泡沫陶瓷過濾器用聚氨酯網(wǎng)狀海綿的應(yīng)用研究

王霞

摘 要：本文簡單介紹了聚氨酯泡沫海綿的分類，闡述了泡沫陶瓷過濾器用聚氨酯海綿載體的性能指標(biāo)要求。對比了氧化鋯、碳化硅和氧化鋁泡沫陶瓷過濾器分別所需聚氨酯海綿性能指標(biāo)；通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同材質(zhì)的泡沫陶瓷過濾器所需聚氨酯海綿的強(qiáng)度、彈性、比重、熔點(diǎn)等指標(biāo)性能也不一樣。其中，氧化鋯材質(zhì)泡沫陶瓷過濾器對聚氨酯海綿強(qiáng)度和彈性要求最高，其次碳化硅質(zhì)、氧化鋁質(zhì)泡沫陶瓷過濾器。試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，聚氨酯海綿性能對泡沫陶瓷產(chǎn)品收縮、通孔率和強(qiáng)度有較大影響，其中通孔率影響最大。

關(guān)健詞：泡沫陶瓷；網(wǎng)狀海綿；多孔；性能對比

1 前言

泡沫陶瓷過濾器（簡稱泡沫陶瓷CFF）是一種具有三維空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的高氣孔率（70 ～ 90%）的多孔陶瓷體，由于其具有密度小、強(qiáng)度大、耐高溫、比表面積大、氣孔率大及過濾吸附性好等優(yōu)點(diǎn)， 因此被廣泛地應(yīng)用于冶金、化工、輕工、食品、環(huán)保、節(jié)能等領(lǐng)域[1-2]。泡沫陶瓷作為第三代過濾器材，在金屬熔煉鑄造生產(chǎn)中應(yīng)用尤其廣泛。國內(nèi)80 ～ 90%的泡沫陶瓷都應(yīng)用于金屬熔體過濾凈化中，這也推動(dòng)了國內(nèi)金屬鑄造行業(yè)的快速發(fā)展，提升了鑄造的金屬制品成品率、機(jī)加工性能及理化性能。

泡沫陶瓷主體三大類主要有氧化鋯、碳化硅和氧化鋁泡沫陶瓷，其中氧化鋯泡沫陶瓷應(yīng)用于高溫（1500℃以上）的鋼材和高溫合金的鑄造，碳化硅泡沫陶瓷應(yīng)用于中溫（1200℃以上）的銅、鐵鑄造，氧化鋁泡沫陶瓷引用于低溫（700℃左右）的鋁及鋁合金等有色金屬的鑄造，不同材質(zhì)的泡沫陶瓷應(yīng)用領(lǐng)域不同?，F(xiàn)有泡沫陶瓷生產(chǎn)工藝大都采用有機(jī)泡沫浸漬上漿工藝，海綿前驅(qū)體的選擇對泡沫陶瓷性能的影響變得尤為重要。雖然關(guān)于泡沫陶瓷材料性能、工藝研究的文章很多，對泡沫陶瓷前驅(qū)體海綿改性研究的文章也有一些，如王哲等發(fā)表的“碳化硅基泡沫陶瓷載體的表面活化研究”[3]。但對聚氨酯海綿載體本身研究的文章較少，而海綿載體對泡沫陶瓷性能有著重要影響。

2 聚氨酯海綿分類

1937年德國Otto Bayer教授首先發(fā)現(xiàn)多異氰酸酯與多元醇化合物進(jìn)行加聚反應(yīng)可制得聚氨酯，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)入工業(yè)化應(yīng)用，英美等國1945～1947年從德國獲得聚氨酯樹脂的制造技術(shù)于1950年相繼開始工業(yè)化。日本1955年從德國Bayer公司及美國DuPont公司引進(jìn)聚氨酯工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)。20世紀(jì)50年代末我國聚氨酯工業(yè)開始起步，近十幾年發(fā)展較快。

