煙氣除塵用SiC多孔陶瓷孔徑及孔隙率影響因素研究

倫文山 沈云進(jìn) 王躍超 彭文博

摘 要 本文主要研究了碳化硅多孔陶瓷孔隙率及孔徑的影響因素。碳化硅多孔陶瓷孔隙率的大小直接影響其煙氣的過濾效率，通過研究碳化硅骨料的粒徑，碳化硅的含量以及造孔劑含量對孔隙率和孔徑大小的影響因素，實(shí)現(xiàn)了對碳化硅多孔陶瓷的孔隙率大小的有效控制。為制備出高孔隙率，大孔徑的碳化硅多孔陶瓷提供了保障。關(guān)鍵詞 碳化硅；造孔劑；孔隙率；孔徑大?。豢讖椒植?/p>

0 前 言

氣固分離是在煤化工、冶金、水泥和環(huán)境保護(hù)等行業(yè)都用到的分離過程，特別是高溫?zé)煔庵泄虘B(tài)粒子的脫除、回收一直是工業(yè)廢氣處理、環(huán)境保護(hù)的重大課題。要除去高溫?zé)煔庵械膲m粒，必須要求所選陶瓷材料能承受高溫（500～900℃）、高壓（1.0～3.0MPa）以及脈沖反吹時因溫度差突變而引起的熱應(yīng)力變化。因此，需要具有優(yōu)異力學(xué)性能和高孔隙率的耐高溫多孔陶瓷材料。

采用SiC制備的多孔陶瓷材料具有抗熱沖擊性好、高溫強(qiáng)度高和耐腐蝕性，在嚴(yán)酷的條件下可以保持很好的穩(wěn)定性；同時碳化硅陶瓷具有良好的抗彎強(qiáng)度，可以用作非對稱多孔陶瓷過濾管的內(nèi)層支撐體，為非對稱多孔陶瓷過濾管的外層過濾膜提供了一個良好的載體?？箯潖?qiáng)度的大小直接影響碳化硅多孔陶瓷材料的使用壽命。因此制備的碳化硅多孔陶瓷材料是一種優(yōu)良的高溫氣固分離材料，為解決上述氣固分離難題提供較為可靠的方案。

碳化硅多孔陶瓷管的主要成型工藝有注漿法、溶膠凝膠法、等靜壓成型法等。注漿法、溶膠凝膠法成型工藝開發(fā)生產(chǎn)周期較長，產(chǎn)品性能不易控制。等靜壓成型是通過流體介質(zhì)同步傳遞各方向壓力，使粉料壓縮成型的方法，成形出的坯體外形規(guī)整，強(qiáng)度高，特別適合成型管狀等長徑比大的制品。

1試驗(yàn)過程

1.1 試驗(yàn)原料及設(shè)備

試驗(yàn)原料：碳化硅骨料（60目），超細(xì)高嶺土、硅微粉、滑石粉、鈦白粉、碳酸鋇、木屑以及粘結(jié)劑等。

主要設(shè)備：冷等靜壓機(jī)，電動抗折試驗(yàn)機(jī)，高溫?zé)Y(jié)爐，顯氣孔體密測定儀等。

1.2試樣的制備

以碳化硅顆粒為骨料搭建骨架，利用細(xì)粉作為陶瓷結(jié)合劑，將混合均勻的陶瓷結(jié)合劑緩緩加入骨料中混合均勻，然后將造孔劑加入到骨料中在轉(zhuǎn)動的混煉機(jī)中碾壓均勻，之后陳化24h。在等靜壓模具中等靜壓成型，尺寸為Φ60mm ×Φ40mm×750/1 500mm；成型后的試樣放入恒溫烘箱中進(jìn)行低溫烘干處理，在1 330℃下燒成，保溫時間為4h。

2 結(jié)果與討論

2.1碳化硅顆粒粒徑對碳化硅多孔陶瓷孔隙率及孔徑的影響

圖1中給出了碳化硅多孔陶瓷的孔隙率和孔徑隨碳化硅顆粒粒徑的變化規(guī)律。隨著碳化硅顆粒粒徑的減小，碳化硅多孔陶瓷的孔隙率不斷增大，氣孔平均孔徑不斷降低。滲透率和孔徑大小的公式如下：

