碳化硅質(zhì)遠(yuǎn)紅外泡沫陶瓷過濾板的制備與性能研究

曾小軍 劉維良 班曉磊 馮震乾

（景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院，江西景德鎮(zhèn) 333001）

0 引言

目前泡沫陶瓷存在強(qiáng)度低、氣孔易堵塞等問題，較好機(jī)械性能的SiC可有效地解決泡沫陶瓷強(qiáng)度低的問題，而且SiC的電熱轉(zhuǎn)化功能可解決再生問題，將SiC材質(zhì)優(yōu)良的性能與泡沫陶瓷的應(yīng)用有機(jī)地結(jié)合，對(duì)于節(jié)能、環(huán)保來說意義重大。

SiC泡沫陶瓷除了具有泡沫陶瓷所共有的高氣孔率、低密度、高比表面積等性質(zhì)外，還具有由SiC這種材質(zhì)所帶來的機(jī)械強(qiáng)度高，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，高溫性能好，熱導(dǎo)率高、遠(yuǎn)紅外線輻射率高和微波吸收能力強(qiáng)以及良好導(dǎo)電性等特點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于熔融金屬過濾、熱傳感器、催化劑載體、污水處理及汽車尾氣凈化等領(lǐng)域[1-6]。利用SiC的電熱轉(zhuǎn)化功能，加上泡沫陶瓷這種高氣孔率載體的過濾作用，使SiC泡沫陶瓷被認(rèn)為是用做高溫液體過濾器的最佳候選材料之一[7]。同時(shí)，SiC在800℃～1600℃溫度范圍內(nèi)遠(yuǎn)紅外線全輻射率為0.90。

納米遠(yuǎn)紅外陶瓷粉是一種具有高的遠(yuǎn)紅外輻射率的無機(jī)非金屬微粉[8]。在高溫區(qū)主要用于鍋爐內(nèi)涂層快速加熱和烤漆、木材、食品的干燥等。在常溫區(qū)主要應(yīng)用于制造各種遠(yuǎn)紅外保暖材料，如用于保暖內(nèi)衣的遠(yuǎn)紅外聚酯纖維、遠(yuǎn)紅外農(nóng)膜以及遠(yuǎn)紅外功能陶瓷等[9]。同時(shí)，遠(yuǎn)紅外陶瓷在處理污水方面效果良好。

基于SiC泡沫陶瓷和納米遠(yuǎn)紅外陶瓷粉的性能特點(diǎn)，本文通過配方中添加一定量的納米遠(yuǎn)紅外陶瓷粉和氧化鋁粉，降低SiC泡沫陶瓷過濾板的燒結(jié)溫度和提高抗壓強(qiáng)度。同時(shí)，提高其處理污水的能力。通過大量的試驗(yàn)獲得了制備碳化硅質(zhì)遠(yuǎn)紅外泡沫陶瓷過濾板的工藝技術(shù)，為批量化生產(chǎn)碳化硅質(zhì)遠(yuǎn)紅外泡沫陶瓷過濾板奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

SiC粉，化學(xué)純，宜興市利爾耐火材料有限公司；遠(yuǎn)紅外粉，工業(yè)純，自制；Al2O3粉，工業(yè)純，河南鄭州；高嶺土，工業(yè)純，蘇州；鉀長(zhǎng)石，工業(yè)純，湖南；膨潤(rùn)土，工業(yè)純，安徽休寧；NaOH，化學(xué)純，天津市恒興化學(xué)試劑制造有限公司；羧甲基纖維素鈉（CMC），化學(xué)純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 樣品制備

漿料的基礎(chǔ)料重量配比為：高嶺土：鉀長(zhǎng)石：Al2O3：膨潤(rùn)土是12∶13∶5∶5，添加SiC的含量分別為45wt.%、50wt.%、55wt.%、60 wt.%。將各原料按上述比例稱量后進(jìn)行球磨，球磨后的漿料過250目篩。用2wt.%的NaOH溶液和2wt.%的CMC溶液預(yù)處理聚氨基甲酸乙酯泡沫，采用浸漬法，將已處理的聚氨基甲酸乙酯泡沫多次浸入漿料中反復(fù)輥壓，使?jié){料比較均勻地涂覆在海綿體的三維網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)的表面，最后用兩塊平板擠出多余漿料，以防堵孔。將浸漬好的樣品在室溫下24h涼干，再經(jīng)100℃烘干，放入電阻爐中燒成。

