陶瓷纖維催化劑載體的制備及其性能

吳漢陽(yáng)，徐 鵬

(江西博鑫精陶環(huán)?？萍加邢薰荆?萍鄉(xiāng) 337200)

催化劑載體應(yīng)用廣泛，如汽車(chē)的三元催化劑載體、脫硝催化劑載體及揮發(fā)性有機(jī)廢氣VOCs凈化用催化劑載體，利用催化劑載體負(fù)載催化劑的方式可以有效實(shí)現(xiàn)汽車(chē)尾氣凈化，燃煤電廠脫硝及揮發(fā)性有機(jī)廢氣VOCs的凈化處理[1-7]。

陶瓷纖維又稱(chēng)硅酸鋁纖維，主要成分之一為Al2O3，將陶瓷纖維經(jīng)化學(xué)黏結(jié)劑或機(jī)械作用不定向地結(jié)合在一起可以制成薄片狀纖維氈。通過(guò)適當(dāng)?shù)某尚凸に噷⒗w維氈制備成催化劑載體，再通過(guò)浸漬負(fù)載法可制備各種工業(yè)催化劑[8-9]，陶瓷纖維載體孔結(jié)構(gòu)豐富，比重和壁厚比傳統(tǒng)的蜂窩陶瓷載體大大降低[10-12]，比表面積顯著提高，浸漬負(fù)載較少的催化劑活性組分就能達(dá)到較高的催化效率，且活性組分負(fù)載牢固。本文利用陶瓷纖維氈為原料，通過(guò)適當(dāng)?shù)某尚凸に噷⒗w維氈制備成陶瓷纖維蜂窩載體，研究浸潤(rùn)助劑的用量、陶瓷纖維氈的干燥工藝及黏結(jié)劑濃度對(duì)陶瓷纖維蜂窩載體成型和性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原 料

以上海某節(jié)能材料廠的陶瓷纖維氈為主要原料，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的硅溶膠為成型液，十二烷基硫酸鈉(SDS)為浸潤(rùn)助劑，一定濃度的硅溶膠為黏結(jié)劑制備陶瓷纖維催化劑載體，陶瓷纖維氈厚度0.4 mm，抗張強(qiáng)度0.7 MPa，有機(jī)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)<6%，密度150 kg·m-3。

1.2 陶瓷纖維催化劑載體的制備

以質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%硅溶膠為成型液，添加一定量的SDS作浸潤(rùn)助劑，將陶瓷纖維氈浸入成型液中充分潤(rùn)濕后取出干燥。以上海某機(jī)械設(shè)備廠生產(chǎn)的瓦楞機(jī)作波紋成型設(shè)備，瓦楞輥齒高1.5 mm，齒距2.8 mm，將干燥后的陶瓷纖維氈經(jīng)瓦楞機(jī)輥壓得到波紋式陶瓷纖維，與未成型的陶瓷纖維氈交替貼合，再浸漬黏結(jié)劑后干燥，得到陶瓷纖維催化劑載體。陶瓷纖維催化劑載體的制備工藝流程如圖1所示。

圖1 陶瓷纖維催化劑載體的制備工藝流程Figure 1 Preparation process of ceramic fiber honeycomb carrier

1.3 陶瓷纖維催化劑載體的成型及性能表征

采用SDC-100S光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)量成型液在陶瓷纖維氈表面的接觸角。

觀察成型過(guò)程中陶瓷纖維氈與成型輥的粘附情況，用精度0.01 mm卡尺測(cè)量成型后波紋陶瓷纖維的波紋高度和間距。

按照GB/T1964-1996標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試樣品的抗壓強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 浸潤(rùn)助劑用量對(duì)陶瓷纖維氈潤(rùn)濕性能的影響

采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%硅溶膠作陶瓷纖維氈的成型液，通過(guò)添加一定量的浸潤(rùn)助劑SDS來(lái)改善纖維氈的潤(rùn)濕性能。表1為浸潤(rùn)助劑用量與陶瓷纖維氈潤(rùn)濕性能，圖2為不同浸潤(rùn)助劑用量下成型液對(duì)陶瓷纖維氈的潤(rùn)濕性能。

表1 浸潤(rùn)助劑用量與陶瓷纖維氈潤(rùn)濕性能Table 1 Amount of soaking additive and wetting property of ceramic fiber mat

圖2 不同浸潤(rùn)助劑用量下成型液對(duì)陶瓷纖維氈的潤(rùn)濕性能Figure 2 Wetting performance of molding fluid on ceramic fiber mat under different amounts of soaking additive

從圖2可以看出，添加SDS后成型液在纖維氈表面的潤(rùn)濕性能明顯改善。從表1可以看出，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%的SDS后，成型液液滴與纖維氈表面的接觸角由120.65°迅速下降至20.08°，隨著SDS用量增加，接觸角進(jìn)一步下降，潤(rùn)濕性能相應(yīng)提高。當(dāng)SDS質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.2%提高到0.5%時(shí)，接觸角下降不太明顯。因此，從實(shí)際考慮，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%的SDS可以有效改善陶瓷纖維氈在成型液中的浸潤(rùn)性能。

2.2 干燥工藝對(duì)陶瓷纖維氈成型及結(jié)構(gòu)的影響

在成型液中浸漬潤(rùn)濕的陶瓷纖維氈需要經(jīng)適當(dāng)?shù)墓に嚫稍?，再?jīng)輥壓才能保持成型后的波紋式陶瓷纖維結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足要求。干燥程度不足，陶瓷纖維氈易粘附成型輥，干燥過(guò)于徹底，波紋結(jié)構(gòu)難以成型或波紋參數(shù)無(wú)法達(dá)到要求，表現(xiàn)為波紋高度偏低，波紋間距過(guò)大。圖3為不同干燥工藝下成型的波紋式陶瓷纖維。由圖3可以看出，不同的干燥工藝，陶瓷纖維成型后的波紋高度和間距差別較大。

