利用鑄造廢砂制備芯吸陶瓷

摘 要：利用鑄造廢砂中的二氧化硅制備芯吸陶瓷，研究兩種不同粒徑（30～90 μm、90～150 μm）的原料和同一高度情況下兩種粒徑的原料之間相互堆疊層數(shù)對SiO2芯吸陶瓷的吸水率、透水率和芯吸速率等性能的影響。結(jié)果表明，隨著堆疊層數(shù)增加，樣品芯吸速率增加；1 220 ℃的燒結(jié)溫度下6層堆疊的樣品芯吸速率最大可達(dá)50.34 mm/s，吸水率為35.20%，透水系數(shù)為36.08，抗壓強(qiáng)度達(dá)3.21 MPa。本研究為廢砂在陶瓷領(lǐng)域的資源化利用提供一定的理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：鑄造廢砂；芯吸陶瓷；堆疊

芯吸效應(yīng)是超細(xì)纖維或內(nèi)部具有類似于超細(xì)纖維特殊結(jié)構(gòu)的材料所具有的特殊性能[1-4]。在超細(xì)纖維的孔隙接近真空時(shí)，與水直接接觸的部分與材料內(nèi)部的超細(xì)纖維結(jié)構(gòu)形成真空孔隙，水因?yàn)榇髿鈮憾鴱呐c水接觸的一端吸入纖維孔隙中，而且孔隙的孔徑越小，芯吸效應(yīng)越強(qiáng)。

鑄造過程中會使用大量的造型原料砂，由于廢砂通常含有大量重金屬，因此工業(yè)廢砂的處理就成為了難題之一。目前工業(yè)廢砂多用于制造混凝土，用于建筑、道路堆填、橡膠等領(lǐng)域，也可用作實(shí)驗(yàn)室研究陶瓷的原材料，還可用于制備SiO2多孔材料[5-8]。

SiO2多孔材料具有獨(dú)特的性能，滿足常規(guī)多孔材料所不具備的熱穩(wěn)定性、抗腐蝕性，可用作強(qiáng)酸強(qiáng)堿等強(qiáng)腐蝕性溶液的載體，可制備先進(jìn)復(fù)合材料；由于材料特有的多孔結(jié)構(gòu)，還可用作保溫隔熱材料。隨著科技的發(fā)展，SiO2材料的制備技術(shù)越來越成熟，應(yīng)用越來越廣泛[9-13]。目前，利用鑄造廢砂原料制備多孔陶瓷，并對其芯吸性能進(jìn)行研究的成果較少。

本文以鑄造行業(yè)的廢砂為原材料，研究不同粒徑、不同堆疊方式的SiO2陶瓷在不同的燒結(jié)溫度下的吸水率、透水率以及芯吸速率等不同參數(shù)的差異，鑄造綜合性能優(yōu)異的芯吸SiO2陶瓷。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

鑄造廢砂（佛山晗涵科技有限公司，30～150 μm砂，SiO2≥95%）。

1.2 模具制作

以廢砂中的SiO2為原料，混合固化劑、促凝劑和樹脂，每加入一種配料便使用攪拌器以100 W功率攪拌20 s。將攪拌好的粉料壓入3D打印模具（直徑20 mm），為了便于開模，可以適當(dāng)將3D打印機(jī)（XL-800，北京妙思睿行科技有限公司）制備的模具完全浸入融化的石蠟，待模具稍冷后使用砂紙磨平表面的石蠟。注模后將樣品置于通風(fēng)處靜置1 h以上，待初步固化后脫模繼續(xù)靜置24 h以完全固化，制備的樣品見圖1。

升溫曲線如圖2所示，在300 ℃和600 ℃保溫時(shí)可以把有機(jī)物和水分完全排出，當(dāng)溫度升高到1 150 ℃時(shí)，降低升溫速率，當(dāng)溫度到達(dá)最高溫度時(shí)保溫30 min，最后自然冷卻。

1.3 測試方法

1.3.1 芯吸速率

樣品的芯吸速率是指樣品從下往上吸水速度。在500 mL燒杯中注入高度為50 mm的水，用視頻分析軟件（Camtasiap）分析每0.1 s內(nèi)樣品的吸水高度。繪制不同樣品的吸水時(shí)間-高度圖，對比不同樣品的芯吸速率。

