鎂渣制造多孔陶瓷濾球的氣孔率調(diào)控研究

高利寧

（榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，陜西 榆林 719000）

多孔陶瓷是指經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)和特殊成型工藝制備，孔洞較多的一種無機(jī)非金屬材料，在耐高溫、堿腐蝕、耐酸方面的優(yōu)勢(shì)較大，同時(shí)自身具有比表面積大、開口孔隙率高、孔結(jié)構(gòu)可控等優(yōu)質(zhì)特點(diǎn)，所以在吸附、過濾分散、分離、滲透換熱、吸聲、隔熱、隔音、傳感、載體以及生物醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域都有著非常廣泛的應(yīng)用。我國(guó)在以固廢為原料的制備研究中，針對(duì)多孔陶瓷領(lǐng)域開展了積極的研究工作。本文將粉煤灰、鎂渣等為原材料，制備鎂渣基多孔陶瓷,并對(duì)多孔陶瓷的理化特性和實(shí)際孔隙參數(shù)展開分析，研究原料最終配比、添加劑制備工藝等因素的變化對(duì)多孔陶瓷的實(shí)際性能產(chǎn)生的影響。

1 實(shí)驗(yàn)過程

此次實(shí)驗(yàn)的主要原料為鎂工業(yè)廢渣，通過添加適量高溫成孔劑石墨、低溫成孔劑煤粉以及白云石這三種不同類型的成孔劑來調(diào)控多孔陶瓷濾球氣孔率。試驗(yàn)期間選用阿基米德原理中的靜力稱重法對(duì)樣品實(shí)際顯氣孔率(Pa)、吸水率(Wa)、以及體積密度（D）進(jìn)行相關(guān)測(cè)試[1]。選擇英國(guó)生產(chǎn)的INSTRON8800壓力測(cè)試機(jī)對(duì)樣品的實(shí)際壓碎強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)。選擇日本生產(chǎn)的DMAX- I型X-ray衍射儀對(duì)樣品組成進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)再利用日本生產(chǎn)的JSM-5610LV型掃描電鏡對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品的顯微結(jié)構(gòu)予以研究。本次實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用到的主要化學(xué)組成結(jié)構(gòu)詳情見表1和表2。

圖1 樣品制備工藝具體流程圖

表1 化學(xué)原料成分表

表2 系列實(shí)驗(yàn)配方組成表

1100℃期間，A-1氣孔率數(shù)值為56.81%；如果燒成溫度1140℃，此時(shí)A-1中的氣孔率標(biāo)準(zhǔn)為44.12%，超出未添加煤粉之前的樣品A-0實(shí)際氣孔率標(biāo)準(zhǔn)為36.24%。煤粉成分主要是碳元素，在300℃～600℃時(shí)會(huì)發(fā)生燃燒現(xiàn)象，屬低溫成孔劑，此時(shí)氧化反應(yīng)表示：C+O2=CO2、C+CO2=2C0、2C+O2=2CO。伴隨著溫度的持續(xù)升高，此反應(yīng)會(huì)釋放氣體，在濾球坯體內(nèi)部形成氣孔。并且燒成溫度超過標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，配料結(jié)構(gòu)中的硅酸鹽因其低共熔點(diǎn)的原因會(huì)促進(jìn)液相燒結(jié)，導(dǎo)致液相生成量超標(biāo)，氣孔堵塞并造成氣孔率持續(xù)下降[2]。

由表3內(nèi)容可知，吸水率實(shí)時(shí)變化趨勢(shì)會(huì)和顯氣孔率變化呈現(xiàn)出基本一致的發(fā)展趨勢(shì)，體積密度的實(shí)時(shí)變化趨勢(shì)則會(huì)與顯氣孔率變化發(fā)展趨勢(shì)大致相反[3]。說明該系列濾球結(jié)構(gòu)中的成氣孔均大多為開氣孔，更加有助于過濾性能的實(shí)現(xiàn)。

表3 系列樣品最終的Wa、Pa、D測(cè)試結(jié)果

表4 1100℃燒成部分的樣品性能

2 分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果并討論

2.1 不同成孔劑對(duì)樣品氣孔率的理論影響

表3是燒成樣品的氣孔率Pa、吸水率Wa、體積密度D的測(cè)試結(jié)果。

由表3可見，樣品A-2、A-3、A-4中添加的石墨量分別是10%、15%、20%，在其燒成溫度標(biāo)準(zhǔn)為1100℃期間，添加的石墨量越高，其自身的氣孔率越高。此時(shí)材料的燒成溫度標(biāo)準(zhǔn)為1140℃，A-2、A-3、A-4產(chǎn)生的氣孔率均會(huì)有所降低，數(shù)值分別為35.32%、37.12%、32.89%，這些數(shù)據(jù)說明溫度越高時(shí)，液相量生成量越大，氣孔堵塞，氣孔率逐漸降低[4]。

