影響鋯英石-氧化鈣質泡沫陶瓷掛漿量的因素

程井龍, 郭思辰, 何鈴鈴, 麥開華, 曹大力, 劉 音, 吳 昊

(沈陽化工學院材料科學與工程學院,遼寧沈陽 110142)

影響鋯英石-氧化鈣質泡沫陶瓷掛漿量的因素

程井龍, 郭思辰, 何鈴鈴, 麥開華, 曹大力, 劉 音, 吳 昊

(沈陽化工學院材料科學與工程學院,遼寧沈陽 110142)

研究水、無水乙醇、飽和CMC溶液、質量分數為10%的氫氧化鈉溶液處理聚氨酯泡沫塑料對其涂掛性能的影響;研究漿料中硅溶膠含量、漿料中的固相含量以及采用二次掛漿對泡沫塑料掛漿量的影響.研究發現:掛漿質量直接關系到泡沫陶瓷燒成后的強度、韌性等性能,因此,泡沫掛漿量對泡沫陶瓷的性能有很大影響.經過質量分數為 10%的氫氧化鈉溶液與 CMC聯合處理過的聚氨酯泡沫塑料的涂掛性較好;漿料中固相質量分數為75%時,具有最佳的涂掛性能;二次掛漿可以明顯地增加泡沫塑料的涂覆量,其孔筋直徑是一次掛漿的 2倍.

泡沫陶瓷過濾器; 鋯英石; 氧化鈣; 掛漿

泡沫陶瓷過濾器由于具有比表面積大、密度小、耐火度高等優點,廣泛應用于有色金屬過濾、熔融鋼鐵過濾、以及汽車尾氣凈化等領域[1-5].目前對泡沫陶瓷過濾器的研究與開發主要集中于碳化硅和氧化鋁等材質上.

近年來,由于鋯英石-氧化鈣合成的 CaOZrO2-SiO2系材料具有耐火度高、熱膨脹系數較低、熱穩定性好、化學穩定性好等優點,在耐火材料、陶瓷等領域得以廣泛應用和研究[1-2],但目前關于制備鋯英石-氧化鈣泡沫陶瓷過濾器的報道卻很少.

采用有機泡沫前軀體浸漬工藝生產泡沫陶瓷,泡沫塑料上的掛漿量是決定泡沫陶瓷成品率的一個重要環節.掛漿量過少,燒制成的泡沫陶瓷強度就會很低,為了使泡沫陶瓷過濾器在燒結后獲得足夠高的強度和透過率,陶瓷漿料必須要盡可能多地、均勻地涂掛在泡沫塑料的表面.本文就泡沫塑料的處理、漿料中硅溶膠含量和固相含量以及二次掛漿對泡沫塑料掛漿量的影響進行研究.

1 實驗部分

1.1 實驗原料及設備

原料 聚氨酯泡沫塑料:孔數為 2～3個/ cm2,德國進口;鋯英石粉:w(Zr O2)≥65.3%, 325目;硅溶膠:固相質量分數為 30%,pH值為9.5～10;聚丙烯酰胺 (PAM):相對分子質量≥300×104;氫氧化鈉、碳酸鈣、磷酸三丁酯、羧甲基纖維素鈉、無水乙醇皆為分析純試劑.

設備 SX-10-13型箱式電阻爐:沈陽市長城工業電爐廠生產.

1.2 泡沫塑料的預處理

(1)將聚氨酯泡沫塑料在清水中浸泡 2 h,室溫晾干.(2)用質量分數為 10%的NaOH溶液在 60℃下水解 2 h,最后用清水洗干凈,置于室溫晾干.(3)在 CMC配制的溶液中浸泡 2 h,然后用清水浸洗,置于室溫晾干.(4)在無水乙醇溶液中浸泡 2 h,然后用清水洗凈,置于室溫晾干.(5)使用時,首先在質量分數為 10%的NaOH溶液中 60℃水解 15 min,然后將其浸泡在 CMC配制的溶液中 2 h,最后用清水洗干凈,置于室溫晾干.泡沫塑料晾干以后,將其加工成75 mm×35 mm×20 mm的條狀樣品,以便進行掛漿量的測試.

1.3 漿料的制備及掛漿

將水與硅溶膠混合,攪拌 1 min,然后加入鋯英石和碳酸鈣攪拌 30 min后,加入聚丙烯酰胺(PAM)攪拌 30 min,調制成流動性、觸變性良好的陶瓷漿料;將處理過的聚氨酯泡沫塑料浸泡在陶瓷漿料中,待漿料充滿聚氨酯的孔隙后,擠出多余的漿料,反復擠壓揉搓,使陶瓷漿料均勻地涂掛在聚氨酯泡沫塑料的網狀結構上,制成素坯,在室溫下放置 24 h自然干燥.然后放到烘箱中,在 110℃下烘干12 h,使其水分質量分數降到 1%以下,最后再進行二次掛漿.將掛好漿料的前軀體在電阻爐中以 20℃/min的升溫速率加熱到 1 350℃燒結,保溫 1 h后取出,在室溫下冷卻.

