蜂窩陶瓷的制備與應(yīng)用

摘 要 蜂窩陶瓷作為一種功能性多孔材料已越來(lái)越受到人們的青睞，其在工業(yè)、環(huán)保方面的廣泛應(yīng)用，日益受到人們的重視。本文對(duì)蜂窩陶瓷的制備方法、工藝過(guò)程及典型應(yīng)用進(jìn)行了介紹。

關(guān)鍵詞 蜂窩陶瓷，制備，應(yīng)用

1引 言

蜂窩陶瓷作為一種功能性多孔材料[1]，早在20世紀(jì)70年代就由美國(guó)康寧(Corning)公司開(kāi)始試制，并在1975年進(jìn)行了小型車(chē)尾氣凈化試驗(yàn)，取得了良好的效果。目前世界上最大的兩個(gè)蜂窩陶瓷的生產(chǎn)廠(chǎng)家[2]是美國(guó)康寧公司（約占世界市場(chǎng)的50%）和日本NGK公司（約占40%）。這兩大廠(chǎng)家均采用堇青石作為蜂窩載體，其原因是：（1）價(jià)格便宜；（2）原材料易取得；（3）生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)；（4）性能基本上能夠滿(mǎn)足使用需要。

蜂窩陶瓷具有高的比表面積和良好的物理化學(xué)穩(wěn)定性，另外還具有低密度、高滲透率、良好的能量吸收性能以及耐高溫、耐腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性和尺寸穩(wěn)定性高、易于再生等諸多特點(diǎn)。近年來(lái)，隨著制備技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，應(yīng)用水平也不斷提高。蜂窩陶瓷作為一種新型材料，越來(lái)越受到人們的重視。與傳統(tǒng)的顆粒狀陶瓷載體相比，多孔狀蜂窩陶瓷載體具有壓力降小、幾何表面大、擴(kuò)展距離短、有利于反應(yīng)物的進(jìn)入和生成物的排出，并可縮小反應(yīng)器的體積等優(yōu)點(diǎn)。因此蜂窩陶瓷特別適用于汽車(chē)尾氣的處理、煙道氣的凈化、蓄熱體以及紅外輻射燃燒板等方面。本文就其制備技術(shù)與典型應(yīng)用進(jìn)行介紹。

2蜂窩陶瓷的制備技術(shù)

蜂窩陶瓷的制備工藝大體上可以分為下面幾種：擠壓、熱壓鑄、注漿及注凝成形。其中生產(chǎn)量比較大、使用比較廣泛的是擠壓和熱壓鑄兩種方法。

2.1 擠壓成形

擠壓成形是通過(guò)模具將可塑性料擠壓成形、微波干燥并燒制成多孔陶瓷的方法。形成的孔通常有幾個(gè)毫米大，小的孔可達(dá)微米級(jí)，而且是直線(xiàn)連通的，常見(jiàn)的孔外形有正方形、三角形、六邊形等。

其制備工藝流程為：原料合成→混合練泥→陳腐→擠壓成形→干燥→燒成。

制備蜂窩陶瓷的主要原料有堇青石、鈦酸鋁、鋰輝石、氧化鋁、鋯英石、碳化硅、氮化硅、莫來(lái)石等。由于蜂窩陶瓷采用擠壓成形，必須在主原料中加入各種添加劑來(lái)提高泥坯的可塑性和流動(dòng)性，這些添加劑主要有：粘結(jié)劑、增塑劑、解膠劑、潤(rùn)滑劑、潤(rùn)濕劑等。此外，還有保水劑、鰲合劑、靜電防止劑、膠體保護(hù)劑和表面活性劑等。目前大都采用淀粉、羧甲基纖維素、聚乙烯醇作為粘結(jié)劑；桐油、硬脂酸等作潤(rùn)滑劑；甘油作增塑劑。目前我國(guó)已經(jīng)生產(chǎn)出400孔/in²模具，但是美國(guó)、日本已經(jīng)研制出了600孔/in²、900孔/in²甚至高達(dá)1100孔/in²的高密度孔蜂窩陶瓷。我國(guó)現(xiàn)在已開(kāi)始了600孔/in²擠出成形模具的研究，并取得了初步成功[3]。