圖3 不同干燥工藝下成型的波紋式陶瓷纖維Figure 3 Corrugated ceramic fibers formed under different drying processes

通過(guò)控制干燥溫度和干燥時(shí)間調(diào)整陶瓷纖維氈的干燥程度，確保波紋式陶瓷纖維的成型結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足技術(shù)要求。據(jù)成型要求，陶瓷纖維氈成型后的波紋高度應(yīng)為(1.6±0.05)mm，波紋間距應(yīng)為(3.0±0.1)mm。表2為不同干燥工藝條件下陶瓷纖維氈的成型及波紋結(jié)構(gòu)參數(shù)。由表2可以看出，在干燥溫度120 ℃和干燥時(shí)間2 min條件下，纖維氈干燥不足，輥壓成型時(shí)易粘附成型輥；延長(zhǎng)干燥時(shí)間至5 min，干燥程度滿(mǎn)足成型要求，成型后波紋結(jié)構(gòu)參數(shù)接近成型要求，但由于干燥時(shí)間較長(zhǎng)，成型效率較低。干燥溫度150 ℃和干燥時(shí)間2 min時(shí)，陶瓷纖維氈的成型效果最好，成型后波紋結(jié)構(gòu)參數(shù)達(dá)到最佳成型要求。當(dāng)干燥溫度提高到180 ℃時(shí)，成型后波紋高度降低，波紋間距增加，結(jié)構(gòu)難以滿(mǎn)足技術(shù)要求甚至難以成型。從實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用考慮，潤(rùn)濕后纖維氈的優(yōu)選干燥溫度為150 ℃，干燥時(shí)間為2 min。

表2 不同干燥工藝下陶瓷纖維氈的成型及波紋結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Molding and corrugated structure parameters of ceramic fiber mat under different drying processes

2.3 黏結(jié)劑濃度對(duì)催化劑載體抗壓強(qiáng)度的影響

輥壓成型得到的波紋式陶瓷纖維與未成型陶瓷纖維氈交替貼合，分別浸入質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%、20%、30%和40%的硅溶膠黏結(jié)劑，待充分浸漬后取出烘干，制得陶瓷纖維催化劑載體。成型后的陶瓷纖維催化劑載體各軸向示意圖如圖4所示。按照GB/T1964-1996標(biāo)準(zhǔn)分別制樣并測(cè)試樣品各個(gè)軸向的抗壓強(qiáng)度。

圖4 陶瓷纖維催化劑載體的軸向示意圖Figure 4 Axial schematic view of ceramic fiber honeycomb carrier

表3為不同濃度的黏結(jié)劑粘結(jié)強(qiáng)化后陶瓷纖維催化劑載體各軸向的抗壓強(qiáng)度。

表3 經(jīng)不同濃度的粘結(jié)劑粘結(jié)強(qiáng)化后陶瓷纖維催化劑載體的抗壓強(qiáng)度Table 3 Compressive strength of ceramic fiber honeycomb carrier after being strengthened by different concentrations of binder

由表3可以看出，纖維催化劑載體的抗壓強(qiáng)度隨著黏結(jié)劑濃度的增加而提高，質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%的黏結(jié)劑粘結(jié)強(qiáng)化后，纖維催化劑載體的A、B、C軸的抗壓強(qiáng)度分別為0.23 MPa、0.16 MPa和0.72 MPa，進(jìn)一步提高黏結(jié)劑濃度，經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%的黏結(jié)劑粘結(jié)強(qiáng)化后，載體的抗壓強(qiáng)度提升不大。綜合成本和性能，確定用于陶瓷纖維催化劑載體粘結(jié)強(qiáng)化的粘結(jié)劑為質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%的硅溶膠。

3 結(jié) 論

利用陶瓷纖維氈為原料，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%硅溶膠為成型液，SDS作浸潤(rùn)助劑，能顯著提高陶瓷纖維氈的潤(rùn)濕性能，纖維氈經(jīng)成型液潤(rùn)濕后在適當(dāng)?shù)母稍飾l件下干燥，以瓦楞機(jī)作成型設(shè)備，經(jīng)輥壓可獲得成型效果較好、波紋結(jié)構(gòu)參數(shù)理想的波紋式陶瓷纖維，波紋陶瓷纖維與未成型的陶瓷纖維氈交替貼合，再浸漬黏結(jié)劑粘結(jié)強(qiáng)化后干燥制得陶瓷纖維催化劑載體，適當(dāng)調(diào)整黏結(jié)劑濃度可進(jìn)一步獲得各軸向抗壓強(qiáng)度都較高的陶瓷纖維催化劑載體。

確定了陶瓷纖維催化劑載體的最優(yōu)成型工藝： 質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%的SDS添加到10%的硅溶膠成型液中作浸潤(rùn)助劑，潤(rùn)濕后的陶瓷纖維氈150 ℃干燥2 min， 經(jīng)成型設(shè)備輥壓成波紋式陶瓷纖維，與未成型的陶瓷纖維氈交替貼合后浸漬質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%的硅溶膠粘結(jié)強(qiáng)化，制得成型效果好、抗壓性能優(yōu)良的陶瓷纖維催化劑載體。