干壓成型制備氧化鋁多孔支撐體影響因素的研究

王躍超 邱永斌 張弘毅 劉成寶 許小靜

(1江蘇省陶瓷研究所有限公司，宜興214221;2江蘇水處理技術(shù)與材料協(xié)同創(chuàng)新中心，蘇州科技大學(xué)，蘇州 215009）

0 前 言

在無機膜材料中，膜層通常具有較高的氣孔率、分布均勻的細(xì)孔徑，但厚度較薄，強度相對低，易破損，因此通常會將膜層附在具有較高機械強度的支撐體上使用，支撐體則具有高的機械強度、較好的化學(xué)穩(wěn)定性及相對均勻的孔徑分布。氧化鋁多孔支撐體，由于其原料易于獲得，制備工藝成熟，是最常用的支撐體材料之一，它具備了氧化鋁材料的耐高溫、耐腐蝕、機械強度高、電絕緣性好等諸多特點[1-4]，作為支撐體材料，可以為膜層提供足夠的機械強度及足夠的過濾孔隙，廣泛應(yīng)用于氣體和液體過濾、凈化分離、化工催化等眾多領(lǐng)域[5]。

干壓成型是多孔陶瓷材料最常用的成型方法之一，可以用來成型板狀、片狀、環(huán)狀的多孔陶瓷支撐體。其優(yōu)點是設(shè)備投入成本低、模具易于更換、合格率高、成型速度快，支撐體的密度可調(diào)、孔隙率可調(diào)，適合大批量工業(yè)化生產(chǎn)[6]；缺點是可制備的支撐體形狀單一，坯體強度差，坯體內(nèi)部致密性不一致，制備出的支撐體內(nèi)部孔隙率不一致，孔徑分布范圍較寬。

本文以氧化鋁為骨料，加入適量的無機粘結(jié)劑，通過噴霧造粒制成原料，采用干壓成型制備氧化鋁多孔支撐體材料，研究無機粘結(jié)劑加入量、成型壓力及燒成溫度等工藝參數(shù)對支撐體材料性能的影響。

1 實 驗

1.1 原料

以氧化鋁（純度99.5%、D50=3μm）為骨料，蘇州土、碳酸鈣、滑石等為燒結(jié)助劑，聚丙烯酸胺為分散劑，聚乙烯醇（PVA）為成型結(jié)合劑、乳化石蠟為成型潤滑劑。

1.2 材料的制備

1.2.1 無機粘結(jié)劑的制備

將蘇州土、滑石、碳酸鈣等燒結(jié)助劑通過球磨磨細(xì)并混勻，制成無機粘結(jié)劑。

1.2.2 噴霧造粒法制備原料

將氧化鋁、無機粘結(jié)劑按比例加入到球磨機中，加入適量的聚丙烯酸胺和水球磨6小時，再加入聚乙烯醇和乳化石蠟，球磨混合5～10分鐘后進(jìn)行噴霧造粒，制成造粒料。

1.2.3 干壓成型

將原料投入到金屬模具中，通過液壓成型機干壓成型制成支撐體毛坯。

1.2.4 燒成

將支撐體毛坯在不同的燒成溫度下進(jìn)行燒成，保溫2小時。

1.3 測試

（1）用掃描電子顯微鏡觀察樣品的斷面顯微結(jié)構(gòu)。

（2）采用GB/T 1965多孔陶瓷彎曲強度試驗方法測量試樣的抗折強度。

（3）采用GB/T 1966多孔陶瓷顯氣孔率、容重試驗方法測量試樣的顯氣孔率與體積密度。

（4）采用GB/T 1967多孔陶瓷孔道直徑試驗方法測量試樣的平均孔徑。

（5）采用HG/T 3210耐酸陶瓷材料性能試驗方法測試試樣的耐酸度。

2 結(jié)果與分析

2.1 無機粘結(jié)劑加入量的影響

以氧化鋁粉為骨料，分別加入不同比例的無機粘結(jié)劑制成原料，50 MPa干壓成型，在1 400 ℃下燒成，燒成后測試支撐體材料的燒成收縮、抗折強度、顯氣孔率及耐酸度（見圖1-4）。

圖1 粘結(jié)劑加入量對支撐體燒成收縮的影響

圖2 粘結(jié)劑加入量對支撐體抗折強度的影響

圖3 粘結(jié)劑加入量對支撐體顯氣孔率的影響

圖4 粘結(jié)劑加入量對支撐體耐酸度的影響

從圖1-4中可以看出，隨著無機粘結(jié)劑加入量的增大，支撐體燒成收縮變大、抗折強度提高、顯氣孔率下降、耐酸度降低。分析原因如下：在支撐體材料內(nèi)部，骨料氧化鋁的燒結(jié)溫度很高，而無機粘結(jié)劑在此溫度下能較好地?zé)Y(jié)，通過加入無機粘結(jié)劑在高溫時與氧化鋁顆粒間發(fā)生反應(yīng)，燒成結(jié)束后在無機粘結(jié)劑的作用下在氧化鋁顆粒間形成了較好的粘連。因此，無機粘結(jié)劑加入量越大，支撐體材料的燒結(jié)性能越好，燒成收縮越大；無機粘結(jié)劑加入量越大，氧化鋁顆粒間的粘連作用越明顯，材料的抗折強度越高。由于無機粘結(jié)劑通常分布在骨料顆粒間的孔隙中，隨著其含量的增加，會占據(jù)更多氧化鋁顆粒堆積形成的孔隙，導(dǎo)致支撐體材料顯氣孔率的下降；同時，氧化鋁骨料顆粒間距在無機粘結(jié)劑的作用下被拉近，導(dǎo)致骨料顆粒間的空隙變小，支撐體材料顯氣孔率下降。隨著無機粘結(jié)劑加入量的增大，支撐體內(nèi)部鈣、鎂等堿性氧化物含量提高，導(dǎo)致了支撐體耐酸度的下降。最終得出在支撐體材料中無機粘結(jié)劑加入量的提高利于材料抗折強度的提高，但不利于材料的顯氣孔率及耐腐蝕性能。