2 結果與討論

2.1 泡沫塑料的表面處理對掛漿量的影響

圖 1為改性后的聚氨酯泡沫塑料在水、乙醇、1%(質量分數,以下同)NaOH水溶液、0.1%CMC水溶液以及1%NaOH+0.1%CMC水溶液浸漬后對涂掛漿料的增質量倍數圖.

圖 1 泡沫塑料處理方法對掛漿量的影響Fig.1 The effects of treatmentmethods on loading slurry properties of polyurethane sponge

由圖 1可以看出經過水、乙醇、1%NaOH水溶液、0.1%CMC水溶液以及 1%NaOH+0.1 %CMC水溶液浸漬后,泡沫塑料質量增量倍數分別為 8.4、9.0、11.5、9.5和 13.6倍.即對泡沫塑料的掛漿量的改善效果是:NaOH+CMC> NaOH>CMC>C2H5OH>H2O.用1%NaOH處理的泡沫塑料效果一般,是因為聚氨酯泡沫屬于高聚酯類化合物,它遇到強堿時,可發生水解反應[6],從而可去除泡沫孔筋間的隔膜并使泡沫塑料的表面變得粗糙,減少泡沫堵孔,提高泡沫通孔率,但不能很好地改善泡沫塑料的潤濕性.單獨使用CMC時效果也不是很好.這是因為 CMC溶解于水,在溶液中的分解反應如下[7]:

當 pH<7時,羧酸基會與水中的氫離子生成羧酸,從而失去表面活性.當 pH>7時,其主要以陰離子A—COO-形式存在,但不能改善聚氨酯塑料表面性能.而采用NaOH+CMC處理后的泡沫塑料的涂掛性能最好,這是因為采用NaOH溶液處理泡沫塑料使之呈弱堿性,而且掛漿所使用的漿料的 pH值通常在 10左右,此時CMC的碳鏈端吸附在聚氨酯表面,而親水的羧酸基朝上,可以與水基漿料很好地結合,從而大大地改善水基漿料在泡沫塑料表面的潤濕性.羧甲基纖維素的羧酸端具有很強的親水性,從而促進了掛漿性能的提高.所以 CMC和NaOH溶液同時使用時,既能改善泡沫陶瓷的潤濕性,又能使泡沫塑料的表面變得粗糙、易涂掛,因而泡沫塑料的質量增量最大.

2.2 硅溶膠對漿料掛漿量的影響

硅溶膠是無定形二氧化硅膠體粒子在水或有機溶劑中的分散體系,其分子式為mSiO2·nH2O.在泡沫陶瓷料漿中使用硅溶膠有以下優點[6-8]:(1)膠體粒子細微 (10～20 nm),比表面積大,粒子無色透明,不影響有機前軀體的顏色;(2)黏度低,分散性和滲透性好,故能很好地融入漿料;(3)當硅溶膠水分蒸發時,膠體粒子間形成硅氧結合,牢固地附著在前軀體表面;(4)二氧化硅粒子可增大摩擦系數,干燥或燒結可形成固態凝膠,具有一定的耐久性,既可形成具有比表面積大及均勻細孔的凝膠,又可均勻分散粉料,增加懸浮體的穩定性;(5)通過Si—OH基和吸附水可提高潤濕性和防止以后泡沫陶瓷帶電;(6)可浸入充填到多孔物質中,使表面平滑,通過均勻混合微粒,可使有機樹脂進行機械、光學及電學性能方面的改性增強;(7)溶膠為液狀,能進行均相反應,以硅溶膠代替二氧化硅作原料進行反應,可提高反應速度.

硅溶膠顆粒細微,析膠時的氧化硅具有較高的活性,能與某些無機鹽、金屬氧化物生成新的硅酸鹽無機高分子化合物,形成很硬的膜;粒子細小滲透力強,能通過毛細管作用滲透到基材的內部,并能與基材中的堿性物質 Ca(OH)2反應生成硅酸鈣,增強涂層附著力.

鋯英石、碳酸鈣均為瘠性料,與水混合后形成的懸浮體不穩定,易分層,涂掛性能差,只能增質量 3.5倍左右,而且坯體干燥后易脫落,強度亦很差;加入硅溶膠后,成漿效果明顯,涂掛性能也非常好,浸漬、干燥后,泡沫塑料可增質量 10.5倍,強度明顯提高,坯體干燥后也不會脫落.

在漿料中添加硅溶膠,硅溶膠可牢固地附著在泡沫塑料表面并形成堅固的膜,同時成膜溫度很低;而且硅溶膠可形成具有表面積大且均勻細孔的凝膠,又可均勻分散粉料,增加懸浮體的穩定性;此外,硅溶膠通過 Si—OH基吸附水,可提高潤濕性.

2.3 固相質量分數對掛漿量的影響

圖 2為陶瓷漿料的固相質量分數與泡沫塑料掛漿量的關系圖.由圖 2可知,漿料的固相質量分數為 70%時,掛漿量為 0.48 g/cm3,漿料的固相質量分數為 75%時,掛漿量為 0.70 g/cm3,而固相質量分數增加到 80%時,掛漿量達到了0.79 g/cm3,在固相質量分數為 70% ～80%時,泡沫塑料的掛漿量隨漿料固相質量分數的增加而增加.

