張仕昭 李樹嶺 趙浩峰 王巧玲 劉妍慧 潘子云 王玲
摘 要:多孔陶瓷是一種含孔洞的無機非金屬過濾材料,常用于液體的過濾。主要制作方法有添加造孔劑法、發(fā)泡法、有機泡沫浸漬法和溶膠—凝膠法。本文利用發(fā)泡劑和模板來制備多孔陶瓷,通過添加不同發(fā)泡劑,來尋找各個原料的最佳配比,從而制備出高效的多孔陶瓷。
關(guān)鍵詞:多孔陶瓷;無機非金屬過濾材料;發(fā)泡法;有機泡沫浸漬法
1 引言
當(dāng)今社會,工業(yè)發(fā)展迅速,水污染越來越嚴(yán)重,多孔陶瓷在廢水凈化方面,有很好的效果。多孔陶瓷是一種含有較多孔洞的無機非金屬材料,具有化學(xué)穩(wěn)定性好、耐熱性好的優(yōu)點,在廢水過濾方面得到廣泛的應(yīng)用[1]。
有機泡沫浸漬法是制備多孔陶瓷的有效工藝[2],其工藝簡單、操作方便、制造成本低,具有良好的發(fā)展前景[3]。有資料顯示,以長石作為陶瓷結(jié)合劑,可以降低陶瓷的燒結(jié)溫度[4]。因此,本文以粘土為基體,長石為主要添加劑,探討不同發(fā)泡劑對陶瓷玻璃化制備的影響。
2 實驗材料及方法
實驗采用粘土、氟化鈣、碳酸鈉、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的氫氧化鈉水溶液以及長石粉、PVC、聚苯乙烯、碳粉、淀粉、硼砂等為材料。其中,長石粉、氟化鈣作為陶瓷結(jié)合劑,可以降低陶瓷燒制溫度。碳酸鈉作為陶瓷添加劑,可以促進(jìn)陶瓷玻璃化結(jié)構(gòu)形成。有資料顯示PVC、聚苯乙烯、淀粉、碳粉具有很好的發(fā)泡效果[5],受熱揮發(fā)而形成多孔結(jié)構(gòu),因此,將其為發(fā)泡劑,并對發(fā)泡效果進(jìn)行比較。硼砂用于降低熔點,并提高多孔材料的強度[6]。實驗材料按照一定比例配置:長石3~10%,PVC(聚苯乙烯)4~20%,碳粉2~6%,碳酸鈉2~6%,硼砂3%,其余為粘土。
將原材料按照以上配方稱量,混合均勻,再加入20滴蒸餾水,配置成泥漿,將使用2%氫氧化鈉洗凈的模板浸入泥漿中,反復(fù)擠壓,待泥漿充滿模板后取出。同樣的方法,每組做三個試樣,分別加熱到1100℃、999℃和750℃燒結(jié)。
實驗流程為:按配方配料——將配料混合均勻——將粉料成型——燒結(jié)完成。
3 實驗結(jié)果及討論
3.1 玻璃化的產(chǎn)生
圖1為使用聚苯乙烯作為發(fā)泡劑的多孔陶瓷圖片,其主要原料是粘土、長石、聚苯乙烯和PVC。圖2為使用碳酸鈉作為發(fā)泡劑的多孔陶瓷圖片,其主要原料為粘土、長石、碳酸鈉、硼砂和PVC。由圖片可知,圖1孔洞較小,沒有玻璃化產(chǎn)生;圖2孔洞較大。有玻璃化產(chǎn)生。實驗結(jié)果顯示,圖1陶瓷的熔點在950~1050℃之間,圖2陶瓷的熔點在750~800℃之間。經(jīng)比較得知,硼砂可以降低陶瓷熔點。
得到玻璃化結(jié)構(gòu)的原因是:(1)碳酸鈉本身是制備玻璃的原材料。當(dāng)燒結(jié)溫度超過碳酸鈉的熔點,碳酸鈉分解產(chǎn)生二氧化碳,而粘土本身含有二氧化硅,多種雜質(zhì)混合形成低共融物,當(dāng)溫度升高,共融物融化,出現(xiàn)液相,形成硅酸鹽和游離二氧化硅等透明燒結(jié)物。溫度繼續(xù)升高,則形成玻璃態(tài)的多孔陶瓷;(2)從熱力學(xué)角度分析,玻璃態(tài)具有較高的內(nèi)能,屬于亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu),且玻璃和晶體的內(nèi)能相差不大,析出動力小,能夠在常溫下保存。