成孔劑對多孔陶瓷過濾膜支撐體性能的影響

劉永鋒 劉開琪 袁永兵 王秉軍 趙宏偉 丁 鈺

（中國鋼研科技集團有限公司，特種陶瓷與耐火材料北京市重點實驗室，北京 100081）

0 前言

冶金、電力、機械、化工、水泥等行業的各種工業爐窯排放出來的廢氣不僅溫度高，而且含有大量的粉塵和有害氣體，給環境造成巨大壓力[1-3]。目前，多孔陶瓷過濾膜管在高溫除塵領域已經得到應用，且已取得了良好的社會效益和經濟效益[4-6]。然而，隨著應用的不斷成熟和推廣，使用環境對過濾膜管支撐體（如高氣通量、低壓降、高強度、抗熱震、耐腐蝕等性能）提出了越來越高的要求。

本文就成孔劑對多孔陶瓷成型性能、氣孔率、強度以及顯微結構的影響進行了研究，以期為支撐體的改進提供參考依據。

1 實驗

本實驗所用原料包括莫來石（0.4～0.6mm）、高嶺土、長石、炭黑（D50=5μm）、羧甲基纖維素鈉CMC、以及淀粉醚溶液（12%濃度）。其中，莫來石用作支撐體的主原料，高嶺土和長石（質量比6∶4）用作燒結助劑、炭黑和CMC分別用作成孔劑、淀粉醚溶液用作粘結劑。本研究固定燒結助劑添加量為10%質量分數，CMC溶液外加量為4～8%。

試樣制備：采用固態粒子燒結法制備多孔陶瓷支撐體；首先將粉體預混合均勻；將莫來石顆粒倒入攪拌設備中，加入CMC溶液攪拌至顆粒表面充分潤濕；再加入預先混合均勻的粉體，攪拌5min，使粉體均勻粘附于顆粒表面形成包覆顆粒；困料4h；采用等靜壓成型工藝150MPa制備尺寸Φ60mm×Φ40mm×600mm的陶瓷管和10mm×20mm×120mm的條狀試樣；坯體養護后經1350℃燒結制得試樣。

檢測方法：氣孔率采用Archimedes法進行檢測；抗彎強度采用三點梁彎曲法進行檢測；顯微結構采用Quanta掃描電鏡進行分析。

2 結果與討論

2.1 成孔劑對支撐體成型性能的影響

成孔劑對陶瓷管成型性能的影響如表1所示。以炭黑為成孔劑，其添加量不大于13%時，坯體成型性能較好，且強度較高；當添加量大于13%時，坯體回彈現象開始顯現，表面開始出現裂紋；添加量進一步提高，坯體強度明顯減弱，斷裂現象明顯。以CMC為成孔劑時，當添加量不大于8%時，坯體成型性能較好，強度滿足要求；添加量大于8%時，坯體回彈現象顯現，表面開始出現裂紋；添加量大于10%時，坯體層裂、粉化現象明顯。

表1 成孔劑對支撐體成型性能的影響Tab.1 Influence of the pore-forming materials on the formability of the support

圖1 成孔劑對支撐體氣孔率的影響Fig.1 Influence of the pore-forming agent on the porosity of the support

2.2 成孔劑對支撐體燒結性能的影響

成孔劑對支撐體氣孔率的影響如圖1所見。從圖可見：炭黑和CMC對氣孔率的影響均較為明顯，同等添加量時，CMC對氣孔率的影響略明顯于炭黑；成孔劑添加量較少時，氣孔率的變化較為緩慢，當達到一定量時，氣孔率呈較快增長；以CMC為成孔劑，支撐體氣孔率可達36.6%，以炭黑為成孔劑，支撐體氣孔率可達44.6%。

