过滤用多孔陶瓷的制备和性能研究_图文

1、388材料导报2008年8月第22卷专辑过滤用多孔陶瓷的制备和性能研究*闫文慧1,牛青山12,王立福1,万正国1,高仙1,贾虎生12,许并社12(1太原理工大学材料科学与工程学院,太原030024;2太原理工大学教育部新材料界面与工程重点实验室,太原030024摘要选用普通石英砂为骨料,加入水玻璃作为粘结剂,采用颗粒堆积并添加造孔剂的方法,制备了高性能的可用于污水处理的多孔陶瓷滤球。研究了烧结温度、保温时间、造孔剂的含量和骨料颗粒大小对孔隙率和力学性能的影响规律。用扫描电镜观察了多孔陶瓷的微观结构,并初步研究了烧结动力学问题,探讨了烧结前期、中期和后期的烧结理论和烧结模型。关键词多孔陶瓷颗粒堆

2、积法烧结动力学中图分类号:TQ l74文献标识码:AP r epa r a t i on and Per f or m ance of Por ous C er am i c f or Fi l t r at i on Y A N W enhui l,N I U Q i ngshanl”,W A N G L i f ul,W A N Z henggu01,G A O X i anl,J I A H us hen91”,X U B i ng s hel2(1C ol l ege of M at er i al S c i e nce a nd E ngi nee r i ng,Tai yua n

3、 U n i ve r si t y of Tec hnol ogy,Ta i yuan030024;2K e y L a bor a t or y of I nt er f ace S c i e nce a nd E ngi ne er i ng i n A dvan ced M at er i a l s of M i ni s t r y of E ducat i on,T a i yua n U ni ver s i t y of Tec hnol ogy,T a i yuan030024A bs t ract I n t his exp er i m ent,com m on s

4、andsar e us e d as m ai n m a t er i al,w at e r gl ass as bi nde r a nd t hem et hodpar t i cl e st a cki ng and pore-form i ng a ge nt a p pe n di ng i s a dopt ed t o pr oduce por ous ce r am i c f or f ilt e r m at e r i ali n s ew a g e di spos al.T he i nf l u ences of por osi t y and m e chan

5、i ca l pr ope r t y o n t he si n t er i ng t e m per a t ur e,hea t pr e ser vat i ont i m e,por e-f orm i ng a ge nt a nd t he bul k of sa nd par t icl e ar e st udi ed.The m i cr osc opi c s t r uct u r e of porous ceram i c c an be obse r ved by SE M.Fur ther m or e,the dynam i cs of s i nt er i

6、 n g i s al so st u di e d.T h e si n t er i ng m ode l s a nd t heor i es i n init ia l st age,i nt er m ed i at e st age a nd f ir m l st age ar e di scus s ed.K ey w or ds por ousceram i c,part i cl e st acki ng,dyn am i c s of s i nt er i n gU刖昌多孔陶瓷不仅具有普通陶瓷的耐高温、耐腐蚀、高化学稳定性等,还有孔隙率高、体积密度小、比表面积大等独特的

7、物理表面特性1,如今已成为污水处理的重要过滤材料。目前市场上的一些滤料存在不同程度的缺陷,如孔隙度低,净化效果差,回收利用差等2一,限制了生物滤池技术的发展,制约了我国污水处理技术的实际应用。因此,本实验选用资源广泛、成本低廉的石英砂为原料,采用颗粒堆积并添加造孔剂的方法,研制出一种孔隙率高、抗压强度高,回收利用好的环保型多孔陶瓷滤料,以此推动我国生物滤池水处理技术的进步。1实验1.1实验原料实验选用市售石英砂为主要骨料,以水玻璃为粘结剂,加入M gC03、C aC03和一定量的淀粉作为造孔剂,其配比(质量分数为:石英砂70%、碳酸钙5%、碳酸镁5%、水玻璃10%、淀粉10%。其制备工艺流程如

8、下:原料加工一配料一制样一干燥一烧成一性能测试。1.2检测方法实验采用阿基米德静力称重法,用TG-3288型电光分析天平测定多孔陶瓷滤料的显气孔率(只、吸水率(W a和体积密度(D。利用W D W-I O O K N型微机控制电子式万能试验机测其抗压强度。用JSM-6700F型扫描电子显微镜(SEM观察样品的微观结构。2结果与讨论2.1烧结温度对多孔陶瓷的性能影响制备多孔陶瓷滤球,关键要在较高强度下要求高的孔隙率43。这样,一方面要凋节原料配比,另一方面要控制烧结温度。实验选用6080目的砂子,加入10%的淀粉,在1100 1200的不同温度下烧成,保温时间均为30r ai n,其测试结果如表