圖 2 泡沫塑料的掛漿量與漿料固相質量分數的關系Fig.2 The amount of loading slurry on polyurethane sponge verse the solids content of slurry

采用有機泡沫浸漬工藝生產泡沫陶瓷,對漿料的要求很高,為了使泡沫陶瓷在燒結后獲得足夠高的強度和高透過率,陶瓷漿料必須要盡可能多地、均勻地涂掛在泡沫塑料筋的表面上.這就要求漿料必須具有較好的觸變性能,即漿料在靜態時具有很高的黏度,能夠牢固地吸附在泡沫的孔筋上,但當受到剪切力后黏度降低,具有很好的流動性,在泡沫受擠壓過程中可以把多余的漿料擠出,而不會造成過多的堵孔.

陶瓷漿料的觸變性可以通過漿料中固相質量分數的變化來調整,但漿料中固相質量分數過高,制備比較困難[7].試驗中,通過改變 CMC的添加量來調整漿料的觸變性,漿料中 CMC添加量為 0.1%(質量分數),漿料的觸變性較好,但漿料中固相質量分數達到 80%時,其流變性較差,多余的漿料殘留在泡沫塑料內部,無法排除多余的漿料,造成樣品大面積的堵孔,因此,選用固相質量分數為 75%的漿料.

2.4 一次掛漿和二次掛漿的影響

采用一次掛漿的素坯直接燒結后,由于掛漿量不多,會導致泡沫陶瓷強度比較低.為了提高制品的強度,改善制品的熱穩定性,需要進行二次掛漿.但由于經一次掛漿干燥后的樣品沒有彈性,又不能破壞一次掛漿后的素坯,因此,第二次掛漿漿料的固相質量分數不能太高,否則會因為后期排料困難而造成堵孔;而固相質量分數過低不利于提高泡沫陶瓷的強度[7].實驗表明二次掛漿的量佳固相質量分數為 68%.

由圖 3可見:只經過一次掛漿的泡沫陶瓷的孔筋比較小,而且泡沫塑料表面的網狀結構已經不完整;經過二次掛漿后泡沫陶瓷的孔筋直徑是一次掛漿的 2倍,表面顆粒的排列也比一次掛漿的致密得多.

圖 3 一次掛漿與二次掛漿后的顯微結構Fig.3 Microscope structure of once loading slurry contrast twice loading slurry

由表 1可以看出:泡沫陶瓷過濾器二次掛漿后的質量比一次掛漿有明顯的提高,質量比一次掛漿的陶瓷增加 1倍多.這是因為一次掛漿在泡沫塑料所吸附的漿料比較少,導致素坯表面在泡沫塑料揮發逸出時出現了輕微的塌陷,但一次掛漿的陶瓷表面與二次掛漿的陶瓷漿料有很好的潤濕性和相容性,所以經過二次掛漿,泡沫陶瓷的孔筋增厚,并且彌補了一次掛漿后的部分缺陷,因而燒結后表面均勻,強度較一次掛漿有明顯的提高.

表 1 一次掛漿與二次掛漿涂覆量的對比Table 1 Once loading slurry contrast twice loading slurry

3 結 論

(1)浸漬處理對泡沫塑料的掛漿量改善效果的順序是:10%NaOH+0.1%CMC>1% NaOH>0.1%CMC>C2H5OH>H2O.

(2)當固相質量分數為75%時制備出來的漿料的流動性、觸變性都較好,而且涂掛時不堵孔.

(3)通過二次掛漿可以明顯地增加泡沫塑料的涂覆量,二次掛漿后孔筋是一次掛漿的 2倍,從而提高泡沫陶瓷的強度;二次掛漿所用漿料的最佳固相質量分數為 68%.

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Factors of Influence Zircon-calcia Based Foam Ceram ics Loading Slurry

CHENG Jing-long, GUO Si-chen, HE L ing-ling, MA I Kai-hua, CAO Da-li, L IU Yin, WU Hao
(Shenyang U niversity of Chem ical Technology,Shenyang110142,China)

The influencescents of w ater,alcohol,CM C and10%N aOH solution on polyurethane sponges w ere studied;the effects of silica sol content,solids content of slurry and tw ice loading slurry on loading slurry am ount on the foam sponge w ere system ically studied.The results show ed that polyurethane sponges imm ersed in10%N aOH and CM C solution had best coating properties and that optim al loading slurry am ount couldound be obtained w hen solids content was75%, tw ice loading slurry can obviously increase loading slurry w eight on the foam sponge,and the diam eter of strut can be up to2tim es m ore than once loading slurry.

foam ceram ics filter; zircon; calcia; loading slurry

TQ050.4

A

1004-4639(2010)03-0263-04

2008-12-24

程井龍(1986-),男,河北撫寧人,大學在讀,主要從事泡沫陶瓷過濾器的研究.

曹大力(1969-),男,吉林樺甸人,副教授,博士,主要從事泡沫陶瓷過濾器的研究.