1.3.2 透水系數(shù)

實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示，重復(fù)三次并使用平均值作為最后的測試數(shù)據(jù)[14]。

透水系數(shù)公式：

KT=Lh／AHt， （1）

式中：KT為透水系數(shù)（mL/min），L為單位時(shí)間內(nèi)滲出的總水量（cm3），h為樣品厚度（cm），

A為圓柱樣品的上表面或下表面的表面積（cm2），H為水位差（cm），t為流水的時(shí)間（min）。

1.3.3 吸水率

把樣品放入燒杯中，加去離子水至沒過樣品1 cm以上，持續(xù)煮沸2 h，用吸水后的濕抹布擦去樣品表面水滴，所得質(zhì)量即為飽和吸水質(zhì)量，再根據(jù)樣品未吸水時(shí)在空氣中的質(zhì)量可得樣品的吸水率。

1.3.4 抗壓強(qiáng)度

本實(shí)驗(yàn)使用抗壓強(qiáng)度來表征樣品的物理強(qiáng)度[3]。將樣品放置于所用的測試儀器（萬能試驗(yàn)機(jī)，TFW-100B，濟(jì)南鑫光機(jī)械制造有限公司）上，根據(jù)儀器測試所得的破壞載荷（P）和受力面積（S）可求得樣品的抗壓強(qiáng)度。

抗壓強(qiáng)度公式：

Rc=P／S，（2）

式中：RC為抗壓強(qiáng)度（MPa），P為破壞載荷（N），S為受力面積（mm2）。

2 結(jié)果和討論

2.1 芯吸性能

圖4為不同樣品在1 220 ℃、1 260 ℃和1 300 ℃下燒成后的芯吸高度與時(shí)間的關(guān)系。由圖可知，樣品在前1 s的吸水速率基本不變，1 s以后吸水速率開始降低。不同樣品前1 s的平均芯吸速率基本隨燒結(jié)溫度的升高而降低，這是因?yàn)闇囟壬?，樣品中有較多的玻璃相生成，陶瓷的氣孔和微裂紋減小。相同燒結(jié)溫度下，30～90 μm和90～150 μm樣品芯吸速率基本一致。堆疊層數(shù)則對芯吸速率的影響較大，堆疊層數(shù)越多，芯吸速率越大。實(shí)驗(yàn)制得的陶瓷芯吸材料最大芯吸速率是常規(guī)芯吸材料紙巾（20 mm/s）的2倍以上。堆疊層數(shù)對芯吸速率產(chǎn)生影響，是由于不同粒徑的樣品相互堆疊，使得層層之間產(chǎn)生了較大的缺陷，燒成過程中，層間匹配較差，顆粒間縫隙較大，易產(chǎn)生微裂紋，毛細(xì)管作用較強(qiáng)，從而使芯吸速率增大。

2.2 吸水性能

圖5為不同樣品在1 220 ℃、1 260 ℃和1 300 ℃下燒成后的吸水率折線圖。由圖可知，90～150 μm[HJ3.45mm]砂燒成后的樣品吸水率比其他四種樣品都要低5%，30～90 μm砂燒成的樣品吸水率最高。相同溫度下，不同堆疊方式的樣品吸水率基本不變，且都高于90～150 μm砂的吸水率。陶瓷的吸水率和樣品的顯氣孔率呈正相關(guān)關(guān)系。這表明，不同樣品具有不同的氣孔率，90～150 μm砂的樣品和30～90 μm砂的樣品吸水率差別的原因可能是由于90～150 μm砂的樣品具有更小的粒徑，其燒結(jié)活性較30～90 μm砂的高，在高溫下生成的玻璃相較多，從而90～150 μm砂氣孔率較小，導(dǎo)致吸水率較小。與此相反，30～90 μm砂具有較大的氣孔率，可吸收更多的水分，因而有更高的吸水率。在一定溫度下，樣品玻璃

相隨著燒結(jié)溫度增加而增加[15]，因此樣品的氣孔率隨著燒結(jié)溫度的增加而減小，導(dǎo)致不管何種堆疊方式在不同的燒結(jié)溫度下都呈現(xiàn)出隨燒結(jié)溫度的升高吸水率下降的趨勢。