另外,碳酸根離子體積較大,不易調(diào)整結(jié)構(gòu),因此不易形成空間排布統(tǒng)一的晶體,而是形成亞穩(wěn)態(tài)的玻璃體;(3)從微觀角度分析,陶瓷內(nèi)部含有離子鍵和共價鍵,可以形成sp電子雜化軌道,構(gòu)成σ鍵和π鍵。它既有離子鍵的特點,又有共價鍵的特點,易于形成玻璃態(tài)。有資料顯示,玻璃化結(jié)構(gòu)之所以強度較高,是因為玻璃化結(jié)構(gòu)中Si4+和O2-離子構(gòu)成的四面體無序排列,形成了無周期反復(fù)的結(jié)構(gòu)單元[7]。
圖3是陶瓷熔點隨長石粉百分含量變化曲線,由圖可知,隨著長石的百分含量增加,陶瓷的熔點下降。
圖4是陶瓷相對強度隨硼砂含量變化曲線,陶瓷的相對強度是指陶瓷實際強度相對于理論的強度。由圖4可知,隨著硼砂含量增加,陶瓷的強度也增大。
3.2 發(fā)泡劑效果的比較
由實驗結(jié)果可知,聚苯乙烯的發(fā)泡效果優(yōu)于聚氯乙烯,這是因為在受熱過程中,聚苯乙烯熱膨脹體積高于聚氯乙烯。聚苯乙烯的發(fā)泡效果也優(yōu)于碳粉,使用Materials Studio 7.0對碳粉進(jìn)行布局?jǐn)?shù)分析。結(jié)果見圖5、圖6。圖5是使用聚氯乙烯作為發(fā)泡劑的多孔陶瓷微觀形貌圖,圖6是使用聚苯乙烯作為發(fā)泡劑的多孔陶瓷微觀形貌圖。比較兩圖可知,聚苯乙烯發(fā)泡效果更好。圖7是使用碳粉作為發(fā)泡劑的實驗樣品微觀形貌圖。碳粉中含有少量離子鍵,這是阻礙碳原子受熱膨脹的原因。
圖8是在999℃燒結(jié)的樣品微觀形貌圖,圖9是在750℃燒結(jié)的樣品微觀形貌圖。由實驗可知,實驗的兩個試樣,在999℃燒結(jié)的試樣孔隙明顯少于在750℃燒結(jié)的試樣孔隙。這是由于溫度過高,導(dǎo)致陶瓷融化,粘土溶液覆蓋住孔隙,降低其孔隙率。
4 結(jié)論
(1)聚苯乙烯的發(fā)泡效果優(yōu)于聚氯乙烯和碳粉,因為其受熱膨脹體積大。
(2)碳酸鈉不僅能夠作為發(fā)泡劑,還能促進(jìn)多孔陶瓷玻璃化的生成,提高強度。
(3)多孔陶瓷氣孔率上升,陶瓷強度下降。
參考文獻(xiàn)
[1] 陳士冰,王世峰,辛旭亮,等.多孔陶瓷過濾材料的研究進(jìn)展[J].山
東輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報,2009,23(2):17~20.
[2] 朱新文,江東亮.有機泡沫浸漬工藝—一種經(jīng)濟實用的多孔陶
瓷制備工藝[J].硅酸鹽通報,2000(3):45~51.
[3] 劉珩,安黛宗,蕭勁東.多孔陶瓷的制備和應(yīng)用研究進(jìn)展[J].江蘇
陶瓷,2003,36(4):9~12.
[4] 張銳. SiC多孔陶瓷的氣孔率和強度[J]. 金剛石與磨料磨具工
程, 2005,(2):38~40.
[5] 付春偉,劉立強,于平坤,等.造孔劑種類對粉煤灰多孔陶瓷性能
的影響研究[J].粉煤灰綜合應(yīng)用,2011,(2):12~19.
[6] 李文虎.三元硼化物金屬陶瓷的研究進(jìn)展[J].粉末冶金工業(yè),
2008,18(4):36~39.
[7] 周玉.陶瓷材料學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2004.
[8] 薛明俊,劉智恩,沈凱. 鈦酸鋁多孔陶瓷的研制[J]. 中國陶瓷,
1995, 31(2): 17~20.