1.3 性能測(cè)試

采用西安力創(chuàng)材料檢測(cè)技術(shù)有限公司的WDW-10型電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)定樣品抗壓強(qiáng)度；采用北京瑞利分析儀器公司的WFZ800-D3B型紫外可見分光光度計(jì)測(cè)定樣品處理10%的甲基橙溶液后的吸光度。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 樣品的形貌分析

從圖1和圖2可知，樣品規(guī)整度較好，孔筋大小均勻，測(cè)量得平均直徑在1.5mm左右。由聚氨基甲酸乙酯泡沫的TG-DTA曲線[10]可知，泡沫在230℃開始失重，到600℃基本上不再變化，故在此溫度范圍需緩慢升溫、保溫，以保證樣品不會(huì)在泡沫分解時(shí)變形和塌陷。

圖1 樣品的正面圖Fig.1 The front view of samples

圖2 樣品的側(cè)面圖Fig.2 The side view of samples

圖3 碳化硅含量與容重的關(guān)系曲線Fig.3 The relation curve of the SiC content and the bulk density

圖4 碳化硅含量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線Fig.4 The relation curve of the SiC content and the compressive strength

圖5 燒成溫度與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線Fig.5 The relation curve of the firing temperature and the compressive strength

2.2 碳化硅含量對(duì)樣品容重和抗壓強(qiáng)度的影響

圖6 保溫時(shí)間與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線Fig.6 The relation curve of the holding time and the compressive strength

圖7 遠(yuǎn)紅外粉添加量與吸光度的關(guān)系曲線Fig.7 The relation curve of the far-infrared powder and the absorbance

從圖3和圖4可知，隨著碳化硅含量的增加，樣品的容重減小，抗壓強(qiáng)度先增大后減小，SiC含量為50wt.%時(shí)，抗壓強(qiáng)度為最大值。其原因是碳化硅含量增加后，相應(yīng)的塑性原料減少，導(dǎo)致漿料的粘度降低，掛漿減少，從而導(dǎo)致樣品的密度降低，最終使樣品的容重減小。碳化硅具有較高的力學(xué)性能，故碳化硅的增加會(huì)增大抗壓強(qiáng)度，但達(dá)到一定量后，樣品難以燒結(jié)，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度減小。

2.3 燒成溫度和保溫時(shí)間對(duì)樣品抗壓強(qiáng)度的影響

Gibson和Ashby[11]通過對(duì)泡沫材料建立一個(gè)簡(jiǎn)單的立方孔單元結(jié)構(gòu)模型推導(dǎo)出開口氣孔脆性泡沫（a≥L）強(qiáng)度的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

其中，σft為多孔材料的力學(xué)強(qiáng)度，σs為孔筋強(qiáng)度，C為常數(shù)；a為宏觀缺陷臨界尺寸，對(duì)于多孔材料，氣孔尺寸為臨界缺陷尺寸的下限；L為棱長(zhǎng)度，ρ 為多孔體的容重，ρs為孔筋密度。

由公式（1）可知，多孔陶瓷的強(qiáng)度受孔筋強(qiáng)度、氣孔尺寸和體內(nèi)氣孔率的影響。從圖5可知，隨著燒成溫度的提高，樣品的容重減小，抗壓強(qiáng)度先增大后減小。在1480℃時(shí)出現(xiàn)了最大值。結(jié)合公式（1）分析，當(dāng)溫度較低時(shí)，結(jié)合劑沒有完全熔融，玻璃態(tài)物質(zhì)較少，不能很好的將基體顆粒粘結(jié)在一起。隨著溫度的升高，結(jié)合劑粘結(jié)作用增強(qiáng)，玻璃態(tài)物質(zhì)增多，能很好的粘結(jié)SiC顆粒，從而使孔筋處燒結(jié)密實(shí)，強(qiáng)度增大。同時(shí)，一定量的Al2O3的引入有利于在坯體中形成液相，通過液相溶解再沉淀機(jī)理達(dá)到致密化，使強(qiáng)度增大。當(dāng)孔筋的強(qiáng)度增加到一定程度時(shí)，溫度再提高，氣孔率增大，導(dǎo)致強(qiáng)度減小。