表3內(nèi)容表明，A系列的各個(gè)實(shí)驗(yàn)樣品實(shí)際氣孔率會(huì)伴隨石墨和煤粉添加量的逐漸增加而上升，并且兩者之間的增大趨勢(shì)相同。但是，在白云石添加量不斷增加的過程中，會(huì)有部分反常現(xiàn)象發(fā)生，這主要與其自身組成結(jié)構(gòu)有關(guān)。白云石材料的成分主要為MgCO3和CaCO3，該材料在燒成期間會(huì)產(chǎn)生分解反應(yīng)，進(jìn)而釋放出大量CO2氣體形成氣孔。處于高溫環(huán)境下會(huì)分解出CaOMgO助溶劑，有利于陶瓷實(shí)驗(yàn)樣品強(qiáng)度的加強(qiáng)。由表3內(nèi)容可以看到，將白云石作為成孔劑的實(shí)驗(yàn)樣品的氣孔率以及吸水率數(shù)值均會(huì)比較低，主要原因是高溫環(huán)境下MgO、CaO兩者與配料結(jié)構(gòu)中的SiO2反應(yīng)生成硅酸鹽玻璃相，進(jìn)而填充部分已經(jīng)形成的孔，最后導(dǎo)致氣孔率持續(xù)降低[5]。

2.2 不同成孔劑對(duì)樣品氣孔率的實(shí)際影響

成孔劑種類同樣會(huì)對(duì)樣品強(qiáng)度造成影響，尚未加成孔劑的實(shí)驗(yàn)樣品A-0的實(shí)際抗壓碎強(qiáng)度數(shù)值為13.32MPa；采用煤粉作為成孔劑的實(shí)驗(yàn)樣品A-1，其自身抗壓碎強(qiáng)度數(shù)值為12.98MPa；石墨成孔劑的實(shí)驗(yàn)樣品A-4自身的抗壓碎強(qiáng)度數(shù)值為34.21MPa；白云石成孔劑的實(shí)驗(yàn)樣品A-6自身的實(shí)際抗壓碎強(qiáng)度數(shù)值為10.01MPa。最終測(cè)試結(jié)果表明成孔劑種類會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品的實(shí)際抗壓碎強(qiáng)度造成影響，影響順序?yàn)椋菏?煤粉>白云石?？傮w發(fā)展趨勢(shì)和此前的氣孔率相反，氣孔率越高，此時(shí)的抗壓碎強(qiáng)度就越低；上述樣品氣孔率和自身強(qiáng)度都可以達(dá)到水處理或者廢氣處理提出的要求標(biāo)準(zhǔn)[6]。

2.3 樣品結(jié)構(gòu)分析

A-1樣品斷面及其未添加成孔劑的實(shí)驗(yàn)樣品A-0進(jìn)行對(duì)比，添加30%左右的煤粉，此時(shí)A-1氣孔則更顯細(xì)小，分布也會(huì)更加均勻；晶體在此時(shí)則會(huì)呈現(xiàn)出板條狀或者針棒狀開始交織生長(zhǎng)，此后玻璃會(huì)與之相粘接。與并未添加成孔劑的實(shí)驗(yàn)樣品A-0相對(duì)比，在添加20%白云石的A-3實(shí)驗(yàn)樣品中則會(huì)有顆粒生成，并且氣孔疏松，位置分布較均勻。

3 結(jié)語

綜上所述，①調(diào)控鎂渣多孔陶瓷顯氣孔率的時(shí)間結(jié)果表明，樣品顯氣孔率與最終成孔劑種類或者添加量有著密切的關(guān)聯(lián)；氣孔會(huì)隨石墨和煤粉的添加量增加而不斷增大，會(huì)白云石添加量不斷增加而減小。②添加成孔劑以后的最佳實(shí)驗(yàn)樣品為：劑石墨添加量數(shù)值為20%的高溫成孔實(shí)驗(yàn)，燒成溫度標(biāo)準(zhǔn)為1100℃，此時(shí)樣品的實(shí)際顯氣孔率數(shù)值為56.17%，樣品吸水率數(shù)值為43.76%，實(shí)驗(yàn)樣品體積密度數(shù)值為1.28g/cm3，樣品抗壓碎強(qiáng)度數(shù)值為34.21MPa，實(shí)驗(yàn)樣品耐酸性數(shù)值為99.59%，樣品此時(shí)的耐堿性為99.81%。③實(shí)驗(yàn)樣品耐堿性和耐酸性主要受到配料的組成或者樣品的微觀組成結(jié)構(gòu)影響，以上這些樣實(shí)驗(yàn)樣品氣孔率以及強(qiáng)度及耐堿耐酸性都可以達(dá)到水處理或者廢氣處理的要求標(biāo)準(zhǔn)。