淺析磷酸二氫鋁在氧化鋁泡沫陶瓷過濾板上作用機理

王霞

摘 要：本文以煅燒α-氧化鋁、高嶺土、硅微粉、長石粉等為基礎(chǔ)粉料配方，以磷酸二氫鋁溶液為粘結(jié)劑制備泡沫陶瓷漿料。簡述了磷酸二氫鋁溶液制備技術(shù)，研究了磷酸二氫鋁溶液含量及濃度對氧化鋁泡沫陶瓷漿料上漿性能、坯體干燥性能及燒結(jié)后成分和晶相組成的影響。結(jié)果表明：密度1.35 g/cm3的磷酸二氫鋁溶液，加入量在25～30%，可制備出具有較好粘性和觸變性的陶瓷漿料、較高強度的干燥坯體及結(jié)合牢固的產(chǎn)品晶相組成，適合應用于氧化鋁泡沫陶瓷過濾板。

關(guān)鍵詞：氧化鋁泡沫陶瓷；磷酸二氫鋁；性能；制備；機理

1 引言

氧化鋁泡沫陶瓷具有的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使其被廣泛應用于鋁及鋁合金熔體過濾領(lǐng)域。雖然其在環(huán)保、化工、能源、石油、生物陶瓷及催化劑載體等領(lǐng)域也在不斷嘗試應用，但由于泡沫陶瓷自身強度低、易掉渣、尺寸精度不高等特性，限制了其在諸多領(lǐng)域的推廣應用。目前，國內(nèi)氧化鋁泡沫陶瓷過濾板廠家針對的市場領(lǐng)域依然是鋁及鋁合金熔體過濾，且暫時還未能研究出相關(guān)產(chǎn)品取代其市場應用。因此，隨著鋁及鋁合金加工業(yè)的精密化發(fā)展，氧化鋁泡沫陶瓷也將得到進一步的發(fā)展與應用。

泡沫陶瓷的制備方法有多種，如發(fā)泡法、有機泡沫體浸漬法、溶膠凝膠法等，其中有機泡沫浸漬法具有設(shè)備少、制造成本低、工藝過程簡單等優(yōu)點，被廣泛應用于泡沫陶瓷生產(chǎn)廠家[1]。泡沫陶瓷是具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的多孔陶瓷體，是以多孔聚氨酯海綿為骨架，經(jīng)上漿、干燥、燒制等工藝制備而成，去除三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的有機前驅(qū)體，便形成一種開口氣孔率高（80～90%）、密度小（0.3～0.5 g/cm3）、比表面積大、壓力損失小的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)多孔體[2]。磷酸二氫鋁因其具有固化溫度低、粘結(jié)強度高、高溫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等特性，被選作配制泡沫陶瓷漿料粘結(jié)劑。針對磷酸鋁膠黏劑的制備應用，已經(jīng)被廣泛研究[3-5]。但用作泡沫陶瓷的磷酸二氫鋁的相關(guān)研究報道卻很少，本文主要針對磷酸二氫鋁在泡沫陶瓷生產(chǎn)過程中的作用機理進行了探討研究。

2 磷酸二氫鋁性能及制備技術(shù)

2.1磷酸二氫鋁性能

市場上出售的磷酸二氫鋁主要有固體和液體兩種狀態(tài)。固體的磷酸二氫鋁易溶于水，在常溫下與耐火骨料，硬化劑、水等混合均勻，經(jīng)90 ～110 °C干燥后便具備較高粘接強度，常用于耐火噴涂料、火泥、澆注料、搗打料、磷酸鹽磚。液體的磷酸二氫鋁適用于混煉、成型等現(xiàn)場施工，比如鑄造平臺上的間隙填補，經(jīng)風干后粘結(jié)劑具備較強的耐高溫、抗剝離、耐沖刷等性能?？紤]到車間生產(chǎn)配方工藝的需求，且磷酸二氫鋁多為廠家自制，氧化鋁泡沫陶瓷生產(chǎn)廠家多采用液體磷酸二氫鋁為粘結(jié)劑。

2.2磷酸二氫鋁溶液制備技術(shù)

泡沫陶瓷生產(chǎn)所需的磷酸二氫鋁溶液制備工藝相對簡單，制備原料為氫氧化鋁、磷酸和水，設(shè)備為聚丙烯耐酸反應釜、蒸汽發(fā)生器、耐酸自吸泵等。具體配制步驟如下：

