剛玉—莫來(lái)石纖維復(fù)合膜的制備

王躍超

摘 要 本文選用剛玉微粉為骨料，加入高溫莫來(lái)石纖維，通過(guò)無(wú)機(jī)粘結(jié)劑將剛玉骨料和莫來(lái)石纖維有效地粘結(jié)在一起，在高溫下燒成制備出高孔隙率、低過(guò)濾壓降的剛玉莫來(lái)石纖維復(fù)合膜，并研究骨料顆粒粒徑、纖維加入量、纖維結(jié)構(gòu)等對(duì)膜材料性能的影響。

關(guān)鍵詞 陶瓷纖維復(fù)合膜；剛玉；莫來(lái)石纖維；過(guò)濾壓降

0 前 言

陶瓷纖維復(fù)合材料通常具備了良好的抗熱震性、較高的機(jī)械強(qiáng)度，同時(shí)又具有輕質(zhì)、高氣孔率等特點(diǎn)，因而引起國(guó)內(nèi)外的普遍重視，并被相繼研發(fā)出各種陶瓷纖維復(fù)合材料。如陶瓷纖維耐火材料、纖維增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料、陶瓷纖維復(fù)合過(guò)濾材料等。其中，陶瓷纖維復(fù)合過(guò)濾材料，是在多孔陶瓷支撐體表面復(fù)合一層由陶瓷連續(xù)長(zhǎng)纖維纏繞形成的過(guò)濾層或由陶瓷短纖維通過(guò)高溫粘結(jié)劑粘結(jié)形成的過(guò)濾層。

隨著過(guò)濾、分離 、凈化技術(shù)的不斷發(fā)展 ，尤其是熱氣體凈化技術(shù)的不斷發(fā)展，人們?cè)诓粩嘌芯窟^(guò)濾技術(shù)和過(guò)濾理論的同時(shí)，對(duì)新型過(guò)濾介質(zhì)的研究開(kāi)發(fā)也愈來(lái)愈重視。近年來(lái)，纖維復(fù)合過(guò)濾材料及纖維膜技術(shù)在過(guò)濾材料研究領(lǐng)域迅速興起。陶瓷纖維復(fù)合膜就是在多孔陶瓷材料和陶瓷膜材料基礎(chǔ)上通過(guò)纖維復(fù)合、纖維改性和涂層技術(shù)而制成的一種高性能陶瓷纖維復(fù)合膜過(guò)濾材料。

本文先以碳化硅為骨料，采用等靜壓成型制備出多孔碳化硅支撐體；再以剛玉微粉與莫來(lái)石短纖維為主要原料，采用浸漬提拉法在多孔碳化硅支撐體上制備剛玉—莫來(lái)石纖維復(fù)合膜，研究骨料顆粒粒徑、纖維加入量、纖維結(jié)構(gòu)等對(duì)膜材料性能的影響。

1 試 驗(yàn)

1.1原料

碳化硅（純度98%、D50=200 μm）、剛玉微粉（純度98%、D50=20、50、80 μm三種）、莫來(lái)石纖維（Al2O3+SiO2含量>90%，纖維平均直徑4μm，纖維長(zhǎng)度分別為100 μm、150 μm、200 μm、300 μm四種）、蘇州土（機(jī)選1號(hào)）、長(zhǎng)石、碳酸鈣、硅微粉、分散劑TXA-15、PVA。

1.2樣品制作

1.2.1碳化硅支撐體的制備

將SiC顆粒、粘結(jié)劑、PVA和水按一定配比混合 ，采用等靜壓成型制成管狀，然后將生坯干燥 、燒成得到管狀支撐體，再經(jīng)過(guò)磨加工制成Φ60×Φ40×120（mm）的樣品，烘干后備用。

1.2.2膜的制備

按設(shè)計(jì)配方配料，加入1% TXA-15分散劑和適量的水，超聲分散5小時(shí)，采用浸漬提拉法在處理好的碳化硅支撐體上鍍膜，同時(shí)采用注漿成型的方式制成試條（用于測(cè)試試樣強(qiáng)度和氣孔率），再在80 ℃下干燥2小時(shí)，然后在1 200 ℃下燒成。