μ=qr2/8ξ （1）

其中μ為滲透率；q為開氣孔隙率；r為氣孔半徑；ξ氣孔曲折度

由公式（1）看出，孔徑大小對滲透率的影響成平方的關(guān)系，而碳化硅多孔陶瓷的滲透率越大，其過濾壓降越小。有公式可知，氣孔孔徑的大小比孔隙率對過濾壓降的影響更大，有圖1中數(shù)據(jù)可知，碳化硅顆粒粒徑≥80目時，孔隙率雖然較高（≥39.8%），但是孔徑偏低（≤40.12μm），因此其過濾壓降偏高，高溫?zé)煔馔ㄟ^多孔陶瓷的阻力會增大，不利于高溫?zé)煔獾倪^濾。通過分析，碳化硅顆粒粒徑選取60目（212～250μm）時，制備的碳化硅多孔陶瓷的孔隙率和孔徑趨于平衡。因此制備碳化硅多孔陶瓷時選取的碳化硅的顆粒度為60目。

2.2碳化硅含量對碳化硅多孔陶瓷孔隙率的影響

通過圖2可以看出，隨著碳化硅含量的增加，孔隙率隨之增大，基本成線性關(guān)系。由于孔隙率的高低和孔徑的大小是影響過濾壓降的關(guān)鍵因素，因此本試驗(yàn)的主要目的是在具有一定抗折強(qiáng)度范圍的前提下盡可能的提高碳化硅多孔陶瓷的孔隙率和孔徑大小?？讖皆酱?，孔隙率越高，碳化硅多孔陶瓷的過濾壓降越小。碳化硅含量過高，陶瓷結(jié)合劑的含量相應(yīng)的減少，會導(dǎo)致碳化硅多孔陶瓷不易成型，且燒成時液相偏少，導(dǎo)致強(qiáng)度偏低；碳化硅含量過少，陶瓷結(jié)合劑的含量升高，使碳化硅多孔陶瓷的液相增加，使碳化硅多孔陶瓷燒成時更易變形，孔隙率降低，使得過濾壓降偏大，氣體的滲透率偏低。

通過研究發(fā)現(xiàn)，碳化硅的含量在88wt%時，制備的碳化硅多孔陶瓷的孔隙率和強(qiáng)度值趨于平衡。

2.3造孔劑含量對碳化硅多孔陶瓷孔隙率及孔徑大小的影響

在一般的陶瓷制備過程中，通過調(diào)節(jié)成型壓力、燒結(jié)溫度以及保溫時間，可以控制制品的孔隙率。但是成型壓力過低，雖然制品的孔隙率大，但是制品的強(qiáng)度會降低，易破碎；成型壓力過高，孔隙率會大幅度降低；燒結(jié)溫度太高或保溫時間較長會使部分氣孔封閉甚至消失，導(dǎo)致孔隙率降低，而燒結(jié)溫度太低或保溫時間較短，則制品燒結(jié)不完全，導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷偏多，相應(yīng)的力學(xué)性能顯著下降。對于多孔陶瓷，單純依靠成型壓力和燒結(jié)溫度以及保溫時間很難同時滿足強(qiáng)度和孔隙率的要求，因此需要引入部分造孔劑來改善多孔陶瓷的性能。造孔劑的引入在坯體中占據(jù)一定的空間，經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)，造孔劑燃燒或分解，從而留下一定的空隙，

引入的造孔劑需滿足兩個條件：一是不能和陶瓷基體進(jìn)行反應(yīng)；二是燒結(jié)過程中易排除，不會留下對多孔陶瓷性能影響的殘留物質(zhì)。在多孔陶瓷材料中，造孔劑的選取有很多種，常用的有活性炭粉、石墨、淀粉、聚乙烯醇、纖維素等。

而本試驗(yàn)采用的造孔劑為一定尺寸的木屑纖維作為造孔劑，有三大優(yōu)點(diǎn)：一是容易燒掉而不會留下殘留物；二是因?yàn)槔w維，加入后會對成型的坯體的強(qiáng)度有一定的提高；三是木纖維的比重輕，不會過多的增加坯體的重量。