（1）將85%濃度的磷酸倒入塑料池內(nèi)，操作人員需佩戴防護眼鏡及手套，防止磷酸腐蝕及濺入眼睛。

（2）開啟自吸泵將磷酸抽入反應釜內(nèi)，通過液面計控制磷酸加入量。

（3）啟動反應釜內(nèi)攪拌棒，加入規(guī)定重量自來水至反應釜內(nèi)，自來水重量可通過數(shù)顯水位流量計控制。

（4）將蒸汽機上蒸汽管插入反應釜溶液內(nèi)，開啟蒸汽機加熱磷酸和水的混合溶液至90℃，加入規(guī)定重量氫氧化鋁粉料，分多次少量加入，以免結(jié)塊；然后關(guān)閉蒸汽機，蓋上反應釜蓋子。

（5）待反應完全結(jié)束后，即反應釜內(nèi)為無色澄清溶液，關(guān)閉攪拌棒，待反應釜內(nèi)溶液冷卻后，放出磷酸二氫鋁溶液。

通過其反應方程式①可知，當P/Al摩爾比為3：1時，可配制出力學性能最好、粘度適中、穩(wěn)定性好、粘結(jié)性強的磷酸二氫鋁溶液[6]。再根據(jù)磷酸和氫氧化鋁的分子量可計算出各自的重量配比，重量比為49：13，為保證磷酸二氫鋁轉(zhuǎn)化充分，磷酸重量會適當增加約5%。配制時，加入適當比例的水，將磷酸二氫鋁溶液體積密度調(diào)為約1.35 g/cm3，再按比例加入泡沫陶瓷漿料配方中。

3H3PO4 + Al（OH）3 = Al（H2PO4）3 + 3H2O ①

3 磷酸二氫鋁在氧化鋁泡沫陶瓷中的配比

氧化鋁泡沫陶瓷漿料配方可分為兩個步驟，第一為粉料比例部分，第二為水劑比例部分。粉料比例部分是指將氧化鋁粉、高嶺土、硅微粉、長石粉、分散劑等按比例稱量并混合攪拌均勻。水劑部分是指將配制好的磷酸二氫鋁溶液按總重量的25～30%（根據(jù)不同網(wǎng)孔海綿的漿料粘稠度需要做出調(diào)節(jié)），粉料加入磷酸二氫鋁溶液后攪拌均勻制成漿料。

為了對比研究磷酸二氫鋁在泡沫陶瓷配方中的作用，我們將粉料比例部分的配比確定如下：煅燒α-氧化鋁 85%、高嶺土7%、硅微粉4%、長石粉3%、分散劑1%，見表1。而磷酸二氫鋁溶液（ρ=1.35g/cm3）比例從25 ～30%（該值為配料總重量的百分比）不等，取值為25%、28%、30%三個數(shù)值，見表2。

4 磷酸二氫鋁在泡沫陶瓷上作用機理

磷酸二氫鋁作為氧化鋁泡沫陶瓷漿料的稠度調(diào)節(jié)劑，坯體干燥后的粘結(jié)劑以及高溫燒成后的產(chǎn)品強度結(jié)合劑，其對泡沫陶瓷漿料、坯體、成品等性能都有著重要影響。

4.1磷酸二氫鋁對泡沫陶瓷漿料性能影響

以表1的粉料組分為基礎(chǔ)配方，加入磷酸二氫鋁溶液攪拌均勻調(diào)制成漿料，其中磷酸二氫鋁溶液的加入量可根據(jù)聚氨酯網(wǎng)孔海綿大小作出相應調(diào)整，從而達到最佳的掛漿性能。試驗結(jié)果表明，當磷酸二氫鋁密度為1.35 g/cm3時，漿料具有較好的粘性和觸變性；聚氨酯網(wǎng)孔海綿孔目越大（即PPI指數(shù)越低），需要加入的磷酸二氫鋁溶液比例越少，網(wǎng)孔與對應加入量數(shù)值見表3。

值得注意的是，剛配制好的陶瓷漿料與放置一天再使用的漿料，其粘性存在較大差異，即放置后的漿料粘性大，生產(chǎn)過程中應根據(jù)是否當天使用作出磷酸二氫鋁濃度的相應調(diào)整。

