成孔劑對多孔陶瓷過濾膜支撐體性能的影響

劉永鋒 劉開琪 袁永兵 王秉軍 趙宏偉 丁 鈺

（中國鋼研科技集團(tuán)有限公司，特種陶瓷與耐火材料北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

0 前言

冶金、電力、機(jī)械、化工、水泥等行業(yè)的各種工業(yè)爐窯排放出來的廢氣不僅溫度高，而且含有大量的粉塵和有害氣體，給環(huán)境造成巨大壓力[1-3]。目前，多孔陶瓷過濾膜管在高溫除塵領(lǐng)域已經(jīng)得到應(yīng)用，且已取得了良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益[4-6]。然而，隨著應(yīng)用的不斷成熟和推廣，使用環(huán)境對過濾膜管支撐體（如高氣通量、低壓降、高強(qiáng)度、抗熱震、耐腐蝕等性能）提出了越來越高的要求。

本文就成孔劑對多孔陶瓷成型性能、氣孔率、強(qiáng)度以及顯微結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了研究，以期為支撐體的改進(jìn)提供參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)所用原料包括莫來石（0.4～0.6mm）、高嶺土、長石、炭黑（D50=5μm）、羧甲基纖維素鈉CMC、以及淀粉醚溶液（12%濃度）。其中，莫來石用作支撐體的主原料，高嶺土和長石（質(zhì)量比6∶4）用作燒結(jié)助劑、炭黑和CMC分別用作成孔劑、淀粉醚溶液用作粘結(jié)劑。本研究固定燒結(jié)助劑添加量為10%質(zhì)量分?jǐn)?shù)，CMC溶液外加量為4～8%。

試樣制備：采用固態(tài)粒子燒結(jié)法制備多孔陶瓷支撐體；首先將粉體預(yù)混合均勻；將莫來石顆粒倒入攪拌設(shè)備中，加入CMC溶液攪拌至顆粒表面充分潤濕；再加入預(yù)先混合均勻的粉體，攪拌5min，使粉體均勻粘附于顆粒表面形成包覆顆粒；困料4h；采用等靜壓成型工藝150MPa制備尺寸Φ60mm×Φ40mm×600mm的陶瓷管和10mm×20mm×120mm的條狀試樣；坯體養(yǎng)護(hù)后經(jīng)1350℃燒結(jié)制得試樣。

檢測方法：氣孔率采用Archimedes法進(jìn)行檢測；抗彎強(qiáng)度采用三點(diǎn)梁彎曲法進(jìn)行檢測；顯微結(jié)構(gòu)采用Quanta掃描電鏡進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 成孔劑對支撐體成型性能的影響

成孔劑對陶瓷管成型性能的影響如表1所示。以炭黑為成孔劑，其添加量不大于13%時，坯體成型性能較好，且強(qiáng)度較高；當(dāng)添加量大于13%時，坯體回彈現(xiàn)象開始顯現(xiàn)，表面開始出現(xiàn)裂紋；添加量進(jìn)一步提高，坯體強(qiáng)度明顯減弱，斷裂現(xiàn)象明顯。以CMC為成孔劑時，當(dāng)添加量不大于8%時，坯體成型性能較好，強(qiáng)度滿足要求；添加量大于8%時，坯體回彈現(xiàn)象顯現(xiàn)，表面開始出現(xiàn)裂紋；添加量大于10%時，坯體層裂、粉化現(xiàn)象明顯。

表1 成孔劑對支撐體成型性能的影響Tab.1 Influence of the pore-forming materials on the formability of the support

圖1 成孔劑對支撐體氣孔率的影響Fig.1 Influence of the pore-forming agent on the porosity of the support

2.2 成孔劑對支撐體燒結(jié)性能的影響

成孔劑對支撐體氣孔率的影響如圖1所見。從圖可見：炭黑和CMC對氣孔率的影響均較為明顯，同等添加量時，CMC對氣孔率的影響略明顯于炭黑；成孔劑添加量較少時，氣孔率的變化較為緩慢，當(dāng)達(dá)到一定量時，氣孔率呈較快增長；以CMC為成孔劑，支撐體氣孔率可達(dá)36.6%，以炭黑為成孔劑，支撐體氣孔率可達(dá)44.6%。