1.3測(cè)試

⑴用SEM觀察樣品的斷面和膜表面顯微結(jié)構(gòu)。

⑵采用GB/T 1965多孔陶瓷彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)方法測(cè)量試樣的抗折強(qiáng)度。

⑶采用GB/T 1966多孔陶瓷顯氣孔率試驗(yàn)方法測(cè)量試樣的氣孔率。

⑷采用GB/T 1967多孔陶瓷孔道直徑試驗(yàn)方法測(cè)量試樣的平均孔徑。

⑸采用自制設(shè)備測(cè)試膜材料在1 m/min風(fēng)速下的過(guò)濾壓降。

2 結(jié)論與分析

2.1陶瓷纖維膜的顯微結(jié)構(gòu)特征

我們采用SEM觀察其斷面和表面的顯微結(jié)構(gòu)，分別得出圖1和圖2。

由圖1中可看出，層片狀的SiC顆粒相互交織堆積且顆粒間的燒結(jié)頸已經(jīng)形成，因此支撐體強(qiáng)度較高，在整個(gè)材料中能夠起到支撐作用，保證分離膜的機(jī)械強(qiáng)度；支撐體的孔隙主要來(lái)源于SiC顆粒之間的孔隙，但碳化硅顆粒的粒徑較大且粒度大小不一，因此支撐體的孔徑也相對(duì)較大且分布范圍也較寬，用它來(lái)作分離層是不夠的。

從圖2中可以看出，在膜層中顆粒堆積較為松散，氣孔較多，氣孔主要來(lái)自于剛玉顆粒之間的孔隙、剛玉莫來(lái)石纖維之間的孔隙以及纖維與纖維之間的孔隙，從圖中可以看出在纖維的附近所留下的孔隙更多，尤其在纖維相互橋架處留下了大片帶狀孔隙，這也就是加入纖維能夠有效提高陶瓷膜孔隙率的原因。同時(shí)膜層以剛玉骨料堆積為主，剛玉骨料粒徑較小且粒度大小均勻，因此，膜層孔徑分布相對(duì)較窄，孔徑較小且氣孔率很高，膜層具有更高的分離效率和分離效果。

2.2骨料粒徑對(duì)膜材料性能的影響

具體試驗(yàn)中：我們?cè)谙嗤|(zhì)量不同粒徑的剛玉粉（100wt%）中，外加10%（wt）相同的粘結(jié)劑和10%（wt）的莫來(lái)石纖維（150 μm），制備出不同骨料粒徑的復(fù)合膜，再測(cè)試膜材料的平均孔徑與過(guò)濾壓降，得出圖3。

從圖3中可以看出，膜材料的平均孔徑隨骨料平均粒徑的增大而變大，而膜過(guò)濾壓降隨著骨料粒徑的增大而降低。

分析其原因：當(dāng)骨料顆粒粒徑較小時(shí)，顆粒之間的接觸面積較大，顆粒堆積緊密程度也較緊密，因此膜材料孔徑相應(yīng)較小，此時(shí)氣體通過(guò)膜材料的阻力較大，過(guò)濾壓降較高。隨著骨料粒徑的變大，顆粒之間的接觸面積減少，顆粒之間堆積程度變得松散，顆粒間的間隙變大，從而使得膜材料的孔徑變大，而較大的孔徑導(dǎo)致氣體易從孔道內(nèi)通過(guò)，導(dǎo)致膜過(guò)濾壓降降低。

最終，我們得出結(jié)論：在剛玉-莫來(lái)石纖維復(fù)合膜材料中，增大膜材料中的剛玉骨料粒徑，可以有效提高膜材料孔徑，降低膜材料的壓降。

2.3纖維加入量對(duì)材料性能的影響

在試驗(yàn)中，我們以50 μm左右的剛玉粉為骨料，加入不同比例的莫來(lái)石纖維（長(zhǎng)度為150 μm、長(zhǎng)徑比L/D=37.5），在其他工藝條件相同的情況下，制備出不同纖維加入量的樣品，燒成后，測(cè)試其抗折強(qiáng)度和氣孔率，得出圖4。

