木炭作為造孔劑制備石英質(zhì)多孔陶瓷

陳麗芳，張建新，鞏明玄，陳林，張佳

木炭作為造孔劑制備石英質(zhì)多孔陶瓷

陳麗芳1,2，張建新1，鞏明玄1，陳林1,2，張佳1,2

（1. 萍鄉(xiāng)學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院；2. 萍鄉(xiāng)學(xué)院 江西省工業(yè)陶瓷重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 萍鄉(xiāng) 337000）

以木炭作為造孔劑，采用添加造孔劑法制備了石英質(zhì)多孔陶瓷，測(cè)定了燒結(jié)試樣的顯氣孔率、吸水率、力學(xué)性能，用X射線衍射（XRD）分析了試樣在燒結(jié)后的物相組成，用掃描電鏡（SEM）觀察其形貌。結(jié)果表明：隨著木炭顆粒的粒徑由1 mm增大到2.5 mm，粉體的流動(dòng)性降低，燒成后孔隙明顯分布不均勻；隨著木炭顆粒的添加量增加，燒結(jié)體的孔隙率隨之增加，當(dāng)木炭顆粒添加量大于35%，燒結(jié)體的邊緣開(kāi)始出現(xiàn)孔隙坍塌。綜合多孔陶瓷的各項(xiàng)性能，采用木炭顆粒的粒徑為1 mm作為造孔劑制備出的多孔陶瓷的孔隙分布均勻性最好，且其添加的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不宜超過(guò)35%。

造孔劑；木炭；多孔陶瓷；顯微結(jié)構(gòu)

引言

多孔陶瓷是一種經(jīng)高溫?zé)?，燒結(jié)體中具有大量彼此相通或閉合氣孔的陶瓷材料[1]，因此既具有傳統(tǒng)陶瓷的化學(xué)穩(wěn)定性好，又具有良好的過(guò)濾和吸附性能[2]，廣泛地應(yīng)用于各種環(huán)保、能源、化工、冶金等領(lǐng)域[3-11]。

目前制備多孔陶瓷的方法有添加造孔劑法、有機(jī)泡沫浸漬法、發(fā)泡法、溶膠凝膠法、冷凍干燥法等[4]，其中添加造孔劑法在多孔陶瓷制備中應(yīng)用廣泛，添加造孔劑法是陶瓷配料中添加造孔劑，利用造孔劑在高溫下燃盡或揮發(fā)而在陶瓷體中留下孔隙[12]。造孔劑的品種主要有無(wú)機(jī)和有機(jī)兩類，無(wú)機(jī)造孔劑有碳酸銨、碳酸鈣、氯化銨等高溫可分解鹽類以及各種碳粉；有機(jī)造孔劑主要是一些天然纖維素、高分子聚合物和有機(jī)酸等，如鋸末、淀粉、甲基丙烯酸甲酯等[4]。其中由于制造木炭的來(lái)源廣泛，成本較低，袁永兵等[13]采用木炭作為造孔劑制備出了多孔莫來(lái)石陶瓷；朱素娟[14]等用木炭為造孔劑制備了多孔石英質(zhì)陶瓷膜，因此本文結(jié)合萍鄉(xiāng)市當(dāng)?shù)氐奶沾僧a(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展需求[15]，利用萍鄉(xiāng)市當(dāng)?shù)氐牡V物資源優(yōu)勢(shì)和礦物原料來(lái)開(kāi)發(fā)低成本的石英質(zhì)多孔陶瓷。

本文以石英、滑石和高嶺土為主要原料，羧甲基纖維素為成形劑，添加木炭顆粒作為造孔劑，制備多孔陶瓷，探討了木炭顆粒大小及含量對(duì)多孔陶瓷的宏觀形貌、物理性能和孔隙結(jié)構(gòu)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

將木炭破碎后分別過(guò)8目、12目和18目標(biāo)準(zhǔn)篩，獲得粒度分別為2.5 mm、1.6 mm和1.0 mm的木炭顆粒，作為造孔劑之用。木炭為日常取暖用的塊狀木炭，石英和長(zhǎng)石均采購(gòu)自萍鄉(xiāng)市某陶瓷原料加工廠，黏土采購(gòu)自萍鄉(xiāng)市南坑泥。

采用“添加造孔劑法”來(lái)制備多孔陶瓷，首先將石英、黏土、長(zhǎng)石和羧甲基纖維素按質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為66.7%、14.3%、14.3%和4.7%進(jìn)行配料，在臥式球磨機(jī)（長(zhǎng)沙米淇?jī)x器設(shè)備有限公司，型號(hào)：GMS5-8）中以為150轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速進(jìn)行球磨5 h后，將漿料烘干、過(guò)篩得到混合料A，然后將混合料A和木炭（木炭的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為20%，25%，30%，35%，40%，即固定木炭的質(zhì)量分?jǐn)?shù)后改變混合料A的添加量）在陶瓷研缽中混合均勻后，采用手動(dòng)壓片機(jī)壓制出φ30 mm的圓柱狀樣品，成型的壓制壓力為5 MPa，最后將樣品放在高溫箱式電阻爐（洛陽(yáng)市西格馬儀器有限公司，型號(hào)：SGM-3817-C）中1150℃保溫30 min。本實(shí)驗(yàn)中破碎過(guò)篩后的2.5 mm、1.6 mm和1.0 mm的木炭顆粒分別按照以上方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

