玻璃化多孔陶瓷材料的制備研究

張仕昭 李樹嶺 趙浩峰 王巧玲 劉妍慧 潘子云 王玲

摘 要：多孔陶瓷是一種含孔洞的無機非金屬過濾材料，常用于液體的過濾。主要制作方法有添加造孔劑法、發泡法、有機泡沫浸漬法和溶膠—凝膠法。本文利用發泡劑和模板來制備多孔陶瓷，通過添加不同發泡劑，來尋找各個原料的最佳配比，從而制備出高效的多孔陶瓷。

關鍵詞：多孔陶瓷；無機非金屬過濾材料；發泡法；有機泡沫浸漬法

1 引言

當今社會，工業發展迅速，水污染越來越嚴重，多孔陶瓷在廢水凈化方面，有很好的效果。多孔陶瓷是一種含有較多孔洞的無機非金屬材料，具有化學穩定性好、耐熱性好的優點，在廢水過濾方面得到廣泛的應用[1]。

有機泡沫浸漬法是制備多孔陶瓷的有效工藝[2]，其工藝簡單、操作方便、制造成本低，具有良好的發展前景[3]。有資料顯示，以長石作為陶瓷結合劑，可以降低陶瓷的燒結溫度[4]。因此，本文以粘土為基體，長石為主要添加劑，探討不同發泡劑對陶瓷玻璃化制備的影響。

2 實驗材料及方法

實驗采用粘土、氟化鈣、碳酸鈉、質量分數為5%的氫氧化鈉水溶液以及長石粉、PVC、聚苯乙烯、碳粉、淀粉、硼砂等為材料。其中，長石粉、氟化鈣作為陶瓷結合劑，可以降低陶瓷燒制溫度。碳酸鈉作為陶瓷添加劑，可以促進陶瓷玻璃化結構形成。有資料顯示PVC、聚苯乙烯、淀粉、碳粉具有很好的發泡效果[5]，受熱揮發而形成多孔結構，因此，將其為發泡劑，并對發泡效果進行比較。硼砂用于降低熔點，并提高多孔材料的強度[6]。實驗材料按照一定比例配置：長石3～10%，PVC（聚苯乙烯）4～20%，碳粉2～6%，碳酸鈉2～6%，硼砂3%，其余為粘土。

將原材料按照以上配方稱量，混合均勻，再加入20滴蒸餾水，配置成泥漿，將使用2%氫氧化鈉洗凈的模板浸入泥漿中，反復擠壓，待泥漿充滿模板后取出。同樣的方法，每組做三個試樣，分別加熱到1100℃、999℃和750℃燒結。

實驗流程為：按配方配料——將配料混合均勻——將粉料成型——燒結完成。

3 實驗結果及討論

3.1 玻璃化的產生

圖1為使用聚苯乙烯作為發泡劑的多孔陶瓷圖片，其主要原料是粘土、長石、聚苯乙烯和PVC。圖2為使用碳酸鈉作為發泡劑的多孔陶瓷圖片，其主要原料為粘土、長石、碳酸鈉、硼砂和PVC。由圖片可知，圖1孔洞較小，沒有玻璃化產生；圖2孔洞較大。有玻璃化產生。實驗結果顯示，圖1陶瓷的熔點在950～1050℃之間，圖2陶瓷的熔點在750～800℃之間。經比較得知，硼砂可以降低陶瓷熔點。

得到玻璃化結構的原因是：（1）碳酸鈉本身是制備玻璃的原材料。當燒結溫度超過碳酸鈉的熔點，碳酸鈉分解產生二氧化碳，而粘土本身含有二氧化硅，多種雜質混合形成低共融物，當溫度升高，共融物融化，出現液相，形成硅酸鹽和游離二氧化硅等透明燒結物。溫度繼續升高，則形成玻璃態的多孔陶瓷；（2）從熱力學角度分析，玻璃態具有較高的內能，屬于亞穩態結構，且玻璃和晶體的內能相差不大，析出動力小，能夠在常溫下保存。另外，碳酸根離子體積較大，不易調整結構，因此不易形成空間排布統一的晶體，而是形成亞穩態的玻璃體；（3）從微觀角度分析，陶瓷內部含有離子鍵和共價鍵，可以形成sp電子雜化軌道，構成σ鍵和π鍵。它既有離子鍵的特點，又有共價鍵的特點，易于形成玻璃態。有資料顯示，玻璃化結構之所以強度較高，是因為玻璃化結構中Si4+和O2-離子構成的四面體無序排列，形成了無周期反復的結構單元[7]。

圖3是陶瓷熔點隨長石粉百分含量變化曲線，由圖可知，隨著長石的百分含量增加，陶瓷的熔點下降。

圖4是陶瓷相對強度隨硼砂含量變化曲線，陶瓷的相對強度是指陶瓷實際強度相對于理論的強度。由圖4可知，隨著硼砂含量增加，陶瓷的強度也增大。

3.2 發泡劑效果的比較

由實驗結果可知，聚苯乙烯的發泡效果優于聚氯乙烯，這是因為在受熱過程中，聚苯乙烯熱膨脹體積高于聚氯乙烯。聚苯乙烯的發泡效果也優于碳粉，使用Materials Studio 7.0對碳粉進行布局數分析。結果見圖5、圖6。圖5是使用聚氯乙烯作為發泡劑的多孔陶瓷微觀形貌圖，圖6是使用聚苯乙烯作為發泡劑的多孔陶瓷微觀形貌圖。比較兩圖可知，聚苯乙烯發泡效果更好。圖7是使用碳粉作為發泡劑的實驗樣品微觀形貌圖。碳粉中含有少量離子鍵，這是阻礙碳原子受熱膨脹的原因。

圖8是在999℃燒結的樣品微觀形貌圖，圖9是在750℃燒結的樣品微觀形貌圖。由實驗可知，實驗的兩個試樣，在999℃燒結的試樣孔隙明顯少于在750℃燒結的試樣孔隙。這是由于溫度過高，導致陶瓷融化，粘土溶液覆蓋住孔隙，降低其孔隙率。

4 結論

（1）聚苯乙烯的發泡效果優于聚氯乙烯和碳粉，因為其受熱膨脹體積大。

（2）碳酸鈉不僅能夠作為發泡劑，還能促進多孔陶瓷玻璃化的生成，提高強度。

（3）多孔陶瓷氣孔率上升，陶瓷強度下降。

參考文獻

[1] 陳士冰，王世峰，辛旭亮，等.多孔陶瓷過濾材料的研究進展[J].山

東輕工業學院學報，2009，23（2）：17～20.

[2] 朱新文，江東亮.有機泡沫浸漬工藝—一種經濟實用的多孔陶

瓷制備工藝[J].硅酸鹽通報，2000（3）：45～51.

[3] 劉珩，安黛宗，蕭勁東.多孔陶瓷的制備和應用研究進展[J].江蘇

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[4] 張銳. SiC多孔陶瓷的氣孔率和強度[J]. 金剛石與磨料磨具工

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