2.2 熱壓鑄成形

熱壓鑄成形為注漿成形的一種，采用在陶瓷泥料中加入石蠟和油酸、硬脂酸、蜂蠟等表面活性劑的方法，在一定溫度下流體化配料，再用壓縮空氣將料漿壓入模具中，在室溫下有機(jī)物硬化后成形（有機(jī)物在高溫?zé)Y(jié)時(shí)被燒掉）。實(shí)踐表明，這是目前比較常用、生產(chǎn)效率較高、質(zhì)量較好的生產(chǎn)方法。為了增加低溫強(qiáng)度，采用低溫排蠟的工藝，工藝流程如圖1所示。

燒成過(guò)程采用慢升溫，特別是在低溫排蠟除去有機(jī)物階段，窯內(nèi)溫度要均勻，以減少因有機(jī)物的大量迅速排除及溫度不均勻產(chǎn)生開(kāi)裂等缺陷。燒成設(shè)備可用電熱隧道窯及燃油燃?xì)馑笫礁G。燒成時(shí)應(yīng)注意碼坯方法，才能保證成品率及燒成質(zhì)量。

3蜂窩陶瓷的應(yīng)用

蜂窩陶瓷的應(yīng)用已非常廣泛，在很多領(lǐng)域都有成功的應(yīng)用，下面介紹幾種較典型的應(yīng)用。

3.1 工業(yè)煙氣處理

隨著工業(yè)的發(fā)展，大氣污染也越來(lái)越嚴(yán)重。為了控制大氣污染，人們開(kāi)發(fā)了多種凈化技術(shù)。多孔蜂窩陶瓷因其性能優(yōu)良，已被廣泛用于煙道氣中NO_X、SO₃的排除處理。例如，采用靜電沉降器的電廠(chǎng)需選用低硫煤作為原料，以減少硫氧化物，從而防止引起酸雨。然而，低硫煤含硫量太低，又不能從鍋爐中有效去除燃燒產(chǎn)生的灰塵。以往解決該問(wèn)題的方法是在工藝過(guò)程中加入硫，此方法成本高、不方便、維護(hù)危險(xiǎn)且影響產(chǎn)率。

最近， Applied陶瓷公司及相關(guān)的公司、組織已成功開(kāi)發(fā)出一種新型陶瓷材料來(lái)解決該問(wèn)題。該方法源于Applied陶瓷公司的蜂窩陶瓷擠壓成形技術(shù)和催化劑技術(shù)。該方法能使低硫煤產(chǎn)生足夠的SO₃，無(wú)需另外添加硫。這種工藝方法需采用陶瓷材料是因?yàn)榇呋瘎┰诟邷丨h(huán)境下才能起作用，而陶瓷材料可在工藝過(guò)程中保持惰性，不會(huì)和催化劑發(fā)生反應(yīng)。該方法采用熔融石英陶瓷材料擠壓成形做成蜂窩陶瓷。熔融石英的優(yōu)點(diǎn)在于具有惰性、低熱膨脹特性及高熱容性。這種熔融石英蜂窩陶瓷可作為催化劑載體和基底。催化劑被結(jié)合在蜂窩陶瓷表面，并通過(guò)二次浸漬工藝滲透至孔隙中，在這種蜂窩陶瓷的使用期限內(nèi)，即使其表面結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中被腐蝕掉，里面的催化劑也將持續(xù)暴露出來(lái)，這樣便可維持安裝時(shí)的催化效率。

