黏土加入量對(duì)Al2O3基泡沫陶瓷過濾器性能的影響

馬戰(zhàn)紅，李新利，張旦聞，任鳳章

(1.河南科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 洛陽 471023；2.洛陽理工學(xué)院 機(jī)電工程系，河南 洛陽 471023)

?

黏土加入量對(duì)Al2O3基泡沫陶瓷過濾器性能的影響

馬戰(zhàn)紅1，李新利1，張旦聞2，任鳳章1

(1.河南科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 洛陽 471023；2.洛陽理工學(xué)院 機(jī)電工程系，河南 洛陽 471023)

采用有機(jī)泡沫浸漬制備Al2O3基泡沫陶瓷，研究黏土加入量對(duì)陶瓷性能的影響。研究結(jié)果表明：隨著黏土含量的增加，試樣的熱震穩(wěn)定性先升后降，抗壓強(qiáng)度先升后降、又略有上升。黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí)，泡沫陶瓷性能最好，此時(shí)抗壓強(qiáng)度為1.70 MPa，熱震循環(huán)次數(shù)為12次。

泡沫陶瓷；Al2O3；黏土；抗壓強(qiáng)度；熱震穩(wěn)定性

0 引言

泡沫陶瓷過濾器一般是采用聚氨酯海綿為載體，將之浸入由陶瓷粉末、黏結(jié)劑、助燒結(jié)劑、懸浮劑等制成的漿料中；然后擠掉多余漿料，使陶瓷漿料均勻涂敷于載體骨架成為坯體；再把坯體干燥并高溫?zé)Y(jié)而成[1-6]。泡沫陶瓷由于具有氣孔率高、比表面積大、抗熱震性好、耐高溫、耐化學(xué)腐蝕及良好的機(jī)械強(qiáng)度和過濾吸附性能，可廣泛應(yīng)用于熱交換材料、布?xì)獠牧?、汽車尾氣凈化裝置、冶金工業(yè)熔融態(tài)金屬過濾、熱能回收、工業(yè)污水處理，隔熱、隔音材料等[7-10]方面。

Al2O3基泡沫陶瓷在金屬鋁液過濾中發(fā)揮著越來越重要的作用，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品的主要缺點(diǎn)是強(qiáng)度低、易掉渣，其主要原因是漿料組分控制不好而影響掛漿質(zhì)量，從而影響陶瓷性能。黏土由于具有顆粒細(xì)、可塑性強(qiáng)、結(jié)合性好、觸變性好、收縮適宜、耐火度高等工藝性能，是陶瓷漿料的重要組成成分。在Al2O3基泡沫陶瓷中，黏土可提高漿料可塑性和結(jié)合性，在陶瓷漿料的制備中起著不可或缺的作用。但黏土在氧化鋁基陶瓷中的加入量及其影響在文獻(xiàn)中并未有詳細(xì)闡述，因此，本文針對(duì)這個(gè)問題，研究黏土加入量對(duì)Al2O3基泡沫陶瓷性能的影響，以期得到性能更好的泡沫陶瓷。

1 試驗(yàn)材料的選擇及試驗(yàn)過程

圖1 有機(jī)泡沫浸漬法工藝流程

本試驗(yàn)采用的原材料有：α-Al2O3粉(1 500目)作為主要組分，黏土為流變劑，糊精、磷酸二氫鋁、硅溶膠和羧甲基纖維素鈉(CMC，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%)作為黏結(jié)劑，SiO2微粉(3 000目)、Fe2O3(325目)、TiO2(325目)、CeO2(325目)和Cr2O3(325目)作為添加劑，加入的黏土為鈉基膨潤(rùn)土(325目)，試驗(yàn)選用孔數(shù)約為1.57 mm-1具有貫通氣孔的軟質(zhì)聚氨酯泡沫作為載體，并采用有機(jī)泡沫浸漬工藝制備陶瓷。制備工藝如圖1所示。

表1 試樣編號(hào)

在不改變其他原料的情況下，改變黏土的加入量，試樣編號(hào)如表1所示。

坯體經(jīng)1 400 ℃燒成之后測(cè)試陶瓷的性能，陶瓷尺寸約為40 mm×40 mm×40 mm，燒結(jié)之后的試樣形貌如圖2所示。

圖2 陶瓷宏觀圖片

根據(jù)阿基米德定律來求取過濾板中孔穴的體積，即向帶溢流管的玻璃燒杯中注滿水，將待測(cè)樣品全部輕輕置于水中，這時(shí)水從溢流管中流出，測(cè)出此部分的水的體積。用過濾板的物理體積減去溢流出來的水的體積，就是過濾板中孔穴的總體積。根據(jù)試樣的長(zhǎng)、寬、高計(jì)算試樣體積V0，最后，計(jì)算質(zhì)量與體積之比(容重)。

本試驗(yàn)采用阿基米德排水法測(cè)量并利用下式計(jì)算試樣的孔隙率θ：

(1)

