高性能雙層泡沫陶瓷過濾板的制備及應(yīng)用研究

摘 要：本文介紹了一種以氧化鋁為材質(zhì)的雙層泡沫陶瓷過濾板的研制，其具備上層網(wǎng)孔大、下層網(wǎng)孔小的雙層過濾特征。文中詳細(xì)介紹了該雙層氧化鋁泡沫陶瓷過濾板的制備工藝。通過實(shí)驗，對普通泡沫陶瓷過濾板與高性能雙層泡沫陶瓷過濾板的海綿性能、漿料性能、成品性能以及過濾性能分別進(jìn)行了比較分析，從而獲得了較為優(yōu)化的高性能雙層泡沫陶瓷過濾板制備技術(shù)。

關(guān)鍵詞：雙層；氧化鋁；泡沫陶瓷

1 前 言

泡沫陶瓷的發(fā)展始于20世紀(jì)70年代，它是一種具有三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的高孔隙率的多孔陶瓷材料。其孔徑從0.1mm～3mm不等，孔隙范圍在65%～85%之間，使用溫度可以從常溫一直到1600℃[1，2]，其本身材質(zhì)猶如鋼化的泡沫塑料或瓷化的海綿體[3]。

泡沫陶瓷作為第三代過濾器，發(fā)展已有30多年歷史，生產(chǎn)和研發(fā)大多以材質(zhì)上的變化為主，如氧化鋁、碳化硅、氧化鋯、氧化鎂、堇青石等，結(jié)構(gòu)上作出改變則很少。雙層泡沫陶瓷過濾板是在原有產(chǎn)品上實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)層次上的變化，即上層網(wǎng)孔大，下層網(wǎng)孔小。在一塊過濾板上同時擁有2種不同PPI網(wǎng)孔，從而實(shí)現(xiàn)過濾范圍更廣、過濾精度更高的特點(diǎn)。相比于傳統(tǒng)的泡沫陶瓷過濾板，組合雙層泡沫陶瓷具有更加優(yōu)異的理化性能和更加好的過濾效果，能夠很好地簡化澆注系統(tǒng)，在一塊過濾板上達(dá)到兩塊的凈化效果。這對于國內(nèi)許多精密鑄件廠家來說，迎合了他們對澆注鑄造過程中的更高需求[4，5]。

2 實(shí)驗過程

2.1 實(shí)驗原料及配比

實(shí)驗雙層泡沫陶瓷過濾板采用氧化鋁材質(zhì)，調(diào)整配方和工藝參數(shù)后，也同樣適用于碳化硅、氧化鋯等材質(zhì)。實(shí)驗選用無錫鴻泰的4微米級煅燒α-氧化鋁。其它陶瓷原料有白剛玉、高嶺土、長石、硅微粉和滑石粉，各種原料均為微米級細(xì)粉，配方的粘結(jié)劑選用自己配置的磷酸二氫鋁溶液。

2.1.1原料配方

為了充分提高漿料的觸變性和液相均勻性，滿足雙層網(wǎng)孔對漿料的需求，實(shí)驗采用先干混后濕混的工藝[6]。先將各種干粉原料按配比稱量，再將其按順序放入機(jī)械混料機(jī)內(nèi)混合1～2h后出料。將干混好的粉料加入磷酸二氫鋁溶液，攪拌調(diào)成漿料。實(shí)驗采用的原料配方及原料顆粒要求見表1。

2.1.2粘結(jié)劑配方

為了更好地控制實(shí)驗結(jié)果，實(shí)驗采用自行配置磷酸二氫鋁為粘結(jié)劑。即將稱量好的水及磷酸倒入搪瓷盆內(nèi)，加熱至沸騰，再將稱量好的氫氧化鋁倒入，反應(yīng)充分至液體澄清。粘結(jié)劑配方見表2。

2.2 工藝流程

組合雙層泡沫陶瓷過濾板，比較普通的泡沫陶瓷過濾板主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)上的差異，即上層網(wǎng)孔大，下層網(wǎng)孔小。這樣的不同網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)，使其使用功能上具備較為優(yōu)越的性能。為了更好地實(shí)現(xiàn)組合雙層的效果，實(shí)驗采用了斜角疊加工藝，即將不同網(wǎng)孔的海綿以17°的斜角切削，網(wǎng)孔大的底面剛好與網(wǎng)孔小的表面相接，形成一塊斜角為17°的雙層過濾板。實(shí)驗工藝流程如圖1所示[7]。

2.3 性能測試

按照上述配方及工藝制備的組合雙層氧化鋁泡沫陶瓷過濾板樣品，送往國家輕工業(yè)陶瓷耐火材料質(zhì)量監(jiān)督檢測中心檢驗，檢測指標(biāo)有體積密度、通孔率、常溫抗折抗壓強(qiáng)度以及抗熱震性。檢測依據(jù)的國家標(biāo)準(zhǔn)有GB/T4740-1999、GB/T4741-1999和JC/T895-2001等。

3 結(jié)果與討論

3.1 疊加雙層網(wǎng)孔海綿的性能

實(shí)驗選用的泡沫海綿為聚氨酯多孔網(wǎng)狀海綿，海綿為我司自主研發(fā)的專業(yè)用于生產(chǎn)泡沫陶瓷過濾板（專利號：201110311946.6）的產(chǎn)品。該海綿發(fā)泡的原料為甲苯二異氰酸酯、聚醚多元醇、二氯甲烷和辛酸亞錫等。通過調(diào)整聚醚多元醇的含量，控制網(wǎng)孔經(jīng)絡(luò)的粗細(xì)及彈性，從而達(dá)到疊加網(wǎng)孔海綿性能的要求。海綿網(wǎng)孔性能對比見表3。

