造孔剂对多孔陶瓷性能的影响

造孔剂对多孔陶瓷性能的影响

多孔陶瓷的孔径分布控制多孔陶瓷是一种含有大量空气的新型陶瓷材料。它具有化学稳定性好、耐腐蚀、耐高温等优点。可将其应用于过滤材料、保温材料、吸声材料等多个化工、环保领域。但是在高孔隙率下,难以制备出高强度的多孔陶瓷,因而大大限制了它的应用。并且多孔陶瓷的孔径不易控制,现有的控制孔径分布的措施主要有调节造孔剂粒径、种类以及改变烧结温度。QiWang等采用添加造孔剂法,将AOM和PMMA作为造孔剂,制备了不同孔形状和孔隙率的多孔陶瓷。所得多孔陶瓷的孔径在150~250μm之间。但是,当孔隙率大于50%,其所得陶瓷发生破碎现象。JianliLiu等采用溶胶-凝胶法,制备了MgO掺杂的Al2O3陶瓷。采用不同粒径(1.4,2.0和2.8mm)的聚苯乙烯小球来制备多孔氧化铝。得到了1~2μm的微孔和大于20μm的大孔。ShujingLi等在不同的烧结温度1300、1400、1500、1600℃得到了不同孔隙率和孔径分布的多孔陶瓷。上述方式大部分采用调节造孔剂的方法来改变多孔陶瓷的孔径,而本研究采用调节多孔陶瓷原料配比来控制孔径分布。并系统的研究了不同造孔剂、粘结剂含量、球磨时间、烧结制度对多孔陶瓷强度及开口孔隙率的影响。1实验部分1.1原料和设备的实验1.2多孔陶瓷的压片制备选用高岭土、长石、石英作为主要原料制备多孔陶瓷。其制备过程为:将高岭土、长石、石英放在QM-ISP4-CL行星式齿轮球磨机(南京大学仪器厂)球磨一定时间。然后加入造孔剂,在研钵中混合均匀,加入粘结剂混匀。然后使用FW-4A型压片机(天津光学仪器厂)进行压片,先将多孔陶瓷加压至13吨压力,卸压1~2min,然后在15吨压力下保压5min,卸压,压成Φ50×14mm的片。将压制好的块状多孔陶瓷放入DGG-9023AD型电热恒温鼓风(上海森信实验仪器有限公司)干燥箱中,在100℃下干燥24h。最后放入RJX-8-13箱式电阻炉(中国)中在如图1所示的烧结制度下烧结。1.3多孔陶瓷的结构表征根据GB/T1965-1996,采用电子压力试验机(济南鑫光试验机制造有限公司)测定多孔陶瓷的强度。采用AutoPoreIV9500(MicromeriticsInstrumentCorporation)测定多孔陶瓷的开口孔隙率和孔径分布。采用CAMBRIDGES-360扫描电镜(英国)观察了不同多孔陶瓷的微观结构。2结果与讨论2.1剂配比对多孔陶瓷体的晶相组成的影响以ACR为造孔剂,比较了不同高岭土、长石、石英配比所得制品的性能,如表1所示。由表1中可以看出,两种配比的基体所得多孔陶瓷的弯曲强度分别为4.37和9.24MPa,随长石含量的增大,弯曲强度和比重增大,孔隙率减小。这主要是由于所用长石为钠长石,钠长石的熔融温度较低,其熔液的粘度较低,生成的晶体容易在其中发育长大。由图2中可以看出,随着长石含量的增加,所得多孔陶瓷的孔洞变得细小,基体相对更加致密。不同原料配比所得制品的XRD图谱如图3所示,由图可以看出,两种配比所得多孔陶瓷样品中晶相主要为莫来石和方石英。配比的改变没有引起基体晶相组成的改变,但却提高了基体的致密度。这主要是由于长石能够降低混合物的熔点,可以在较低的温度下生成莫来石,从而使莫来石晶体以更大的块状结合,莫来石具有抗热震稳定性好、抗化学腐蚀性好、荷重软化温度高、高温蠕变小、硬度大等优良特性,所以莫来石的生成能够大大提高样品的力学性能。因此,选择原料的配比为高岭土∶长石∶石英=4∶4∶2。2.2pva用量对多孔陶瓷弯曲强度的影响采用PVA作为粘结剂,考察了粘结剂的含量对多孔陶瓷性能的影响。所得多孔陶瓷性能如下表2所示。由表2可以看出,PVA含量为5wt%和8wt%所得到的多孔陶瓷的弯曲强度分别为12.49、13.06MPa,相差不是很大,而随PVA含量的增大,多孔陶瓷的密度降低,并且多孔陶瓷的孔隙率有所增加。