9、1。从表中可以看出,随着温度的升高,孔隙率逐渐下降,而抗压强度则逐渐增加。这是由于随着温度的升高,石英砂颗粒表面部分熔化,颗粒收缩,此外水玻璃熔化生成液相填充到颗粒中间的孔洞中,孔洞变小,孔隙率降低。温度大于1500以后,坯体中生成的液相太多,使坯体表面严重玻化,孔隙率迅速降低,且容易使样品粘结在一起。因此,控制烧成温度是试验成功的重要因素。*山西省国际合作项目(2007081029闰文慧:女,1979年生,硕士研究生,主要从事污水处理用多孔陶瓷的研究工作E-m ai l:yw h638s i 贾虎生:联系人,男,教授Tel:03516014852E-m ai l:j i a_hus heng

10、126.t om过滤用多孔陶瓷的制备和性能研究/闫文慧等389表1不同烧结温度对多孔陶瓷性能的影响Tabl e1I n f l ue nce of t he si n t er i ng t e m per at ur e o n s am pl es图1中(a一(e分别为1100、1125、1150、1175和1200不同烧成温度下样品断面的SE M形貌图。从图中可以看到样品e的气孔数量较多,有很多形状不规则的大孔,且呈三维连通的孔道。此外,在孔壁上还可以看到有很多的闭孔和微孔,这可能是由于造孔剂如淀粉或M gC Q、C aCO s等在高温下燃烧或分解放出气体后形成的。图1不同温度烧结时多孔

11、陶瓷的微观结构Fig.1SE M pi ct ur e of t he sa m pl e s sect i o n o ndi f f er en t s i nt er i n g t e m pe r at ur e2.2保温时间对多孔陶瓷的性能影响表2是用6080目的砂子,加入10%的淀粉,在1150不同的保温时间下测得的性能数据。从表2中可知,随着保温时间的延长,孔隙率明显下降,体积密度和抗压强度则明显增大。这是由于保温时间延长后,物料反应更加完全,促进烧结的完成,粘结剂熔融相明显增多,使石英砂骨料颗粒之间结合的更紧密,样品的收缩变大,气:fL:fL径变小,但保温时间继续延长后,细晶

12、粒熔解,会发生二次重结晶或晶粒过分长大,孔隙率会急剧减小,所以要想得到性能优良的多孑L陶瓷,保温时间一定要适宜,不易过长。表2不同的保温时间对多孔陶瓷性能的影响Tabl e2I nf l uen ce of he at pr eser v at i on t i m e o n sa m pl e s2.3造孔剂含量对多孔陶瓷的性能影响表3是在1150,保温30m i n的条件下用6080目的砂子,添加不同比例的淀粉烧结测得的。数据表明随着造孔剂含量的增加,造孔剂分解后留下的孑L隙和空洞的体积也会随之而增加,这样可以有效地提高样品的孔隙率,从而大大提高了样品的吸附能力和过滤效率。但淀粉含量超过

13、10%以后,坯体出现不同程度的开裂和掉渣现象,因此,配料时造孔剂的加入量不宜过高。表3不同造孔剂含量对多孔陶瓷性能的影响Tabl e3I nf l uen ce of por e-f or m i ng a ge nt o n s am pl es2.4颗粒大小多孔陶瓷的性能影响骨料颗粒大小对样品强度也有一定影响。表4是在1150保温30m i n,加入10%的淀粉含量,选用颗粒大小不同的砂子烧结测得的,由表4可知,颗粒越小,制得的样品孔隙率和体积密度就越小,而吸水率和抗压强度则会越大。这是由于骨料颗粒变小后,表面能增大,烧结反应更容易进行,砂粒表面熔融相更多,粘结更为紧密,致使气孔会更少。表

14、4不同颗粒大小对多孔陶瓷性能的影响Tabl e4I nf l uen ce of t he bul k of sa nd par t icl e o n s am pl es3多孔陶瓷固相烧结理论烧结是陶瓷制备过程中的一个最重要环节。它是指陶瓷坯体在一定的高温过程中,内部通过一系列物理化学过程,使材料获得一定密度、微结构、强度和其他物理性能的一个过程。它对材料的微观结构、最终性质起着重要作用5。Cobl e67依实验观测和分析,将固相烧结过程分为初期、中期和后期3个阶段,后来的学者又分别针对各个时期提出了 不同的模型和理论。390材料导报2008年8月第22卷专辑3.1烧结初期根据C obl