從圖4中可以看出，在結(jié)合劑含量相同的情況下，隨著材料中莫來(lái)石纖維含量的增加，材料的氣孔率明顯增大，而其抗折強(qiáng)度明顯降低。

分析其原因：在試驗(yàn)的樣品中，纖維與骨料之間基本上是以點(diǎn)接觸為主，結(jié)合強(qiáng)度較弱，骨料起到骨架作用。當(dāng)組分中纖維加入量少時(shí)，則纖維之間相互架橋作用不明顯，形成材料的氣孔率較低，材料強(qiáng)度較高。但隨著纖維加入量的增大，組分中纖維所占的體積比明顯增大，整體材料的堆積密度變小，粘結(jié)劑高溫形成的相不足以填充陶瓷纖維及其它陶瓷骨料之間形成的孔隙，因此材料的氣孔率會(huì)明顯增大，同時(shí)強(qiáng)度也會(huì)隨之降低。

因此，我們得出結(jié)論：在剛玉-莫來(lái)石纖維復(fù)合膜材料中，莫來(lái)石纖維的加入可以有效提高膜材料的氣孔率，但是也會(huì)降低膜材料的強(qiáng)度，從試驗(yàn)中我們得出纖維的加入量在20%左右較為合適。

2.4纖維長(zhǎng)徑比對(duì)膜材料性能的影響

在試驗(yàn)中，我們以50 μm左右的剛玉粉為骨料，加入不同長(zhǎng)徑比的莫來(lái)石纖維，在其他工藝條件相同的情況下，制備出纖維長(zhǎng)徑比不同的樣品，燒成后測(cè)試樣品的孔徑與氣孔率，得出表1。

從表1中可以看出隨著材料結(jié)構(gòu)中纖維長(zhǎng)徑比的增大，材料的氣孔率和孔徑均有所增大。

分析其原因在膜材料中隨著纖維長(zhǎng)徑比的增大，纖維之間的架橋作用更加明顯，材料的致密性變差，纖維堆積形成孔隙變大；相反，隨著纖維長(zhǎng)度的減小，纖維之間的架橋作用減少，纖維形狀更趨向于球形粒子，纖維之間會(huì)更多地趨向于平行排列，堆積密度變大，氣孔率會(huì)降低，孔徑變小。

因此，從提高材料氣孔率方面來(lái)講，應(yīng)盡量提高纖維的長(zhǎng)徑比，但從控制材料孔徑方面來(lái)看，需要合理控制纖維的長(zhǎng)徑比，以求獲得需要的微孔性能。

3 總 結(jié)

（1）在剛玉-莫來(lái)石纖維復(fù)合膜材料中，增大膜材料中的剛玉骨料粒徑，可以有效提高膜材料孔徑，降低膜材料的過(guò)濾壓降。

（2）在剛玉-莫來(lái)石纖維復(fù)合膜材料中，莫來(lái)石纖維的加入可以有效提高膜材料的氣孔率，但是也會(huì)降低膜材料的強(qiáng)度，從試驗(yàn)中我們得出纖維的加入量在20%左右較為合適。

（3）在剛玉-莫來(lái)石纖維復(fù)合膜材料中，提高莫來(lái)石纖維的長(zhǎng)徑比，有利于膜材料氣孔率的提高，但不利于膜孔徑的控制。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]薛友祥，李拯，王耀明，吳建鋒.陶瓷纖維復(fù)合微濾膜制備工藝及性能表征[M].硅酸鹽通報(bào).2004（03）：10-13.

[2]國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局.GB/T16533-1996.多孔陶瓷通用技術(shù)[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社.1996.

[3]曹俊倡，薛友祥，趙世凱.碳化硅質(zhì)陶瓷膜材料評(píng)價(jià)方法的選擇及材料評(píng)價(jià)[J].現(xiàn)代技術(shù)陶瓷2014（6）：3-7.

[4]王耀明.高溫?zé)煔鈨艋每滋荻忍沾衫w維膜的設(shè)計(jì)、制備及特性[D].武漢理工大學(xué)博士學(xué)位論文.2007.