炭黑的密度大于CMC，在同質(zhì)量的條件下，CMC在坯體內(nèi)占據(jù)空間大于炭黑，因此對氣孔率的貢獻(xiàn)也就明顯于炭黑。圖1顯示即使不添加成孔劑，試樣的氣孔率也可達(dá)到25.6%，這部分氣孔由燒結(jié)助劑和莫來石顆粒不緊密堆積所形成。當(dāng)CMC添加量小于4%或炭黑添加量小于6%時，成孔劑在成型時更多的是起到潤滑的作用以促進(jìn)莫來石顆粒重排來實(shí)現(xiàn)最緊密堆積，并且在成型壓力的作用下被擠入到莫來石顆粒不緊密堆積形成的氣孔中，因此這部分成孔劑對燒后制品的氣孔率影響有限（圖2b）。當(dāng)添加量超過這一臨界點(diǎn)，成型壓力下坯體達(dá)到緊密堆積的過程中，莫來石顆粒重排現(xiàn)象減少，僅間距變?。▓D2c），成孔劑和燒結(jié)助劑的混合體多處于顆粒之間，燒結(jié)后莫來石顆粒通過燒結(jié)助劑實(shí)現(xiàn)連接，因此增孔作用開始集中體現(xiàn)。

成孔劑對支撐體材料強(qiáng)度的影響如圖3所示。CMC作成孔劑時，支撐體強(qiáng)度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，其中CMC含量為4%時，強(qiáng)度達(dá)到最大值21MPa。分析其原因可能為，當(dāng)CMC添加量較少時，其主要存在于莫來石顆粒不緊密堆積形成的氣孔中，雖對氣孔率影響不大，但是CMC是一種鈉鹽，在燒結(jié)過程中，鈉離子不揮發(fā)，在支撐體中起到助熔和燒結(jié)的作用，使支撐體產(chǎn)生額外的強(qiáng)度，因此強(qiáng)度升高。這一點(diǎn)從試樣燒后的表觀特征也可有所反映，添加10%CMC的試樣表面玻璃光澤明顯，而添加炭黑的試樣表面沒有玻璃光澤。當(dāng)CMC添加量為4%時，氣孔率的增長和鈉離子的助燒作用達(dá)到平衡，強(qiáng)度達(dá)到最大值。當(dāng)CMC添加量大于4%時，氣孔率的增長抵消了鈉離子助燒作用對強(qiáng)度的貢獻(xiàn)，因此支撐體強(qiáng)度開始下降。以炭黑為成孔劑時，支撐體強(qiáng)度穩(wěn)中有降。分析其原因可能為，炭黑添加量較少時，對氣孔率影響不大，因此強(qiáng)度雖有起伏，但是總體穩(wěn)定。隨炭黑含量繼續(xù)升高，其增孔效果明顯，因此強(qiáng)度下降。成孔劑含量大于8%時，以炭黑為成孔劑的支撐體強(qiáng)度高于CMC，分析其原因是CMC的增孔效果明顯于炭黑所致。

2.3 顯微結(jié)構(gòu)分析

圖2 支撐體成型示意圖Fig.2 Forming of the support:(a) Mixture before forming;(b) Support body with a small amount of poreforming material;(c) Support body with an appropriate amount of pore-forming material

圖3 成孔劑對試樣抗折強(qiáng)度的影響Fig.3 Influence of the pore-forming material on the bending strength of the support

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以10%炭黑和5%CMC為復(fù)合成孔劑，制備出氣孔率為39%，抗折強(qiáng)度為16.5MPa的莫來石質(zhì)過濾膜管支撐體。其顯微結(jié)構(gòu)如圖4所示。從圖可見，莫來石顆粒尺寸、氣孔尺寸較為均勻，支撐體結(jié)構(gòu)整體均勻。

3 結(jié)論

（1）炭黑和CMC添加量分別小于13%和9%時，支撐體坯體可較好成型；

（2）炭黑和CMC對氣孔率的影響均較為明顯；同等含量時，CMC對氣孔率的影響略明顯于炭黑；成孔劑添加量較少時，氣孔率的變化較為緩慢，當(dāng)達(dá)到一定量時，氣孔率呈較快增長；以CMC為成孔劑，支撐體氣孔率可達(dá)36.6%，以炭黑為成孔劑，支撐體氣孔率可達(dá)44.6%。

（3）CMC作成孔劑時，支撐體強(qiáng)度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢；CMC含量為4%時，抗彎強(qiáng)度達(dá)到21MPa；炭黑做成孔劑時，支撐體強(qiáng)度總體呈下降趨勢。

圖4 多孔陶瓷支撐體顯微結(jié)構(gòu)Fig.4 Microstructure of the porous ceramic support

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