通過采用斜角疊加，使得上漿后2塊不同網(wǎng)孔海綿能夠完整地結(jié)合。結(jié)合后的泡沫陶瓷過濾板經(jīng)過干燥工序，便能實(shí)現(xiàn)相互粘結(jié)成為一體，再經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)，最后制得雙層泡沫陶瓷過濾板。示意圖如圖2所示。

由表3可知，聚氨酯多孔海綿的密度、通孔率、熔點(diǎn)、彈性以及強(qiáng)度對于不同結(jié)構(gòu)的泡沫陶瓷，要求也不盡相同。對用于雙層泡沫陶瓷過濾板結(jié)構(gòu)的聚氨酯海綿，其各項性能都要比單層的高。因為要符合特殊的疊加工藝要求，所以雙層泡沫陶瓷對海綿的要求更為苛刻。

3.2 配料后氧化鋁陶瓷的漿料性能

實(shí)驗制備的是氧化鋁材質(zhì)的雙層泡沫陶瓷過濾板。對于氧化鋁陶瓷漿料，應(yīng)具有很好的觸變性和粘結(jié)性。因為它需要同時滿足大網(wǎng)孔海綿的上漿要求，又要滿足小網(wǎng)孔海綿的上漿要求。對相同配方，采用濕混、干混和濕混結(jié)合兩種不同制漿工藝，得到的漿料性能及上漿的效果不一樣。不同工藝下漿料及上漿效果的對比見表4。

從表4中可以看出，相同配方，不同制漿工藝，漿料的密度、含水率等指標(biāo)不一樣，對漿料上漿后的影響也不一樣。選擇干混和濕混制漿工藝，可以獲得密度為2.5g/cm3、含水率為16.8%和良好觸變性的漿料，并獲得較佳的上漿效果。

3.3 燒結(jié)后成品性能

將實(shí)驗制備的雙層氧化鋁泡沫陶瓷過濾板樣品，送往國家輕工業(yè)陶瓷耐火材料質(zhì)量監(jiān)督檢測中心檢驗，檢驗號為（2012）委字第0615號。檢測的性能滿足國家建材標(biāo)準(zhǔn)JC/T895-2001的要求。檢測性能指標(biāo)與建材性能指標(biāo)對比見表5。

從表5中反映出來的性能指標(biāo)表明，實(shí)驗制備的雙層氧化鋁泡沫陶瓷的各項理化性能指標(biāo)均滿足甚至高于建材行業(yè)的要求。尤其是常溫抗折和抗壓強(qiáng)度指標(biāo)達(dá)到了0.8MPa和3.4MPa，測試還增加了體積密度和抗熱震性指標(biāo)的測試，也滿足體積密度小于等于0.5 g/cm3、抗熱震性800℃三次不裂的企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)。這將使產(chǎn)品能夠更好地滿足客戶的使用要求，使用過程中更加穩(wěn)定可靠，大大減少了出現(xiàn)過濾板斷裂的風(fēng)險。

3.4 過濾性能對比

采用著色處理和MATLAB軟件的圖像處理方法[8]，對相同厚度25PPI的單層泡沫陶瓷過濾板，和上層為20PPI、下層為25PPI的雙層泡沫陶瓷過濾板進(jìn)行過濾效果的檢測，檢測結(jié)果見表6。

由表6可知，鋁熔體過濾前鑄件表面缺陷率較高，達(dá)到了3%～5%。經(jīng)過單層過濾板過濾后，表面缺陷得到明顯下降，僅為0.5%～1.5%。對比單層過濾，雙層過濾效果更佳，表面缺陷率降至0.01%～0.2%。說明對于相同網(wǎng)孔的泡沫陶瓷，雙層過濾效果比單層要好，鑄件成品率更高。

4 結(jié) 論

（1） 組合雙層泡沫陶瓷過濾板是在現(xiàn)有的單層普通泡沫陶瓷上研制出來的，結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)大小網(wǎng)孔的變化，并且在使用過程中，能夠?qū)崿F(xiàn)多級凈化，達(dá)到過濾范圍更廣、過濾精度更高的效果，能夠滿足精度更高的鑄件產(chǎn)品的需求。

（2） 以氧化鋁為材質(zhì)，通過配方及相關(guān)工藝流程，制備出了組合雙層氧化鋁泡沫陶瓷過濾板；采用網(wǎng)孔經(jīng)絡(luò)粗的海綿，并制備密度2.43 g/cm3、含水率16.5%和觸變性好的漿料，可制備出最佳的泡沫陶瓷樣品。

（3） 通過檢測，實(shí)驗制備的組合雙層氧化鋁泡沫陶瓷過濾板具備優(yōu)于國家建材標(biāo)準(zhǔn)JC/T895-2001的理化性能；其中體積密度為0.49g/cm3、通孔率為82%、常溫抗折強(qiáng)度0.8MPa、常溫抗壓強(qiáng)度2.4MPa、抗熱震性為800℃五次不裂。

（4） 通過著色處理和MATLAB對比分析，雙層泡沫陶瓷過濾板相比單層的過濾表面缺陷要少，單層相比沒有過濾的表面缺陷要少。

參考文獻(xiàn)

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