這種蜂窩陶瓷催化劑結(jié)構(gòu)為解決低硫煤的問(wèn)題提供了一種成本低而又非常有效的方法。它的優(yōu)點(diǎn)還包括：節(jié)省能源消耗、避免發(fā)生火災(zāi)和熔融硫儲(chǔ)存和處理過(guò)程發(fā)生爆炸的潛在危險(xiǎn)等。這種工藝方法將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益，減少環(huán)境污染。

3.2 過(guò)濾材料

蜂窩陶瓷作為過(guò)濾材料有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）化學(xué)穩(wěn)定性好，耐酸堿及有機(jī)溶劑；（2）極好的耐急熱急冷性能，工作溫度可高達(dá)1000℃；（3）抗菌性能好，不易被細(xì)菌降解，不易堵塞且易再生；（4）較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，孔徑分布狹窄，滲透率高；（5）無(wú)毒，尤其適用于食品和藥物的處理。這里主要介紹一下其在冶金和水質(zhì)凈化兩個(gè)方面的應(yīng)用[4]。采用擠壓成形工藝，使陶瓷過(guò)濾片具有獨(dú)特的正方形和三角形設(shè)計(jì)。該結(jié)構(gòu)增加了陶瓷體的比表面積，提高了過(guò)濾片吸附和捕捉細(xì)小雜質(zhì)的能力，比非擠壓式過(guò)濾片過(guò)濾效果好，金屬液流動(dòng)平穩(wěn)。通過(guò)過(guò)濾可取得以下效果：（1）凈化金屬液，去除非金屬雜質(zhì)和氣體；（2）使金屬液充型平穩(wěn)，減少漩渦；（3）簡(jiǎn)化澆注系統(tǒng)，提高工藝出品率；（4）減少鑄件氣孔、優(yōu)化、細(xì)化金屬組織；（5）提高鑄件表面質(zhì)量和力學(xué)性能；（6）降低鑄件廢品率；（7）減少加工余量和提高刀具壽命，降低鑄造成本。

水質(zhì)凈化方面主要以活性炭材料為主要成分制成孔徑很小的蜂窩載體，裝入處理設(shè)備中處理工業(yè)廢水中的重金屬和有機(jī)物，具有一定的效果。此種方法吸附容量大、阻力小、價(jià)廉、可再生利用，但也存在不少不足之處。研究部門(mén)和工廠(chǎng)正在研究開(kāi)發(fā)用聚丙烯材料制成管狀或蜂窩狀用于水質(zhì)凈化，目前處于初試階段，有著良好的前景。

3.3 催化劑載體

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，交通運(yùn)輸業(yè)所帶來(lái)的環(huán)境污染日益嚴(yán)重。對(duì)國(guó)內(nèi)外大城市大氣質(zhì)量的測(cè)試結(jié)果表明：汽車(chē)尾氣是空氣污染的主要污染源。汽車(chē)尾氣中含有CO、NO_X和碳?xì)浠衔铮@些成分雖然占的比例不大，但都是有害的，并有強(qiáng)烈的刺激性氣味及致癌作用。為了解決這一問(wèn)題，目前世界各國(guó)都趨向于使用三元催化劑。三元催化凈化器主要由外殼、載體和催化劑三部分組成，其中載體是最基本、最關(guān)鍵的因素。在汽車(chē)尾氣催化凈化器采用的載體材料中，得到廣泛應(yīng)用的是陶瓷材料，即整體型蜂窩陶瓷載體[5]。

作為載體，其制備工藝主要采用擠壓成形技術(shù)，然后在其表面涂附一層催化活性組分，一般為Pt、Rh和Pd等比較昂貴的貴金屬。催化劑活性組分可以使廢氣中的有害成分轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)害的CO₂、H₂O和N₂而排出。