結(jié)果如圖3所示，隨著造孔劑含量的提高，孔隙率基本呈現(xiàn)線性升高，抗折強(qiáng)度呈線性下降。雖然造孔劑的含量提高，孔隙率大幅度升高，碳化硅多孔陶瓷的過濾壓降降低，但是相應(yīng)的碳化硅多孔陶瓷的強(qiáng)度呈線性下降，在等靜壓成型、脫模過程以及使用過程中碳化硅多孔陶瓷易開裂破碎，使用壽命會大幅度縮短。由圖3可見，在保持抗折強(qiáng)度>20MPa的條件下，當(dāng)造孔劑含量在3wt%時，碳化硅多孔陶瓷的孔隙率為37.5%，抗折強(qiáng)度23.2Mpa，測試得到過濾壓降390Pa。此時制備的碳化硅多孔陶瓷性能較為理想。

圖4給出了添加造孔劑和未添加造孔劑的SEM照片，通過SEM圖發(fā)現(xiàn)，加入造孔劑后，不但孔隙率提高了，尤其是孔徑明顯增大了，由公式 μ=qr2/8ξ 推算分析，孔徑大小對過濾壓降的影響呈指數(shù)關(guān)系，孔徑比孔隙率對過濾壓降的影響更大。因此，大孔徑的碳化硅多孔陶瓷具有相對更低的過濾壓降，使得碳化硅多孔陶瓷具有更優(yōu)異的使用性能。

2.4 碳化硅多孔陶瓷的孔徑分布

通過研究發(fā)現(xiàn)，影響孔徑大小和分布的主要因素是碳化硅骨料的粒徑和含量以及造孔劑粒徑和含量。由于碳化硅為不規(guī)則形狀，加上表面粗糙，以及附著和凝聚的作用，結(jié)果顆粒互相交錯咬合，形成拱橋型空間，因此碳化硅多孔陶瓷的空隙是由碳化硅骨料之間以拱橋形式堆積產(chǎn)生的，這種結(jié)構(gòu)大大增大了空隙率。碳化硅顆粒粒徑越大，含量越高，形成的拱橋型空間越大，孔徑及孔隙率隨之增大。造孔劑的大小及含量對碳化硅多孔陶瓷的孔徑和空隙率也是主要影響因素之一。本文中選取的造孔劑為60目的木纖維（180～250μm），由于選取的造孔劑為纖維形態(tài)，具有一定的長度和粒徑大小，因此制備的碳化硅多孔陶瓷燒成后內(nèi)部結(jié)構(gòu)更容易形成開氣孔和孔的通道更為暢通，大大減少了閉氣孔的產(chǎn)生。使得制備的碳化硅多孔陶瓷的過濾壓降大幅度的降低，提高了氣體通過的效率和容量。

綜合碳化硅和造孔劑的含量以及粒徑的分析研究，選取一個較為合適的配比，采用等靜壓成型，成型尺寸為Φ60mm ×Φ40mm×750規(guī)格的產(chǎn)品，燒成后對其孔徑分布進(jìn)行了測試研究，其結(jié)果如圖5所示。

由圖5所示，制備的碳化硅多孔陶瓷的中值孔徑分布為90.8μm，而其他廠家相同的碳化硅多孔陶瓷的中值孔徑分布為55μm左右。因此本文研究的碳化硅多孔陶瓷具有更好的過濾效率和使用性能。

3 結(jié) 論

本文對碳化硅多孔陶瓷孔隙率進(jìn)行了研究，得出結(jié)論如下：

（1）通過研究，孔隙率和孔徑是影響碳化硅多孔陶瓷過濾壓降的兩大主要因素，且孔徑對過濾壓降的影響更顯著。

（2）碳化硅骨料選取60目，入量為88%時所制得的碳化硅多孔陶瓷的孔隙率和強(qiáng)度值趨于平衡，此時的孔隙率為37.5%，抗折強(qiáng)度在23.5MPa左右。

（3）本研究制備的碳化硅多孔陶瓷的中值孔徑分布為90.8μm，具有良好的過濾效率和使用性能。

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