采用煮沸法測(cè)定燒成試樣的顯孔隙率和體積密度；采用島津AG-IC型力學(xué)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)定燒成試樣的抗壓強(qiáng)度；采用日立SU8010型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察試樣的微觀結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與討論

2.1 物相分析

圖1為不同木炭含量的試樣燒成后的X射線衍射結(jié)果，添加的木炭粒度為1.0 mm。從圖中可以看出20%、25%、30%、35%和40%的木炭造孔劑含量的多孔陶瓷的X射線衍射峰基本相同，說(shuō)明造孔劑的含量未對(duì)多孔陶瓷的物相產(chǎn)生影響，燒成后試樣的主要物相為石英、硅酸鎂和硅酸鈣鎂。

圖1 不同木炭含量的試樣燒成后的XRD圖譜

2.2 造孔劑的脫除

圖2為顆粒粒度為1.0 mm的木炭顆粒的SEM形貌圖，從圖中可以看出經(jīng)破碎過(guò)篩后的木炭顆粒形貌。木炭的綜合熱分析結(jié)果如圖3所示，從DSC曲線可以看到有個(gè)較大的放熱峰，其溫度區(qū)間大致可以分為70℃~580℃，同時(shí)從TG曲線可以看到，大致從380℃開(kāi)始到580℃質(zhì)量發(fā)生急劇變化，在580℃后木炭基本燃燒充分。從DSC和TG曲線可以分析得出，在升溫至580℃的過(guò)程盡可能的緩慢，以免由于加熱升溫過(guò)快木炭燃燒所形成的熱應(yīng)力導(dǎo)致坯體開(kāi)裂。

圖2 木炭顆粒的SEM照片

圖3 木炭的TG-DSC曲線

2.3 不同粒徑木炭顆粒制備的多孔陶瓷

圖4為不同粒徑木炭顆粒造孔劑制備的多孔陶瓷的宏觀形貌，（a）為2.5 mm，（b）為1.6 mm，（c）為1.0 mm，木炭的添加量為35%。從圖中可以看出木炭顆粒越大，所制備的多孔陶瓷孔徑越大，且木炭顆粒越大所制備的多孔陶瓷的表面孔徑越不均勻。這一方面是由于混料方式是在研缽中進(jìn)行，木炭顆粒越大而混合料較細(xì)會(huì)造成粉末混合不均勻，且難以避免，然后混合料在倒入模具的過(guò)程中由于密度差異會(huì)有偏析，另一方面從圖2中可以看出，使用的木炭顆粒呈針狀，因此木炭顆粒越大越會(huì)造成混合料的流動(dòng)性越差，綜合以上采用顆粒粒徑為1 mm的木炭作為造孔劑。

圖4 不同粒徑木炭顆粒造孔劑制備的多孔陶瓷

2.4 不同木炭含量制備的多孔陶瓷

2.4.1 不同木炭含量制備的多孔陶瓷的宏觀形貌

圖5為不同木炭含量作造孔劑制備的多孔陶瓷的宏觀形貌，（a）為20%，（b）為25%，（c）為30%，（d）為35%，（e）為40%，從圖中可以看到，隨著木炭含量的增加宏觀的孔隙逐漸增加，當(dāng)木炭添加量20%-30%，樣品燒結(jié)后保存完整的外觀形貌，當(dāng)木炭的添加量增加到35%后，試樣圖5（d）、（e）的邊緣開(kāi)始出現(xiàn)缺邊角以及孔隙坍塌現(xiàn)象，這主要是因?yàn)闊Y(jié)后木炭的脫除留下了大量的孔隙，當(dāng)木炭的添加量超過(guò)35%后，大量的造孔劑造成部分陶瓷顆粒間未能接觸燒結(jié)，而燒結(jié)后的收縮率未能補(bǔ)償由造孔劑形成的孔隙率，從而導(dǎo)致了燒結(jié)體結(jié)構(gòu)的部分坍塌。另外，從表1中也可以看出，隨著造孔劑添加量的增加多孔陶瓷的孔隙率也增加，隨著孔隙率的增加，孔隙的連接可能性增大，從而會(huì)造成試樣開(kāi)始出現(xiàn)缺邊角。