15、e的定义,烧结初期,颗粒粘结,颗粒间接触点通过成核、结晶长大等过程形成烧结颈。在这个阶段,颗粒内的晶粒不发生变化,颗粒的外形基本保持不变。整个烧结体没有收缩,密度增加极少。这一阶段的模型和理论非常多,典型的有K us yns ki、K i nger y等8.9的模型,这些模型均基于相似的双球模型,并假设两个球体之间中心距的变化即等于烧结体的线收缩,认为物质迁移的原动力是烧结过程中系统表面能的降低,根据物质迁移的路径不同,物质迁移机制主要有粘性流动、表面扩散、体积扩散、晶界扩散、蒸发一冷凝等,具体方式见图2。图中从颗粒表面向颈部的表面扩散;从粒界向颈部的界面扩散;从颗粒表面向颈部的体积扩散;从粒

16、界向颈部的体积扩散;从颗粒内部位错向颈部的扩散;从颗粒表面向颈部的蒸发一冷凝;从颗粒表面向颈部或从小颗粒向大颗粒的溶解一沉淀(液相烧结。图2不同的物质迁移机制Fi g2M echani s m of di f f er en t m at er i al t r ansp or t1.601.551.50145贮曾1401.351.30l gt图31150气孔率随时间的变化关系Fi g.3R el at i on bet w e en por os i t y and t i m e o n11504结论(1利用颗粒堆积法并添加造孔剂的方法可以研制出高强度、高孔隙率的多孑L陶瓷滤球,孔隙率范围

17、为17.28%44.50%,抗压强度范围为13.4229。67M Pa,完全满足水处理对陶瓷滤球性能的要求。(2陶瓷滤球的气孑L率主要受烧结温度、保温时间、造孔剂的含量及颗粒大小的影响。孔隙率随烧成温度的升高而降低;随保温时间的增加而降低;随造孔剂加入量的增加而增大;随骨料颗粒粒径的减小而降低。而抗压强度则随之相反。(3从多孔陶瓷的微观结构表明,多孔陶瓷滤球主要由三维连通气孔组成,具有很高的比表面积,具备良好的过滤性能。(4根据对烧结过程的动力学分析,实验数据初步验证了C obl e提出的孔隙率和时间之间的线性关系。参考文献K usyns ki把各种机制下的颈长方程归纳为统一形式D o:1 (

18、互岵丛导t(1。式中X为接触颈部的半径;口为颗粒半径;T为绝对温度;t为烧结时间;m为系数;行为颈长指数。3 3.2烧结中期烧结中期,烧结颈长大,原子向颗粒结合面迁移使烧结颈扩4大,颗粒间距离缩小,形成连续的孔隙网络。C obl e提出了这一阶段物质传输的显微结构模型。他假设晶粒为正十四面体,气5孔砌为圆柱形,位于正十四面体的每个棱角处形成连通网络。借用这一模型,推导出了致密化方程11:6 Pa一(、2Dbw。TTY,、2/32/3(2式中D b为界面扩散系数;W为界面宽度;Pa为坯体气孔率;占7为晶格常数。3.3烧结后期烧结后期,孔隙球化和缩小,大多数孔隙被分隔,晶界上的8物质继续向气孔扩散

19、填充,致密化继续进行,晶粒也继续长大。C obl e利用并修正中期的模型给出了烧结后期孔隙率与时间的9方程1:Pd一面6,rD而v73a(tt-t(】。式中眈为体积扩散系;tf为孔隙完全消失所需的时间。现根表2所得的实验对l g只一l彩作图,二者呈线性11关系,基本符合上式的理论。罗民华.多孔陶瓷实用技术M.北京:中国建材工业出版社,2006穆柏春,等.过滤净化分离用的多孔陶瓷材料F J-I.辽宁工学院学报,1995,15(4:3夏光华,廖润华,成岳,等.高孔隙率多孑L陶瓷滤料的制备J.陶瓷学报,2004,25(1:24陈艳林,严海标,冯晋阳.以淀粉作造孔剂制备多孔陶瓷J.山东陶瓷,2005,28(1:3李达,陈沙鸥,等.先进陶瓷材料固相烧结理论研究进展J.材料导报,2007,21(9:6C obl e R L Si n t er i ng cr ys t al l i n