式中：V0為試樣體積，cm3；V1為試樣排開水的體積，cm3。

試驗(yàn)采用1 100 ℃室溫?zé)嵫h(huán)法來測(cè)定泡沫陶瓷的熱震穩(wěn)定性；采用島津AG-I 250 kN型精密萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)樣品進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試。利用JSM-5610LV型掃描電鏡觀察其斷口形貌特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 黏土加入量對(duì)容重的影響

黏土加入量對(duì)容重的影響見表2。由表2可知：隨著黏土加入量的增大，容重是先增加后下降再增加，當(dāng)黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%(A3試樣)時(shí)容重最大。這是因?yàn)轲ね粮纳屏藵{料的流動(dòng)性和穩(wěn)定性，因此當(dāng)黏土量較少時(shí)，隨著黏土含量的增加，漿料的性能變好，與泡沫的親和作用增大使得掛漿質(zhì)量提高，因此容重有所增大；當(dāng)黏土量較多時(shí)，漿料的觸變性增大，這時(shí)由于漿料黏度增大無法完成掛漿，此時(shí)必須提高加水量來增加漿料的流動(dòng)性，因此使坯體的固相含量降低，容重減小。容重過大會(huì)影響陶瓷的過濾性能，過小會(huì)使陶瓷力學(xué)性能變差，在泡沫陶瓷中容重的范圍在0.30～0.55 g/cm3。由表2可知：幾種試樣的容重測(cè)量結(jié)果基本符合泡沫陶瓷對(duì)容重的要求。

表2 容重和孔隙率測(cè)試結(jié)果

2.2 黏土加入量對(duì)孔隙率的影響

黏土加入量對(duì)孔隙率的影響見表2。由表2可知：隨著黏土加入量的增大，孔隙率緩慢降低再增大至一個(gè)極值后又下降。這是由于當(dāng)黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低(<6%)時(shí)，對(duì)漿料的觸變性影響較大而對(duì)漿料的流動(dòng)性影響較小，此時(shí)漿料與泡沫載體的親和作用較好，因此容重增大，孔隙率降低；當(dāng)黏土量較多時(shí)，黏土對(duì)漿料的觸變性影響較大，加水量的增大導(dǎo)致坯體的固相含量有所降低，因此孔隙率增大直到一個(gè)極值；當(dāng)黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大(>6%)時(shí)，漿料的觸變性已經(jīng)很大，此時(shí)導(dǎo)致掛漿過程中出現(xiàn)的堵孔現(xiàn)象，因此導(dǎo)致孔隙率降低?？紫堵实拇笮≈苯佑绊懜邷亟饘偃芤旱倪^濾效果，孔隙率較小時(shí)，過濾效果較好，但是過濾時(shí)間變長(zhǎng)；孔隙率較大時(shí)，雖然過濾時(shí)間變短，但由于孔徑增大反而使過濾效果變差，在鑄件中容易混入雜質(zhì)導(dǎo)致生成廢品，因此需要適當(dāng)?shù)目紫堵省Ｒ话銇碚f，孔隙率的大小控制在65%～80%，幾組試樣基本符合要求。

2.3 黏土加入量對(duì)熱震穩(wěn)定性的影響

表3 熱震穩(wěn)定性和抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

黏土加入量對(duì)熱震穩(wěn)定性的影響見表3。由表3可知：隨著黏土加入量的增大，泡沫陶瓷的熱震穩(wěn)定性先升后降，黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí)(A3試樣)，泡沫陶瓷熱震穩(wěn)定性最好，為12次。這是由于黏土的主要成分是氧化鋁和二氧化硅，這些成分在高溫下會(huì)生成莫來石相，莫來石具有熱膨脹系數(shù)低、熔點(diǎn)高、抗蠕變、抗熱震性能優(yōu)異等特性，因此抗熱震性能逐漸變好。但黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大(>6%)時(shí)，由于黏土的成分較雜，含量越高，在高溫?zé)Y(jié)時(shí)會(huì)生成液相量越多，在低溫冷卻過程中液相就會(huì)在晶界處形成玻璃相，同時(shí)由于液相收縮會(huì)在晶界處形成孔洞；脆性玻璃相和孔洞的存在大大降低了泡沫陶瓷的高溫力學(xué)性能，因此熱震穩(wěn)定性變差。綜上所述，當(dāng)黏土的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí)，熱震穩(wěn)定性最好，為12次。

2.4 黏土加入量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

黏土加入量對(duì)常溫抗壓強(qiáng)度的影響見表3。由表3可知：隨著黏土加入量的增大，常溫抗壓強(qiáng)度先升后降，然后又有所升高。當(dāng)黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%(A3試樣)時(shí)，泡沫陶瓷的常溫抗壓強(qiáng)度最高，為1.70 MPa，此時(shí)，由于反應(yīng)生成莫來石相從而使強(qiáng)度提高。隨著黏土加入量增加，強(qiáng)度下降，黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%時(shí)強(qiáng)度最低。這是由于黏土量過多，除了生成性能較好的莫來石相外，還有液相生成，這些液相在冷卻過程中積聚在晶界處，而玻璃相的強(qiáng)度低、脆性大，間接導(dǎo)致陶瓷材料力學(xué)性能變差，因此，過量的黏土導(dǎo)致強(qiáng)度降低。