當(dāng)最高燒成溫度為1480℃時(shí)，保溫時(shí)間與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線如圖6所示。從圖6可知，隨著保溫時(shí)間的增加，樣品的抗壓強(qiáng)度增大。究其原因，隨著保溫時(shí)間的增加，樣品在燒結(jié)過程中吸收了更多的能量，促進(jìn)樣品的燒結(jié)致密化，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度增大。當(dāng)保溫時(shí)間達(dá)到一定時(shí)，樣品趨于燒結(jié)致密化，其抗壓強(qiáng)度基本上不再增大。

2.4 遠(yuǎn)紅外粉的添加量對(duì)污水降解能力的影響

綜上所述，最佳工藝為50wt.%SiC，燒成溫度1480℃，保溫時(shí)間150min。采用此工藝，配方中分別添加0wt.%、5wt.%、10wt.%和15wt.%的遠(yuǎn)紅外粉制備碳化硅質(zhì)遠(yuǎn)紅外泡沫陶瓷過濾板樣品。將所得樣品浸泡在10wt.%的甲基橙溶液中2h后測(cè)其吸光度，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。從圖7可知，隨著遠(yuǎn)紅外粉的添加量增大，甲基橙溶液的吸光度減小。當(dāng)添加量達(dá)到10wt.%時(shí)吸光度為0.051，再增加遠(yuǎn)紅外粉的添加量，吸光度改變量較小。這表明遠(yuǎn)紅外粉的添加量越大，所得的樣品對(duì)甲基橙溶液的降解能力越強(qiáng)，對(duì)水的活化能力越強(qiáng)，且最佳添加量為10wt.%。

3 結(jié)論

（1）制備碳化硅質(zhì)遠(yuǎn)紅外泡沫陶瓷過濾板樣品的最佳配方和工藝參數(shù)為基礎(chǔ)料50wt.%，SiC 50wt.%；燒成溫度1480℃，保溫時(shí)間150min。

（2）遠(yuǎn)紅外粉的添加使樣品對(duì)污水的降解效果較好，最佳添加量為10wt.%，吸光度為0.051。

1 ZHU X W,JIANG D L,TAN S H.Reaction bonding of open cell SiC-Al2O3composites.Materials Research Bulletin,2001,36:2003～2015

2 HAUGEN H,WILL J,KOHLER A.Ceramic TiO2-foams:characterization of apotential scaffold.Journal of the European Ceramic Society,2004,24:661～668

3 PENGY,RICHARDSON JT.Propertiesof ceramic foam catalyst supports:one-dimensional and two-dimensional heat transfer correlations.Applied Catalysis A:General,2004,266:235～244

4 ALTINKOK N,DEMIR A,OZSERT I.Processing of Al2O3/SiC ceramic cake performs and their liquid Al metal infiltration.Composites:Part A,2003,34:577～582

5曹大力,馬雷,周靜一,等.碳硅石-莫來石泡沫陶瓷過濾器的研制.鑄造,2006,55(6):659-664.

6 TOMITA T,KAWASAKIS,OKADA K.Effect of viscosity on preparation of foamed silica ceramics by a rapid gelation foaming method.Journal of Porous Materials,2005,12:123～129

7 STUDART A,GONZENBACH U,TERVOORT E,et al.J.Am.Ceram.Soc.,2006,89(6):1771

8劉維良,陳云霞.納米遠(yuǎn)紅外陶瓷粉末的制備工藝與性能研究.中國(guó)陶瓷,2002,(1):38

9李紅濤,劉建學(xué).遠(yuǎn)紅外輻射陶瓷研究的現(xiàn)狀及進(jìn)展.陶瓷,2005,(4):49～51

10魏云靜.泡沫碳化硅陶瓷的制備工藝與性能研究.陜西:西安科技大學(xué),2004

11 Gibson L J,Ashby M F.Cellular solids.Britain:Cambridge University Press,1997:20～49