蜂窩陶瓷由于其發(fā)達(dá)的比表面本身具有催化功能，而涂覆特定的催化劑后，則可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)反應(yīng)的選擇性催化，大幅度地提高通過(guò)其孔道流體的轉(zhuǎn)換效率和反應(yīng)速率。因此目前人們一致認(rèn)為用蜂窩陶瓷制造的汽車(chē)凈化器和微粒捕捉器是控制汽車(chē)尾氣排放的最有效的方法。

3.4 蓄熱體

20世紀(jì)90年代初，日本科學(xué)家首先發(fā)明了高溫空氣貧氧燃燒技術(shù)(HTAC)，該技術(shù)被譽(yù)為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)之一。該技術(shù)的關(guān)鍵之一是制備高性能的蓄熱體材料——蜂窩陶瓷[6]。蜂窩陶瓷蓄熱體具有耐高溫、抗腐蝕、熱震穩(wěn)定性好、強(qiáng)度高、蓄熱量大、導(dǎo)熱性能好等顯著優(yōu)點(diǎn)，節(jié)能效果和使用壽命大大提高。

蓄熱式高溫空氣燃燒是一項(xiàng)具有巨大節(jié)能和環(huán)保雙重功效的新型燃燒技術(shù)，蜂窩陶瓷蓄熱體是蓄熱式燃燒器的關(guān)鍵部件，廣泛用于鋼鐵、機(jī)械、建材、石化、有色金屬冶煉等行業(yè)的各種加熱爐、熱風(fēng)爐、熱處理爐、裂解爐、烘烤器、熔化爐、均熱爐、油氣鍋爐等窯爐中。該技術(shù)通過(guò)換向裝置使兩個(gè)蓄熱室交替吸熱放熱，最大限度地回收煙氣的熱量，再把爐內(nèi)的助燃空氣和煤氣加熱到1000℃以上，即使低熱值的劣質(zhì)燃料也能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定著火和高效燃燒，可節(jié)省燃料達(dá)40%～70%，產(chǎn)量提高15%以上，鋼坯氧化燒損下降40%以上，NO_X排放小于100ppm，排放的煙氣溫度低于150℃，大大降低了地球大氣的溫室效應(yīng)。如果全國(guó)大多數(shù)工業(yè)窯爐都采用HTAC技術(shù)，其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益不可估量，將極大地緩解能源緊缺的狀況，并改善人類(lèi)的生存環(huán)境。

3.5 紅外輻射燃燒板

把蜂窩陶瓷裝載在灶具及燃燒器上面，憑借其高開(kāi)孔率的優(yōu)勢(shì)可以起到充分燃燒的效果。另外，由于其具有輻射作用可起到節(jié)能環(huán)保的效果。天然液化石油氣和煤氣會(huì)產(chǎn)生碳?xì)浠衔锖虲O等有害氣體，嚴(yán)重污染室內(nèi)空氣，而采用蜂窩陶瓷時(shí)則可以?xún)艋紵V州紅日燃具公司生產(chǎn)出了具有圓孔和方孔狀耐高溫陶瓷片，此種陶瓷片可裝在灶具和燃燒器上（見(jiàn)圖2），使用時(shí)燃燒可以輻射出紅外線(xiàn)，使液化氣經(jīng)催化、氧化而充分燃燒，碳?xì)浠衔铩O等轉(zhuǎn)化率均在95%以上。通過(guò)應(yīng)用該技術(shù)，紅外線(xiàn)燃?xì)庠罹吲c普通大氣式灶具相比，具有以下幾方面顯著的優(yōu)點(diǎn)：