2.2 成型壓力對材料性能的影響

以氧化鋁粉為骨料，加入10%的無機粘結(jié)劑制成原料，在不同的壓力下干壓成型，在1 400 ℃下燒成，燒成后測試支撐體材料的抗折強度、體積密度、顯氣孔率及平均孔徑（見圖5-8）。

圖5 成型壓力對支撐體抗折強度的影響

從圖5-8中可以看出隨著成型壓力的提高，材料的抗折強度提高、體積密度變大、顯氣孔率下降、平均孔徑變小。為此，我們用掃描電鏡觀察了20 MPa、40 MPa、60 MPa三種不同壓力下成型支撐體材料的斷面形貌（見圖9）。

圖9 不同壓力下成型支撐體斷面SEM圖

圖6 成型壓力對支撐體體積密度的影響

圖7 成型壓力對支撐體顯氣孔率的影響

圖8 成型壓力對支撐體平均孔徑的影響

從圖9中可以看出，20 MPa壓力成型支撐體的斷面圖（a）中可以看到，當(dāng)成型壓力較低時，大部分造粒料顆粒未被壓碎，在材料內(nèi)部呈球型，球型的造粒料顆粒在支撐體內(nèi)部堆積形成了較大的空隙，使得支撐體體積密度較小、顯氣孔率較高、平均孔徑較大。隨著成型壓力的提高，坯體內(nèi)部造粒料顆粒逐漸被壓碎，造粒料堆積形成的空隙逐步消失，使得支撐體體積密度提高、顯氣孔率降低、平均孔徑變小、材料的抗折強度提高；同時，成型壓力的提高導(dǎo)致骨料顆粒堆積的緊密程度提高，導(dǎo)致顆粒堆積形成的孔道變窄，使得支撐體平均孔徑降低、顯氣孔率下降，體積密度和抗折強度提高。最終得出干壓成型制備多孔氧化鋁支撐體時，成型壓力的提高會導(dǎo)致材料體積密度與抗折強度的提高、平均孔徑變小、顯氣孔率下降。低的成型壓力無法在成型時破碎坯體內(nèi)部的造粒料顆粒，因此，低的成型壓力可以獲得較高的顯氣孔率，但不利于支撐體材料孔徑的控制。

2.3 燒成溫度的影響

以氧化鋁粉為骨料，加入10%的無機粘結(jié)劑制成原料，50 MPa的壓力下干壓成型，在不同的溫度下燒成，燒成后測試支撐體材料的抗折強度、顯氣孔率及平均孔徑及耐酸度（見圖10-13）。

圖10 燒成溫度對支撐體抗折強度的影響

從圖10-13中可以看出隨著燒成溫度的提高，支撐體材料的抗折強度和耐酸度提高、顯氣孔率降低、平均孔徑變小。分析原因：隨著燒成溫度的提高，無機粘結(jié)劑之間及無機粘結(jié)劑與氧化鋁骨料之間的燒結(jié)程度提高，骨料顆粒間的連接強度提高，支撐體的抗折強度提高；無機粘結(jié)劑與氧化鋁顆粒間燒結(jié)程度的提高，導(dǎo)致了支撐體材料耐酸性能的提高；伴隨著燒成溫度的提高，在無機粘結(jié)劑的作用下，氧化鋁骨料顆粒間的距離被拉近，顆粒堆積形成的空隙變小，導(dǎo)致支撐體顯氣孔率下降，平均孔徑變小。

圖12 燒成溫度對支撐體平均孔徑的影響

圖13 燒成溫度對支撐體耐酸度的影響

從圖11-12中也可以看出：平均孔徑和顯氣孔率的變化不是特別明顯。分析原因：在此溫度范圍內(nèi)制備多孔氧化鋁支撐體時，支撐體內(nèi)部的微孔結(jié)構(gòu)主要取決于骨料顆粒大小和骨料顆粒間的堆積方式，因此，在原料相同及成型壓力相同的情況下，骨料氧化鋁粒徑大小相同，骨料堆積的緊密程度也基本相同，最終導(dǎo)致了支撐體的平均孔徑和顯氣孔率受溫度影響較小。最終得出燒成溫度的提高會導(dǎo)致支撐體的抗折強度及耐腐蝕性能提高、孔徑變小、顯氣孔率下降。

圖11 燒成溫度對支撐體顯氣孔率的影響

3 總 結(jié)

（1）在氧化鋁多孔支撐體中，無機粘結(jié)劑加入量的提高利于材料抗折強度的提高，但不利于材料的顯氣孔率及耐酸度。

（2）干壓成型制備多孔氧化鋁支撐體時，成型壓力的提高會導(dǎo)致材料體積密度與抗折強度的提高、平均孔徑變小、顯氣孔率的下降。

（3）過低的成型壓力無法破碎坯體內(nèi)部的造粒料顆粒，因此低的成型壓力可以獲得較高的顯氣孔率，但不利于支撐體內(nèi)部孔徑的控制。

（4）燒成溫度的提高會導(dǎo)致支撐體抗折強度及耐腐蝕性能的提高，但也會導(dǎo)致孔徑變小、顯氣孔率下降。