圖5 不同木炭含量造孔劑制備的多孔陶瓷

2.4.2 不同木炭含量制備的多孔陶瓷的物理性能

將分別添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%、25%、30%、35%和40%的木炭顆粒燒成得到的多孔陶瓷，分別編號(hào)為M20、M25、M30、M35和M40，測(cè)定其顯氣孔率、收縮率、相對(duì)密度和抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如表1所示。由表1可知，隨著木炭含量從20%增加到40%，試樣的顯孔隙率由53.5%逐漸增加到65.4%，同時(shí)由于造孔劑的添加量增加也會(huì)使試樣的收縮率增加，密度也逐漸降低。從表中也可以得出隨著造孔劑的增加試樣的抗壓強(qiáng)度降低很明顯，這主要是由于造孔劑的逐漸增加降低了陶瓷骨料顆粒之間的粘結(jié)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié)后，隨著造孔劑的脫除在原來(lái)的位置形成了孔隙，雖然隨著造孔劑增加收縮率有所增加但并未減少由造孔劑的脫除所留下的孔隙，同時(shí)多孔陶瓷的孔壁隨著木炭造孔劑的增加而變薄，多孔陶瓷的顆粒間的燒結(jié)頸變細(xì)，因此造孔劑的增加降低了試樣燒成后的抗壓強(qiáng)度。

表1 木炭含量制備的多孔陶瓷的物理性能

2.5 顯微結(jié)構(gòu)分析

圖6木炭添加量為35%、木炭顆粒大小為1.0mm制備的多孔陶瓷不同方向的孔隙結(jié)構(gòu)，圖6（a）縱向斷面（平行壓制方向）的孔隙形貌，圖6（b）橫向斷面（垂直壓制方向）的孔隙形貌。從圖中可以看出縱向孔隙長(zhǎng)度要明顯高于橫向，結(jié)合圖2可見(jiàn)，木炭顆粒形貌為針狀，由于木炭顆粒是針狀，同時(shí)壓制的方向向下，在成型的過(guò)程中木炭顆粒會(huì)發(fā)生重排，導(dǎo)致縱向排列的木炭顆粒多于橫向的木炭顆粒，因此木炭燒成脫除后，在木炭原來(lái)位置形成了保留木炭形貌的孔隙，且縱向排列的孔隙形貌接近于木炭的長(zhǎng)度方向。

圖6 木炭造孔劑制備的多孔陶瓷的孔隙結(jié)構(gòu)

結(jié)論

（1）采用2.5 mm、1.6 mm、1 mm粒徑的木炭顆粒作為造孔劑可以制備出多孔陶瓷，當(dāng)木炭顆粒粒徑為1 mm時(shí)，粉末流動(dòng)性較好且所制備出來(lái)的試樣宏觀孔隙形貌均勻；

（2）當(dāng)木炭顆粒的添加量為20%~40%時(shí)，孔隙率為53.5%~65.4%，隨著木炭的添加量增加，試樣的抗壓強(qiáng)度明顯降低，當(dāng)木炭顆粒的添加量超過(guò)35%試樣邊緣開(kāi)始掉邊角及孔隙坍塌；

（3）采用木炭顆粒作為造孔劑制備出的多孔陶瓷的孔隙結(jié)構(gòu)具有一定的方向性，縱向的孔隙形貌相對(duì)于橫向的孔隙形貌呈長(zhǎng)條狀，孔隙的形貌與木炭顆粒的相似。

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Preparation of Quartz Porous Ceramics with Charcoal as Porogen

CHEN Li-fang1,2, ZHANG Jian-xin1, GONG Ming-xuan1, CHEN Lin1,2, ZHANG Jia1,2

(1. School of Materials and Chemical Engineering, Pingxiang University; 2. Key Laboratory of Industrial Ceramics of Jiangxi Province, Pingxiang University, Pingxiang Jiangxi 337000, China)

Quartz porous ceramics were prepared by using charcoal as a porogen. The apparent porosity, water absorption and mechanical properties of the samples were measured; The phase compositions of the samples were observed by X-ray diffraction (XRD) and their structure were scanned by electron microscope (SEM). The results show that with the increase of charcoal particle size from 1 mm to 2.5 mm, the fluidity of the powder decreased, and the pores on sintered samples were obviously unevenly distributed. With the increase of charcoal, the porosity of the samples increased. When more than 35% of the charcoal was added, the pores along the edge of the sintered samples began to collapse. Considering the properties of porous ceramics, the porous ceramics prepared by 1mm charcoals as porogen have the best uniformity of pore distribution and their added mass fraction should not exceed 35%.

porogen; charcoal; porous ceramics; microstructures

2020-06-07

陳麗芳（1983—），女，江西萍鄉(xiāng)人，中級(jí)工程師，碩士，研究方向：陶瓷材料研究及應(yīng)用。

TQ174.75

A

2095-9249（2020）03-0053-04

〔責(zé)任編校：范延琛〕