炭黑的密度大于CMC，在同質量的條件下，CMC在坯體內占據空間大于炭黑，因此對氣孔率的貢獻也就明顯于炭黑。圖1顯示即使不添加成孔劑，試樣的氣孔率也可達到25.6%，這部分氣孔由燒結助劑和莫來石顆粒不緊密堆積所形成。當CMC添加量小于4%或炭黑添加量小于6%時，成孔劑在成型時更多的是起到潤滑的作用以促進莫來石顆粒重排來實現最緊密堆積，并且在成型壓力的作用下被擠入到莫來石顆粒不緊密堆積形成的氣孔中，因此這部分成孔劑對燒后制品的氣孔率影響有限（圖2b）。當添加量超過這一臨界點，成型壓力下坯體達到緊密堆積的過程中，莫來石顆粒重排現象減少，僅間距變小（圖2c），成孔劑和燒結助劑的混合體多處于顆粒之間，燒結后莫來石顆粒通過燒結助劑實現連接，因此增孔作用開始集中體現。

成孔劑對支撐體材料強度的影響如圖3所示。CMC作成孔劑時，支撐體強度呈現先升高后降低的趨勢，其中CMC含量為4%時，強度達到最大值21MPa。分析其原因可能為，當CMC添加量較少時，其主要存在于莫來石顆粒不緊密堆積形成的氣孔中，雖對氣孔率影響不大，但是CMC是一種鈉鹽，在燒結過程中，鈉離子不揮發，在支撐體中起到助熔和燒結的作用，使支撐體產生額外的強度，因此強度升高。這一點從試樣燒后的表觀特征也可有所反映，添加10%CMC的試樣表面玻璃光澤明顯，而添加炭黑的試樣表面沒有玻璃光澤。當CMC添加量為4%時，氣孔率的增長和鈉離子的助燒作用達到平衡，強度達到最大值。當CMC添加量大于4%時，氣孔率的增長抵消了鈉離子助燒作用對強度的貢獻，因此支撐體強度開始下降。以炭黑為成孔劑時，支撐體強度穩中有降。分析其原因可能為，炭黑添加量較少時，對氣孔率影響不大，因此強度雖有起伏，但是總體穩定。隨炭黑含量繼續升高，其增孔效果明顯，因此強度下降。成孔劑含量大于8%時，以炭黑為成孔劑的支撐體強度高于CMC，分析其原因是CMC的增孔效果明顯于炭黑所致。

2.3 顯微結構分析

圖2 支撐體成型示意圖Fig.2 Forming of the support:(a) Mixture before forming;(b) Support body with a small amount of poreforming material;(c) Support body with an appropriate amount of pore-forming material

圖3 成孔劑對試樣抗折強度的影響Fig.3 Influence of the pore-forming material on the bending strength of the support

根據以上實驗結果，以10%炭黑和5%CMC為復合成孔劑，制備出氣孔率為39%，抗折強度為16.5MPa的莫來石質過濾膜管支撐體。其顯微結構如圖4所示。從圖可見，莫來石顆粒尺寸、氣孔尺寸較為均勻，支撐體結構整體均勻。

3 結論

（1）炭黑和CMC添加量分別小于13%和9%時，支撐體坯體可較好成型；

（2）炭黑和CMC對氣孔率的影響均較為明顯；同等含量時，CMC對氣孔率的影響略明顯于炭黑；成孔劑添加量較少時，氣孔率的變化較為緩慢，當達到一定量時，氣孔率呈較快增長；以CMC為成孔劑，支撐體氣孔率可達36.6%，以炭黑為成孔劑，支撐體氣孔率可達44.6%。

（3）CMC作成孔劑時，支撐體強度呈現先升高后降低的趨勢；CMC含量為4%時，抗彎強度達到21MPa；炭黑做成孔劑時，支撐體強度總體呈下降趨勢。

圖4 多孔陶瓷支撐體顯微結構Fig.4 Microstructure of the porous ceramic support

1任祥軍,程正勇,劉杏芹等.陶瓷膜用于氣固分離的研究現狀和前景.膜科學與技術,2005,25(2):65～68

2夏興祥.高溫除塵技術綜述.化工機械,2000,27(1):47～52

3張得平.鍋爐煙氣除塵技術及除塵器的選擇.大氮肥,2008,31(4):241～244

4姬忠禮.高溫陶瓷過濾元件的研究進展.化工裝備技術,2000,21(3):1～6

5薛友祥,孟憲謙,李憲景等.熱氣體凈化用的高溫陶瓷過濾材料.現代技術陶瓷，2005(3):18～21

6姬宏杰,楊家寬,肖波.陶瓷高溫除塵技術的研究進展.工業安全與環保,2003,29(2):17～20