聚氨酯（簡稱TPU）是由多異氰酸酯和聚醚多元醇或聚酯多元醇及小分子多元醇、多元胺或水等擴(kuò)鏈劑或交聯(lián)劑等原料制成的聚合物。通過改變原料種類及組成，可以大幅度地改變產(chǎn)品形態(tài)及其性能，得到從柔軟到堅(jiān)硬的最終產(chǎn)品。聚氨酯制品形態(tài)有軟質(zhì)、半硬質(zhì)及硬質(zhì)泡沫塑料、彈性體、油漆涂料、膠粘劑、密封膠、合成革涂層樹脂、彈性纖維等，廣泛應(yīng)用于汽車制造、冰箱制造、交通運(yùn)輸、土木建筑、鞋類、合成革、織物、機(jī)電、石油化工、礦山機(jī)械、航空、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)等許多領(lǐng)域[4]。

聚氨酯海綿塑料泡沫隨著石油化工的快速發(fā)展，也正處在高速發(fā)展當(dāng)中。聚氨酯塑料泡沫海綿所需的原材料多元醇、氰酸酯等都是石油化工煉制的副產(chǎn)品或副產(chǎn)品的衍生物。

2.1 開孔型和閉孔型聚氨酯海綿

聚氨酯海綿按照孔類型可分為開孔型和閉孔型。聚氨酯開孔型海綿具有三維網(wǎng)狀立體結(jié)構(gòu)，其骨架和氣孔相互貫通，具有很高的氣孔率（70 ～ 90%），能夠有效起到保溫、隔熱、過濾等效果。因此，被廣泛用于冶金、石油、水利等領(lǐng)域。閉孔型聚氨酯海綿具有較高的強(qiáng)度和硬度，被廣泛用于建筑板材、保溫材料等領(lǐng)域。

2.2 硬質(zhì)型和軟質(zhì)型聚氨酯海綿

聚氨酯海綿按照材質(zhì)的硬度可分為硬質(zhì)型和軟質(zhì)型。硬質(zhì)型聚氨酯海綿塑料主要用于家用電器隔熱層、屋墻面保溫防水噴涂泡沫、管道保溫材料、建筑板材、冷藏車及冷庫隔熱材等；軟質(zhì)型聚氨酯海綿主要用于家具及交通工具各種墊材、隔音材料等。

3 泡沫陶瓷用聚氨酯海綿載體要求

泡沫陶瓷所用的軟質(zhì)聚氨酯多孔網(wǎng)狀海綿，是由甲苯二異氰酸酯、聚醚多元醇、胺催化劑等化工原料發(fā)泡而成閉孔的海綿泡體，再用乙炔、氫氣和氧氣按比例將其除去表面膜層，開孔制成三維貫通網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的多孔海綿。開孔型聚氨酯海綿是泡沫陶瓷前驅(qū)體所需要的聚氨酯海綿類型，除了具有三維網(wǎng)狀立體的貫通網(wǎng)孔之外，不同材質(zhì)的泡沫陶瓷對聚氨酯海綿載體的要求也不一樣，詳見表1。

3.1 氧化鋯泡沫陶瓷對聚氨酯海綿性能的要求

氧化鋯泡沫陶瓷作為高溫型泡沫陶瓷，主要應(yīng)用在鑄鋼和高溫合金等高溫金屬熔體過濾方面，其整體用量不大，國內(nèi)生產(chǎn)此類泡沫陶瓷的廠家較少。氧化鋯泡沫陶瓷生產(chǎn)的技術(shù)難點(diǎn)主要有聚氨酯泡沫海綿載體質(zhì)量、氧化鋯燒結(jié)溫度控制以及氧化鋯晶相轉(zhuǎn)變導(dǎo)致的體積膨脹[5]。其中氧化鋯燒結(jié)溫度和氧化鋯晶相轉(zhuǎn)變是工藝上存在的問題，聚氨酯泡沫海綿載體的選擇是原材料質(zhì)量問題。

氧化鋯粉體真密度為5.7 g/cm3，比重較大。由部分穩(wěn)定氧化鋯粉及添加劑組成的陶瓷漿料具有比重大和流動(dòng)性好等特點(diǎn)，在泡沫陶瓷上漿工藝中，需要聚氨酯海綿載體具有漿料吸附性能好、通孔率好、海綿網(wǎng)線粗、彈性好以及拉伸強(qiáng)度高等特性。開孔型聚氨酯海綿密度只有0.03 ～ 0.05 g/cm3，海綿本身彈性不高，強(qiáng)度也較難滿足氧化鋯泡沫陶瓷制作工藝要求。導(dǎo)致了國內(nèi)海綿廠家生產(chǎn)的多孔海綿由于海綿彈性不高、強(qiáng)度不夠，不能夠滿足氧化鋯泡沫陶瓷的生產(chǎn)，生產(chǎn)中易出現(xiàn)坍塌、變形、收縮大等缺陷。

