玻璃化多孔陶瓷材料的制備研究

張仕昭 李樹(shù)嶺 趙浩峰 王巧玲 劉妍慧 潘子云 王玲

摘 要：多孔陶瓷是一種含孔洞的無(wú)機(jī)非金屬過(guò)濾材料，常用于液體的過(guò)濾。主要制作方法有添加造孔劑法、發(fā)泡法、有機(jī)泡沫浸漬法和溶膠—凝膠法。本文利用發(fā)泡劑和模板來(lái)制備多孔陶瓷，通過(guò)添加不同發(fā)泡劑，來(lái)尋找各個(gè)原料的最佳配比，從而制備出高效的多孔陶瓷。

關(guān)鍵詞：多孔陶瓷；無(wú)機(jī)非金屬過(guò)濾材料；發(fā)泡法；有機(jī)泡沫浸漬法

1 引言

當(dāng)今社會(huì)，工業(yè)發(fā)展迅速，水污染越來(lái)越嚴(yán)重，多孔陶瓷在廢水凈化方面，有很好的效果。多孔陶瓷是一種含有較多孔洞的無(wú)機(jī)非金屬材料，具有化學(xué)穩(wěn)定性好、耐熱性好的優(yōu)點(diǎn)，在廢水過(guò)濾方面得到廣泛的應(yīng)用[1]。

有機(jī)泡沫浸漬法是制備多孔陶瓷的有效工藝[2]，其工藝簡(jiǎn)單、操作方便、制造成本低，具有良好的發(fā)展前景[3]。有資料顯示，以長(zhǎng)石作為陶瓷結(jié)合劑，可以降低陶瓷的燒結(jié)溫度[4]。因此，本文以粘土為基體，長(zhǎng)石為主要添加劑，探討不同發(fā)泡劑對(duì)陶瓷玻璃化制備的影響。

2 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)采用粘土、氟化鈣、碳酸鈉、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的氫氧化鈉水溶液以及長(zhǎng)石粉、PVC、聚苯乙烯、碳粉、淀粉、硼砂等為材料。其中，長(zhǎng)石粉、氟化鈣作為陶瓷結(jié)合劑，可以降低陶瓷燒制溫度。碳酸鈉作為陶瓷添加劑，可以促進(jìn)陶瓷玻璃化結(jié)構(gòu)形成。有資料顯示PVC、聚苯乙烯、淀粉、碳粉具有很好的發(fā)泡效果[5]，受熱揮發(fā)而形成多孔結(jié)構(gòu)，因此，將其為發(fā)泡劑，并對(duì)發(fā)泡效果進(jìn)行比較。硼砂用于降低熔點(diǎn)，并提高多孔材料的強(qiáng)度[6]。實(shí)驗(yàn)材料按照一定比例配置：長(zhǎng)石3～10%，PVC（聚苯乙烯）4～20%，碳粉2～6%，碳酸鈉2～6%，硼砂3%，其余為粘土。

將原材料按照以上配方稱量，混合均勻，再加入20滴蒸餾水，配置成泥漿，將使用2%氫氧化鈉洗凈的模板浸入泥漿中，反復(fù)擠壓，待泥漿充滿模板后取出。同樣的方法，每組做三個(gè)試樣，分別加熱到1100℃、999℃和750℃燒結(jié)。

實(shí)驗(yàn)流程為：按配方配料——將配料混合均勻——將粉料成型——燒結(jié)完成。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 玻璃化的產(chǎn)生

圖1為使用聚苯乙烯作為發(fā)泡劑的多孔陶瓷圖片，其主要原料是粘土、長(zhǎng)石、聚苯乙烯和PVC。圖2為使用碳酸鈉作為發(fā)泡劑的多孔陶瓷圖片，其主要原料為粘土、長(zhǎng)石、碳酸鈉、硼砂和PVC。由圖片可知，圖1孔洞較小，沒(méi)有玻璃化產(chǎn)生；圖2孔洞較大。有玻璃化產(chǎn)生。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，圖1陶瓷的熔點(diǎn)在950～1050℃之間，圖2陶瓷的熔點(diǎn)在750～800℃之間。經(jīng)比較得知，硼砂可以降低陶瓷熔點(diǎn)。