當(dāng)黏土的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%(A5試樣)時(shí)強(qiáng)度升高。由前面性能測(cè)試結(jié)果可知：黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%時(shí)，容重非常大，通透性很差，并且孔隙率也非常小，固相含量大大增大；黏土含量過高時(shí)，漿料黏度和稠度增大，泡沫難以掛漿且掛漿時(shí)多余漿料難以擠出，掛漿時(shí)造成泡沫堵孔現(xiàn)象很嚴(yán)重，因此造成泡沫陶瓷強(qiáng)度有所升高，但是由于堵孔使過濾性能變差，因此不能為了提高強(qiáng)度而過多加入黏土。綜上所述，當(dāng)黏土的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí)，抗壓強(qiáng)度最好，為1.70 MPa。

2.5 掃描電鏡圖像分析

圖3是部分試樣的微觀形貌。由圖3a可知：A1試樣由于添加較少的黏土，因此在高溫?zé)Y(jié)時(shí)不充分，形成大量的孔洞，其強(qiáng)度和熱震穩(wěn)定性均較差。由圖3b和圖3c可知：A2試樣與A3試樣的微觀形貌相似，但A3試樣相對(duì)來說孔洞較少，結(jié)構(gòu)較為致密，因此陶瓷的容重最大，力學(xué)性能和熱學(xué)性能均較好。由圖3d可知：A4試樣晶粒粗大且不明顯，似是被玻璃相包裹，分布也不均勻；這是由于試樣均添加了較多的黏土，而黏土中含有較多的雜質(zhì)，因此高溫?zé)Y(jié)中會(huì)形成較多的液相，在不均勻冷卻過程中就會(huì)形成較多的玻璃相。由圖3d可知：脆性玻璃相存在于晶界上間接導(dǎo)致了其綜合性能不如A3試樣。

圖3 部分樣品的掃描電鏡照片

3 結(jié)論

隨著黏土加入量的增多，試樣的容重和孔隙率先上升后下降，總的來說，試樣的容重和孔隙率符合泡沫陶瓷的要求。隨著黏土加入量的增多，泡沫陶瓷的常溫抗壓強(qiáng)度先升后降,然后略有上升;熱震穩(wěn)定性先上升后下降。綜合考慮，當(dāng)黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí)，泡沫陶瓷的綜合性能最好，此時(shí)常溫抗壓強(qiáng)度達(dá)到1.70 MPa，熱震次數(shù)達(dá)到12次。

[1] 馬戰(zhàn)紅,任鳳章.燒成溫度對(duì)碳化硅-氧化鋁陶瓷過濾器制備性能的影響[J].材料熱處理學(xué)報(bào),2013,34(2):19-22.

[2] 許珂敬,孟凡濤,李國(guó)昌,等.陶瓷過濾器材料及其制備技術(shù)進(jìn)展[J].山東工程學(xué)院學(xué)報(bào),2002,16(3):343-356.

[3] 馮勝山,陳巨喬.泡沫陶瓷過濾器的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].耐火材料,2002,36(4):235-239.

[4] 鞠銀燕,宋士華,陳曉峰.多孔陶瓷的制備、應(yīng)用及其研究進(jìn)展[J].硅酸鹽通報(bào),2007,26(5):969-974.

[5] Ashkin D,Haber R A,Wachtman J B.Elastic Properties of Porous Silica Derived from Colloidal Gels[J].Am Ceram Soc,1990,73(11):3376-3781.

[6] 馬戰(zhàn)紅,任鳳章.表面活性劑對(duì)Al2O3基泡沫陶瓷性能的影響[J].河南科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2012,33(4):3-5.

[7] 劉維良.先進(jìn)陶瓷工藝學(xué)[M].武漢:武漢理工大學(xué)出版社,2004:542-543.

[8] 馬戰(zhàn)紅,任鳳章.黏土加入量對(duì)SiC-Al2O3基過濾器性能的影響[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車,2011,38(3):37-39.

[9] 陳軍超.浸漬法制備細(xì)孔徑氧化鋁基泡沫陶瓷過濾器[D].洛陽:河南科技大學(xué),2008.

[10] 何俊生,馮小明.多孔陶瓷材料的制備技術(shù)與研究現(xiàn)狀[J].鑄造技術(shù),2010,31(8):1-3.

河南省基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究基金項(xiàng)目(11230041002);河南省科技創(chuàng)新人才計(jì)劃基金項(xiàng)目(144200510001)

馬戰(zhàn)紅(1975-),女,河北石家莊人,副教授,碩士，主要研究方向?yàn)樘沾刹牧?

2014-05-05

1672-6871(2015)03-0006-03

TB383

A