2.3 透水性能

圖6為不同樣品的透水系數(shù)折線圖。從中可以看出，樣品的透水系數(shù)與燒結(jié)溫度的大小成反比，對于同一燒結(jié)溫度下，90～150 μm樣品比30～90 μm樣品的透水系數(shù)要低，而透水系數(shù)的變化則與堆疊數(shù)呈正相關(guān)，1 220 ℃下6層堆疊的樣品，透水系數(shù)可達(dá)最高值36.02%，此時(shí)樣品的芯吸速率也最大（表1）。透水率通常與氣孔率（吸水率）有關(guān)，燒結(jié)溫度越高，氣孔率越低，樣品透水率就越小。這是由于堆疊樣品中不同粒徑的顆粒之間存在毛細(xì)管效應(yīng)，堆疊層數(shù)越多，透水系數(shù)越高[16]。

2.4 力學(xué)性能

圖7為不同樣品在不同溫度下的抗壓強(qiáng)度。

由圖可知，相同溫度下，90～150 μm原料燒成的樣品比30～90 μm原料燒成的樣品抗壓強(qiáng)度要高，最高為4.00 MPa。樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)直接影響樣品的力學(xué)性能，造成90～150 μm樣品比30～90 μm樣品抗壓強(qiáng)度高的原因可能是由于90～150 μm樣品粒徑更小，其燒結(jié)樣品更致密，因此樣品的抗壓強(qiáng)度更高。樣品的抗壓強(qiáng)度也與燒結(jié)溫度有關(guān)，對于90～150 μm砂和30～90 μm砂，溫度升高，玻璃相增加，強(qiáng)度下降。

不同原料交替堆疊成型的樣品中，不同溫度下，其抗折強(qiáng)度變化規(guī)律不同。1 220 ℃時(shí)，樣品抗折強(qiáng)度隨著堆疊層數(shù)增加而減?。? 260 ℃和1 300 ℃下，樣品抗折強(qiáng)度隨著堆疊層數(shù)增加，呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。對于多層堆疊的樣品，其構(gòu)成復(fù)雜，顯微結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，不同粒徑區(qū)間交界處的煅燒性能可能對樣品也有一定的影響，在燒結(jié)過程中其內(nèi)部變化更加復(fù)雜。1 220 ℃和1 260 ℃下，多層堆疊樣品的最大抗折強(qiáng)度處于90～150 μm樣品和30～90 μm樣品抗壓強(qiáng)度之間；而1 300 ℃下，所有樣品中，4層樣品的抗折強(qiáng)度最大。這表明，一定溫度下，合適的堆疊方式可增強(qiáng)樣品的抗折強(qiáng)度。

3 結(jié)論

本文以90～150 μm砂、30～90 μm砂和兩種砂交替堆疊2層、4層、6層為樣品，在1 220 ℃、1 260 ℃和1 300 ℃下燒結(jié)成SiO2多孔陶瓷，經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：相同溫度下，由90～150 μm和30～90 μm制備的樣品芯吸速率變化較小，不同粒徑范圍交替堆疊的樣品，吸水速率增加，堆疊層數(shù)越多，芯吸速率越大，高達(dá)50.34 mm/s；隨著溫度升高，樣品玻璃相增加，使得樣品的芯吸速率、吸水率和透水率均降低，芯吸速率最大的6層堆疊樣品，抗壓強(qiáng)度為3.21 MPa；抗折強(qiáng)度的分析結(jié)果顯示，在合適溫度（1 300 ℃）與合適堆疊方式（4層）下，樣品的抗折強(qiáng)度大于未采用不同粒徑交替堆疊的成型樣品。研究結(jié)果為鑄造廢砂在多孔陶瓷領(lǐng)域的資源化利用方面提供了一定的理論基礎(chǔ)。

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（責(zé)任編輯：王軍輝）

［收稿日期］2024-04-02

［基金項(xiàng)目］廣東省教育廳科研項(xiàng)目“復(fù)合酸改性氮化鋁陶瓷粉體的抗水解機(jī)制及燒成制度研究”（2022KQNCX046）；大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“抗水解納米ALN粉體的研究與制備”（202310578009）