成玻璃相，也可能發(fā)生高溫反應(yīng)形成莫來(lái)石。燒結(jié)后樣品的莫來(lái)石相主要來(lái)源于三方面：首先，隨著溫度升高，粉煤灰中的鋁硅酸鹽玻璃的液相中析出的莫來(lái)石[9，12]；其次，漿料中引入的高嶺土，在高于1100℃時(shí)生成的莫來(lái)石；再次，由于粉煤灰中堿金屬和堿土氧化物的存在降低了氧化硅和氧化鋁的反應(yīng)溫度，高溫粉煤灰液相中的氧化鋁、氧化硅，粉煤灰中鈣長(zhǎng)石分解產(chǎn)生的氧化鋁、氧化硅，及高嶺土中氧化硅、氧化鋁在高溫下反應(yīng)生成了莫來(lái)石。

3.2泡沫陶瓷的形貌分析

圖2為所制備的粉煤灰泡沫陶瓷的SEM圖，由圖可知，泡沫陶瓷的孔隙率較高，孔筋粗細(xì)均勻，泡沫陶瓷呈三維互相連通的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，保持了有機(jī)前趨體的形貌，因此可以通過(guò)選用不同的有機(jī)前趨體對(duì)粉煤灰泡沫陶瓷的氣孔率，孔徑大小以及外形結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控。

由圖3可知，泡沫陶瓷樣品中莫來(lái)石主要存在于孔隙中，如圖所示，在孔筋的小氣孔中生成大量細(xì)長(zhǎng)的針狀莫來(lái)石，在泡沫陶瓷氣孔中呈互相交錯(cuò)分布，一定程度上填充了燒結(jié)過(guò)程中產(chǎn)生的氣相，提高了泡沫陶瓷的力學(xué)性能。針狀莫來(lái)石主要存在于氣孔中，主要由于孔隙內(nèi)的空間有利于莫來(lái)石優(yōu)先生長(zhǎng)，其生長(zhǎng)所受的阻力較小，所以莫來(lái)石幾乎在沒(méi)有任何阻力的方向自由生長(zhǎng)為細(xì)長(zhǎng)的針狀。在泡沫陶瓷孔筋內(nèi)部，由于莫來(lái)石晶體在優(yōu)先生長(zhǎng)方向阻力較大，所以所生成的莫來(lái)石較小，且形態(tài)較為粗短。因莫來(lái)石具有較高的硬度和結(jié)合強(qiáng)度，有利于提高泡沫陶瓷孔筋的強(qiáng)度，從而提高泡沫陶瓷自身的強(qiáng)度。同時(shí)，莫來(lái)石還有抗蠕變性和化學(xué)穩(wěn)定好的優(yōu)點(diǎn)，它的存在可以將泡沫陶瓷應(yīng)用到環(huán)境惡劣的場(chǎng)所。因此，采用高摻量的粉煤灰組分可以制備成本低廉、性能優(yōu)良、孔隙率高且為通孔結(jié)構(gòu)的粉煤灰泡沫陶瓷。

3.3泡沫陶瓷氣孔率影響分析

圖4（a）為隨漿料組分的不同，試樣平均氣孔率的變化。由圖4（a）知，隨粉煤灰含量的增加，試樣的平均氣孔率降低。這主要由于粉煤灰含量的增加，試樣燒結(jié)時(shí)會(huì)產(chǎn)生更多的低粘度液相，有利于陶瓷體致密化進(jìn)程的加快。另外，由圖可知，粉煤灰含量過(guò)高（100%）或過(guò)低（70%）時(shí)都可能會(huì)帶來(lái)不利的結(jié)果。當(dāng)粉煤灰含量為70%時(shí)，試樣的氣孔率較高，氣孔率接近90%。但由于粉煤灰含量少時(shí)，試樣中的玻璃相含量降低，燒結(jié)時(shí)低粘度的高溫液態(tài)玻璃相降低，不利于試樣中陶瓷顆粒的遷移和顆粒間間隙的填充，試樣的致密化程度較低。因此，當(dāng)粉煤灰含量為70%時(shí)，要獲得強(qiáng)度較高的試樣，可能需要更高的燒結(jié)溫度，這將浪費(fèi)更多的能源，且不利于充分利用粉煤灰資源。當(dāng)粉煤灰的含量為100%時(shí)，氣孔率迅速下降，試樣由于其玻璃相含量過(guò)高，孔筋可能會(huì)發(fā)生軟化變形，使泡沫陶瓷孔徑形狀、尺寸及試樣的外形尺寸很難控制。

由圖4（b）知，隨燒結(jié)溫度的升高，試樣的氣孔率首先升高，然后呈持續(xù)下降趨勢(shì)。圖4（b）中，1100～1150℃升溫階段，兩個(gè)試樣的氣孔率均增加。此階段氣孔率增加的原因可能是，由于漿料中加入高嶺土?xí)r引入的石英和氧化硅相在此升溫階段發(fā)生相變，使泡沫陶瓷的孔隙率增加，有關(guān)具體原因還需要進(jìn)一步的研究。在1150～1260℃之間，泡沫陶瓷試樣的孔隙率下降。泡沫陶瓷孔隙率的下降，主要是由于隨溫度升高，試樣中液相的含量增多，有利于陶瓷顆粒的遷移，增加顆粒排列的致密性。同時(shí)，溫度升高，試樣中液態(tài)玻璃相的粘度減低，融入玻璃相中的組元，其擴(kuò)散速度增加，有助于莫來(lái)石晶相的析出。

4 結(jié) 論

通過(guò)泡沫浸漬法可制備出孔隙率較高，其空隙間相互連通，孔筋粗細(xì)均勻的泡沫陶瓷。所得泡沫陶瓷的主晶相為莫來(lái)石相，莫來(lái)石相為短板條狀和細(xì)長(zhǎng)針狀，板條莫來(lái)石在泡沫陶瓷骨架中互相交織在一起，針狀莫來(lái)石主要分布在氣孔中，提高了泡沫陶瓷的致密度和強(qiáng)度。通過(guò)研究泡沫陶瓷的性能發(fā)現(xiàn)，隨著粉煤灰含量的升高，泡沫陶瓷的平均孔隙率下降，抗壓強(qiáng)度升高；同一組分試樣，當(dāng)燒結(jié)溫度升高時(shí)，試樣的平均氣孔率下降，抗壓強(qiáng)度升高到一定值后會(huì)下降。

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