得到玻璃化結(jié)構(gòu)的原因是：（1）碳酸鈉本身是制備玻璃的原材料。當(dāng)燒結(jié)溫度超過(guò)碳酸鈉的熔點(diǎn)，碳酸鈉分解產(chǎn)生二氧化碳，而粘土本身含有二氧化硅，多種雜質(zhì)混合形成低共融物，當(dāng)溫度升高，共融物融化，出現(xiàn)液相，形成硅酸鹽和游離二氧化硅等透明燒結(jié)物。溫度繼續(xù)升高，則形成玻璃態(tài)的多孔陶瓷；（2）從熱力學(xué)角度分析，玻璃態(tài)具有較高的內(nèi)能，屬于亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，且玻璃和晶體的內(nèi)能相差不大，析出動(dòng)力小，能夠在常溫下保存。另外，碳酸根離子體積較大，不易調(diào)整結(jié)構(gòu)，因此不易形成空間排布統(tǒng)一的晶體，而是形成亞穩(wěn)態(tài)的玻璃體；（3）從微觀角度分析，陶瓷內(nèi)部含有離子鍵和共價(jià)鍵，可以形成sp電子雜化軌道，構(gòu)成σ鍵和π鍵。它既有離子鍵的特點(diǎn)，又有共價(jià)鍵的特點(diǎn)，易于形成玻璃態(tài)。有資料顯示，玻璃化結(jié)構(gòu)之所以強(qiáng)度較高，是因?yàn)椴ＡЩY(jié)構(gòu)中Si4+和O2-離子構(gòu)成的四面體無(wú)序排列，形成了無(wú)周期反復(fù)的結(jié)構(gòu)單元[7]。

圖3是陶瓷熔點(diǎn)隨長(zhǎng)石粉百分含量變化曲線，由圖可知，隨著長(zhǎng)石的百分含量增加，陶瓷的熔點(diǎn)下降。

圖4是陶瓷相對(duì)強(qiáng)度隨硼砂含量變化曲線，陶瓷的相對(duì)強(qiáng)度是指陶瓷實(shí)際強(qiáng)度相對(duì)于理論的強(qiáng)度。由圖4可知，隨著硼砂含量增加，陶瓷的強(qiáng)度也增大。

3.2 發(fā)泡劑效果的比較

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，聚苯乙烯的發(fā)泡效果優(yōu)于聚氯乙烯，這是因?yàn)樵谑軣徇^(guò)程中，聚苯乙烯熱膨脹體積高于聚氯乙烯。聚苯乙烯的發(fā)泡效果也優(yōu)于碳粉，使用Materials Studio 7.0對(duì)碳粉進(jìn)行布局?jǐn)?shù)分析。結(jié)果見(jiàn)圖5、圖6。圖5是使用聚氯乙烯作為發(fā)泡劑的多孔陶瓷微觀形貌圖，圖6是使用聚苯乙烯作為發(fā)泡劑的多孔陶瓷微觀形貌圖。比較兩圖可知，聚苯乙烯發(fā)泡效果更好。圖7是使用碳粉作為發(fā)泡劑的實(shí)驗(yàn)樣品微觀形貌圖。碳粉中含有少量離子鍵，這是阻礙碳原子受熱膨脹的原因。

圖8是在999℃燒結(jié)的樣品微觀形貌圖，圖9是在750℃燒結(jié)的樣品微觀形貌圖。由實(shí)驗(yàn)可知，實(shí)驗(yàn)的兩個(gè)試樣，在999℃燒結(jié)的試樣孔隙明顯少于在750℃燒結(jié)的試樣孔隙。這是由于溫度過(guò)高，導(dǎo)致陶瓷融化，粘土溶液覆蓋住孔隙，降低其孔隙率。

4 結(jié)論

（1）聚苯乙烯的發(fā)泡效果優(yōu)于聚氯乙烯和碳粉，因?yàn)槠涫軣崤蛎涹w積大。

（2）碳酸鈉不僅能夠作為發(fā)泡劑，還能促進(jìn)多孔陶瓷玻璃化的生成，提高強(qiáng)度。

（3）多孔陶瓷氣孔率上升，陶瓷強(qiáng)度下降。

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