这主要是由于PVA是高分子材料,在烧结的过程中分解而形成气孔,有一定的造孔效果。但是由于其强度相差不大,而PVA的量不好控制,制备工艺比较复杂,因此,只需要加入相同量的PVA即可。2.3研磨系统和球磨时间的选择2.3.1造孔剂含量对多孔陶瓷弯曲强度的影响在高岭土∶长石∶石英=4∶4∶2的条件下,采用图1中所示的三种烧结制度烧结后多孔陶瓷的性能如表2所示。由表3可以看出,在造孔剂含量为10%时,烧结制度1、烧结制度2所得陶瓷的强度分别为1.10MPa和9.92MPa,弯曲强度大幅提高。而在造孔剂含量为35%时,烧结制度2、烧结制度3所得多孔陶瓷的弯曲强度分别为7.51MPa和6.94MPa,弯曲强度相差不大,但烧结制度3需要时间较长为18.1小时,所需要的时间长。因此,选择烧结制度2作为合适的烧结制度。2.3.2球磨时间对多孔陶瓷性能的影响采用上述烧结制度2,在保持高岭土、长石和石英的配比为4∶4∶2,ACR含量为30wt%的条件下,考察了球磨时间对多孔陶瓷性能的影响,如图4所示。从图中可以看出,随着球磨时间的增加,多孔陶瓷的弯曲强度增大,而孔隙率没有很大的变化。这主要是由于随着球磨时间的延长,陶瓷粉料的颗粒越来越细小,更利于颗粒之间的结合,同时说明在球磨时间为12h之前,所得陶瓷粉料之间不会发生团聚,从而致使其强度一直增大。2.4孔隙率的分析在烧结制度2下,比较了不同造孔剂对制品性能的影响。所选用的造孔剂为PMMA、ACR和UPS。所得力学性能如表4所示。由表4中可以看出,对于三种造孔剂,随用量的增大,多孔陶瓷的弯曲强度和比重均降低,在使用相同的含量的三种造孔剂的条件下,ACR的多孔陶瓷弯曲强度最大,但其比重相差并不大,即三者的孔隙率相差也不大。图6为不同造孔剂所得多孔陶瓷的形貌图,从上图中可以看出,ACR、UPS均形成了连通孔结构。并且孔径细小。而PMMA所形成的孔大且是闭孔结构。孔径不同主要是由于所用造孔剂粒径的不同造成的。PMMA的粒径远远大于ACR的粒径,因此,其形成的孔径最大。而开孔和闭孔则主要是一方面是由于三者的热失重温度不同造成的。PMMA的分解主要集中在200~360℃之间,而ACR的分解温度200~520℃之间,因此,PMMA分解所得的孔,在以后的升温过程中,更易被熔融的液体挤压成为闭孔结构。而ACR的分解温度段更长,孔与孔之间形成连通结构后被挤压成闭孔的可能性要远远小于PMMA的。因此,用10wt%的ACR为造孔剂。2.5钠长石的用量采用ACR为造孔剂,在球磨时间为6h,烧结制度2的情况下,采用调节钠长石含量的方法来调节多孔陶瓷的孔径。所得多孔陶瓷的孔径分布如下图7所示。从图7中可以看出,随着钠长石含量的增加,所得多孔陶瓷的孔径逐渐向左移动,即向孔径减小的地方移动。由表5可以看出,随物料中长石含量的增加,平均孔径和孔隙率减小,弯曲强度增大。这主要是由于钠长石具有降低熔点的作用,能够使陶瓷更早的熔融,更早的填充其中的孔隙,从而使其孔隙更为细小。从图8可以看出,不同原料配比所得制品的晶体组成基本没有差异,以莫来石和方石英为主。但是,其孔径差异非常明显,因而,通过调节原料的配比能有效的控制了多孔陶瓷内部的孔径及其分布。3球磨时间对多孔陶瓷微观形貌的影响(1)选用4∶4∶2(高岭土∶长石∶石英)所得多孔陶瓷的强度较高;(2)烧结制度的选择需要依据所用造孔剂的热失重温度。在造孔剂的热失重温度温度之前应该选择相对慢的升温速率;(3)在球磨时间12h之前,随着球磨时间的延长,所得多孔陶瓷的强度逐渐增大;(4)不同种类的造孔剂所得多孔陶瓷的强度差异很大;(5)采用调节基体中钠长石含量的方式有效的控制了多孔陶瓷的孔径分布。由图5不同球磨时间所得多孔陶瓷的微观形貌图可以