3.2 碳化硅泡沫陶瓷對聚氨酯海綿性能的要求

碳化硅泡沫陶瓷屬于中溫型泡沫陶瓷，主要用在鑄鐵和鑄銅等中溫金屬熔體過濾。相比氧化鋯泡沫陶瓷，國內(nèi)生產(chǎn)碳化硅泡沫陶瓷廠家要多。

碳化硅微粉的密度為3.2 g/cm3，堆積密度為1.2 ～ 1.6 g/cm3。碳化硅泡沫陶瓷所選用的碳化硅粉料為黑色β-SiC，采用二次掛漿工藝，燒結(jié)采用Al2O3-SiO2 結(jié)合碳化硅燒結(jié)的方法[6]。雖然碳化硅比重較氧化鋯小，但是其漿料重量對聚氨酯海綿載體依然要求有高彈性模量、高強(qiáng)度以及均勻的網(wǎng)孔分布。

3.3 氧化鋁泡沫陶瓷對聚氨酯海綿性能的要求

氧化鋁泡沫陶瓷屬于低溫型泡沫陶瓷，主要應(yīng)用于鋁及鋁合金等有色金屬熔體的過濾，是國內(nèi)生產(chǎn)產(chǎn)量最大的一類泡沫陶瓷。同時(shí)，由于鋁液鑄造的多為鑄棒工藝，其泡沫陶瓷過濾器尺寸相比氧化鋯和碳化硅要大。因?yàn)樗^濾的鋁液比重較輕，其對氧化鋁泡沫陶瓷過濾器強(qiáng)度等性能要求也就相對較低。國內(nèi)氧化鋁泡沫陶瓷研究時(shí)間早，生產(chǎn)工藝成熟，加之工藝要求不是很高，目前國內(nèi)廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量都較為穩(wěn)定。

氧化鋁泡沫陶瓷的主要原料為α-氧化鋁、高嶺土、硅微粉、長石以及磷酸二氫鋁，α-氧化鋁組分占到80%以上，漿料比重為2.3 ～ 2.6 g/cm3，比重較輕，對聚氨酯海綿的彈性、強(qiáng)度要求較低。

4 聚氨酯海綿對泡沫陶瓷性能影響

聚氨酯海綿作為生產(chǎn)泡沫陶瓷的原材料，對泡沫陶瓷性能有較大影響，其影響主要包括以下幾個(gè)方面。

4.1 產(chǎn)品收縮的影響

聚氨酯海綿載體的彈性和強(qiáng)度的大小對泡沫陶瓷的收縮有著直接影響，其中影響主要包括干燥過程和燒結(jié)過程兩部分。

4.1.1干燥過程中的收縮影響

目前，國內(nèi)大多泡沫陶瓷廠家采用對輥上漿工藝，海綿經(jīng)過對輥機(jī)壓縮及漿料附著后發(fā)生一定量的尺寸延伸，逆網(wǎng)上漿和順網(wǎng)上漿的兩邊延伸度不一樣，延伸率在1 ～ 3%。上漿過后海綿的回彈性決定了干燥后坯體的最終尺寸。對于彈性好、強(qiáng)度高的海綿，坯體延伸尺寸小，漿料分布均勻無盲孔，兩邊及厚度尺寸容易控制。對于彈性差、強(qiáng)度低或是不能滿足大比重漿料（如氧化鋯漿料）上漿的海綿，在上漿后坯體就會(huì)出現(xiàn)尺寸延伸大，厚度不能回彈或是回彈不均一，掛漿效果差等缺陷。