（1） 高效節(jié)能：熱效率高，節(jié)約燃?xì)猓且环N具有顯著節(jié)能效果的燃具。紅外線(xiàn)家用燃?xì)庠罹弋a(chǎn)品的燃燒熱能主要由輻射傳熱和對(duì)流傳熱兩部分組成，輻射能約占50%～60%；大氣式灶具產(chǎn)品的燃燒熱能主要是對(duì)流傳熱，輻射傳熱僅占極少的一部分。由于輻射傳熱具有傳熱效率高的特點(diǎn)，對(duì)于被加熱物質(zhì)（如水），具有很強(qiáng)的穿透性，其熱量很容易被加熱物體所吸收，故具有熱效率高、節(jié)約能源的優(yōu)點(diǎn)。而對(duì)流傳熱是通過(guò)對(duì)流熱（熱空氣、火焰）與被加熱物體間的溫差、加熱時(shí)間來(lái)進(jìn)行的，由于其停留時(shí)間短，對(duì)流熱有大量被耗廢掉，使得器具所接收的熱量大為減少，熱效率低。實(shí)踐證明，紅外線(xiàn)家用燃?xì)庠罹弋a(chǎn)品的熱效率約比普通大氣式灶具產(chǎn)品高20%，即節(jié)能約20%左右。

（2） 環(huán)保健康：燃燒完全，燃燒后煙氣中的有害物質(zhì)含量明顯降低。由于紅外線(xiàn)家用燃?xì)庠罹呷紵鞑捎猛耆淮慰諝忸A(yù)混燃燒方式，燃燒所需的空氣完全來(lái)自引射的一次空氣，一次空氣的比例大，其燃燒完全，燃燒煙氣中的一氧化碳含量很低。同時(shí)由于其火孔熱強(qiáng)度遠(yuǎn)低于大氣式燃燒方式，燃燒火焰的局部溫度低，不利于熱氮氧化物的產(chǎn)生，其燃燒煙氣中的氮氧化物含量很低。

（3） 衛(wèi)生潔凈，不熏鍋。由于紅外線(xiàn)燃?xì)馊紵鞯娜紵谳椛浒宓谋砻孢M(jìn)行，無(wú)可見(jiàn)火焰，在加熱物體時(shí)無(wú)燃燒火焰接觸被加熱器具，不會(huì)出現(xiàn)大氣式灶具火焰遇冷而出現(xiàn)的析碳現(xiàn)象，即不會(huì)出現(xiàn)熏黑鍋的現(xiàn)象，可保持對(duì)廚房和被加熱器具的干凈，是綠色的燃具。

（4） 安全可靠、抗風(fēng)吹熄。安全性能好，不易被風(fēng)吹熄，不易被雨淋熄。由于紅外線(xiàn)燃?xì)馊紵魅紵椛浒迕娣e大、火孔多，其燃燒緊貼于輻射板的內(nèi)表面，當(dāng)風(fēng)吹過(guò)時(shí)無(wú)火焰可被吹脫離，而且灼熱的輻射板表面可使燃?xì)庵匦曼c(diǎn)燃，具有優(yōu)越的抗風(fēng)性能，其抵抗風(fēng)速的能力是大氣式灶具的三倍或以上。紅外線(xiàn)燃燒器的火孔數(shù)是大氣式灶具的一百倍左右，遠(yuǎn)比大氣式多，當(dāng)出現(xiàn)被湯水所淋的情況時(shí)，其大的燃燒面不易被全部淋熄，而灼熱的燃燒面又可迅速恢復(fù)燃燒，確保其燃燒的正常進(jìn)行。

4結(jié)語(yǔ)

蜂窩陶瓷在近幾年來(lái)得到了很大的發(fā)展，其制備方法不斷完善，應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)寬。對(duì)其制備工藝的研究正在走向系統(tǒng)化、理論化并逐漸轉(zhuǎn)入實(shí)用開(kāi)發(fā)階段。雖然蜂窩陶瓷具有諸多優(yōu)良的技術(shù)性能，并得到了廣泛應(yīng)用，但是在廣泛應(yīng)用的同時(shí)，其缺點(diǎn)也在不斷暴露出來(lái)。蜂窩陶瓷日前發(fā)展需要解決的是如何降低膨脹系數(shù)、提高單位面積的孔數(shù)及提高其機(jī)械強(qiáng)度等問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

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