4.2磷酸二氫鋁對泡沫陶瓷坯體干燥后性能影響

上漿好的泡沫陶瓷坯體需經(jīng)干燥后，再噴漿、燒成。由于坯體需要經(jīng)過搬運、翻轉(zhuǎn)等操作，要求干燥后坯體具備一定強度。通過試驗發(fā)現(xiàn)，影響坯體干燥強度主要有兩個因素：磷酸二氫鋁濃度和干燥制度。

磷酸二氫鋁濃度對坯體性能影響表現(xiàn)為：磷酸二氫鋁濃度高，干燥后坯體強度高，但同時坯體容易回潮，放置一天后坯體便會出現(xiàn)軟化現(xiàn)象；反之濃度低，干燥后坯體強度不高，但不容易回潮。

干燥制度包括干燥溫度和干燥時間，對于日常生產(chǎn)而言，大都采用余熱熱風干燥，干燥溫度一般控制在90 ～110℃，干燥時間大于10 h。干燥溫度過低，磷酸二氫鋁未能表現(xiàn)出分子粘性，坯體強度不夠；干燥溫度過高，內(nèi)部聚氨酯海綿粉化，坯體容易脆裂。

4.3磷酸二氫鋁對泡沫陶瓷燒結(jié)后晶相組成的影響

為了進一步研究氧化鋁泡沫陶瓷晶相組成和成分含量，試驗采用表1的原料基礎(chǔ)配方和表2中2#的磷酸二氫鋁加入量（28%）組合，上漿尺寸17英寸（432×432×50 mm）網(wǎng)孔為30 PPI的聚氨酯海綿，再經(jīng)干燥、噴漿、燒成，制成泡沫陶瓷成品。產(chǎn)品經(jīng)1180℃燒結(jié)后，采用X熒光光譜分析和XRD衍射分析對成品進行成分含量和晶相分析，表4為氧化鋁泡沫陶瓷產(chǎn)品成分含量檢測結(jié)果，圖1為氧化鋁泡沫陶瓷產(chǎn)品XRD衍射圖譜。

從表4可以得出，氧化鋁泡沫陶瓷主要成分為Al2O3 、P2O5 和SiO2，三者約占97%。由于經(jīng)1180℃高溫燒成，這些成分并不是以單獨氧化物存在，而是以晶相形式存在，這樣可較好避免鋁液過濾過程中有氧化物滲出而污染鋁液。

圖1為氧化鋁泡沫陶瓷XRD衍射圖譜，圖譜顯示產(chǎn)品主晶相主要為α- Al2O3和AlPO4，其中α- Al2O3為剛玉相，含量約75%；AlPO4晶型為穩(wěn)定的三斜晶系正磷酸鋁，含量約22%。另外，還有少量（約3%）石英相的SiO2。XRD衍射圖譜表明，未能發(fā)現(xiàn)莫來石晶相。原因是由于燒結(jié)溫度偏低，沒有形成莫來石晶相，這也導致泡沫陶瓷產(chǎn)品強度較差。實際上，泡沫陶瓷產(chǎn)品的強度主要靠高溫下形成的三斜晶系磷酸鋁的粘結(jié)力提供，而磷酸鋁粘結(jié)力又是由Al-O-P-O-Al 穩(wěn)定鏈接的無機大分子結(jié)構(gòu)提供。

5 結(jié)語

通過試驗結(jié)果表明，磷酸二氫鋁溶液在氧化鋁泡沫陶瓷生產(chǎn)中主要起到三大作用：

（1）作為粘結(jié)劑，當磷酸二氫鋁密度為1.35g/cm3時，漿料具有較好的粘性和觸變性。同時，隨著磷酸二氫鋁溶液含量增加，上漿的海綿網(wǎng)孔變?。啄繑?shù)值越大）。

（2）磷酸二氫鋁溶液濃度越大，干燥后坯體強度越高，但坯體也越容易回潮。反之，磷酸二氫鋁溶液濃度越低，干燥后坯體強度越低，但不易回潮。

（3）經(jīng)過1180℃高溫燒結(jié)后，磷酸二氫鋁轉(zhuǎn)化為磷酸鋁，使得產(chǎn)品具有一定強度。氧化鋁泡沫陶瓷產(chǎn)品主要呈現(xiàn)剛玉、AlPO4三斜和少量石英晶相，產(chǎn)品強度主要依靠磷酸二氫鋁高溫生成磷酸鋁Al-O-P-O-Al間的結(jié)合力提供，產(chǎn)品強度不高。為此，建議將燒成溫度提高至1250℃以上，生成高強度的莫來石晶相來改善產(chǎn)品強度。

參考文獻

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