4.1.2燒成過程中的收縮影響

干燥后的坯體由于粘結(jié)劑的作用具有一定的強(qiáng)度，坯體經(jīng)過表面噴漿、二次干燥后進(jìn)入窯內(nèi)燒結(jié)。聚氨酯海綿在干燥過程中并沒有揮發(fā)掉，而是在燒結(jié)過程中的200 ～ 600℃中熔解、滲出表面和氧化揮發(fā)。聚氨酯海綿本身被陶瓷漿料包裹，熱量通過陶瓷漿料傳遞進(jìn)去，形成一個(gè)無氧燃燒過程，造成海綿的熔解、滲出，最后氧化揮發(fā)，強(qiáng)度高和彈性好的海綿能夠使坯體收縮緩慢。當(dāng)然，對于不同材質(zhì)的泡沫陶瓷制定的燒結(jié)溫度和燒結(jié)制度不一樣。

4.2 產(chǎn)品通孔率的影響

由于采用聚氨酯海綿作為泡沫陶瓷生產(chǎn)載體，聚氨酯海綿本身通孔率的大小就決定了生產(chǎn)出泡沫陶瓷通孔率的大小。要獲得高的產(chǎn)品通孔率，就要選擇同樣高的通孔率聚氨酯海綿，并且要求海綿網(wǎng)孔均勻、無盲孔、網(wǎng)線分布清晰等。因此，海綿通孔率和網(wǎng)孔質(zhì)量的好壞，對泡沫陶瓷過濾器通孔率及網(wǎng)孔質(zhì)量有著直接影響。比如要生產(chǎn)82%通孔率的泡沫陶瓷，就需要選擇85%以上通孔率的聚氨酯海綿，且要求網(wǎng)孔均勻。

4.3 產(chǎn)品強(qiáng)度的影響

聚氨酯海綿性能對產(chǎn)品強(qiáng)度也有著較大影響，主要表現(xiàn)為對坯體干燥后強(qiáng)度的影響和燒結(jié)過程中海綿揮發(fā)時(shí)坯體強(qiáng)度的影響。

4.3.1干燥后坯體強(qiáng)度的影響

干燥后坯體強(qiáng)度的大小對最終產(chǎn)品的影響主要表現(xiàn)為噴漿操作對坯體損傷的大小。干燥坯體強(qiáng)度越高，操作對其損傷程度越小，燒結(jié)后產(chǎn)品的強(qiáng)度也就越高。相反，產(chǎn)品強(qiáng)度越低。聚氨酯海綿強(qiáng)度越高、彈性越好，上漿后坯體具備的強(qiáng)度也就越高。

4.3.2燒結(jié)時(shí)坯體強(qiáng)度的影響

聚氨酯海綿在燒結(jié)揮發(fā)時(shí)，坯體強(qiáng)度越高、海綿揮發(fā)越緩慢，其受損程度就越小，生產(chǎn)出的產(chǎn)品強(qiáng)度也就越高。當(dāng)然，其主要影響產(chǎn)品強(qiáng)度的因素還是陶瓷漿料材質(zhì)、配方及燒結(jié)制度的影響。

5 結(jié)論

泡沫陶瓷用聚氨酯海綿載體具有三維網(wǎng)狀的立體結(jié)構(gòu)，聚氨酯海綿的密度、熔點(diǎn)、強(qiáng)度、彈性等性能對泡沫陶瓷過濾器的產(chǎn)品質(zhì)量有直接影響，具體包括如下兩點(diǎn)：

（1）不同材質(zhì)的泡沫陶瓷對聚氨酯海綿性能要求也不一樣，其中氧化鋯質(zhì)泡沫陶瓷對聚氨酯海綿載體性能要求最高，它要求聚氨酯海綿密度大于0.045 g/cm3、通孔率大于85%、熔點(diǎn)180 ～ 200℃、彈性好以及拉伸強(qiáng)度大于12 KPa；而碳化硅質(zhì)泡沫陶瓷對聚氨酯海綿性能要求相對較低；氧化鋁質(zhì)泡沫陶瓷對聚氨酯海綿性能要求最低。

（2）聚氨酯海綿的彈性、通孔率、強(qiáng)度對泡沫陶瓷產(chǎn)品最終的收縮、通孔率、強(qiáng)度影響較大，其中通孔率受海綿影響最大；海綿彈性好、通孔率高、強(qiáng)度高，對應(yīng)的產(chǎn)品收縮越小、通孔率越高、強(qiáng)度越高；反之產(chǎn)品收縮大、通孔率低、強(qiáng)度低。

參考文獻(xiàn)

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