淺析磷酸二氫鋁在氧化鋁泡沫陶瓷過濾板上作用機理

王霞

摘 要：本文以煅燒α-氧化鋁、高嶺土、硅微粉、長石粉等為基礎粉料配方，以磷酸二氫鋁溶液為粘結劑制備泡沫陶瓷漿料。簡述了磷酸二氫鋁溶液制備技術，研究了磷酸二氫鋁溶液含量及濃度對氧化鋁泡沫陶瓷漿料上漿性能、坯體干燥性能及燒結后成分和晶相組成的影響。結果表明：密度1.35 g/cm3的磷酸二氫鋁溶液，加入量在25～30%，可制備出具有較好粘性和觸變性的陶瓷漿料、較高強度的干燥坯體及結合牢固的產品晶相組成，適合應用于氧化鋁泡沫陶瓷過濾板。

關鍵詞：氧化鋁泡沫陶瓷；磷酸二氫鋁；性能；制備；機理

1 引言

氧化鋁泡沫陶瓷具有的三維網狀結構使其被廣泛應用于鋁及鋁合金熔體過濾領域。雖然其在環保、化工、能源、石油、生物陶瓷及催化劑載體等領域也在不斷嘗試應用，但由于泡沫陶瓷自身強度低、易掉渣、尺寸精度不高等特性，限制了其在諸多領域的推廣應用。目前，國內氧化鋁泡沫陶瓷過濾板廠家針對的市場領域依然是鋁及鋁合金熔體過濾，且暫時還未能研究出相關產品取代其市場應用。因此，隨著鋁及鋁合金加工業的精密化發展，氧化鋁泡沫陶瓷也將得到進一步的發展與應用。

泡沫陶瓷的制備方法有多種，如發泡法、有機泡沫體浸漬法、溶膠凝膠法等，其中有機泡沫浸漬法具有設備少、制造成本低、工藝過程簡單等優點，被廣泛應用于泡沫陶瓷生產廠家[1]。泡沫陶瓷是具有三維網狀結構的多孔陶瓷體，是以多孔聚氨酯海綿為骨架，經上漿、干燥、燒制等工藝制備而成，去除三維網絡結構的有機前驅體，便形成一種開口氣孔率高（80～90%）、密度小（0.3～0.5 g/cm3）、比表面積大、壓力損失小的網架結構多孔體[2]。磷酸二氫鋁因其具有固化溫度低、粘結強度高、高溫結構穩定等特性，被選作配制泡沫陶瓷漿料粘結劑。針對磷酸鋁膠黏劑的制備應用，已經被廣泛研究[3-5]。但用作泡沫陶瓷的磷酸二氫鋁的相關研究報道卻很少，本文主要針對磷酸二氫鋁在泡沫陶瓷生產過程中的作用機理進行了探討研究。

2 磷酸二氫鋁性能及制備技術

2.1磷酸二氫鋁性能

市場上出售的磷酸二氫鋁主要有固體和液體兩種狀態。固體的磷酸二氫鋁易溶于水，在常溫下與耐火骨料，硬化劑、水等混合均勻，經90 ～110 °C干燥后便具備較高粘接強度，常用于耐火噴涂料、火泥、澆注料、搗打料、磷酸鹽磚。液體的磷酸二氫鋁適用于混煉、成型等現場施工，比如鑄造平臺上的間隙填補，經風干后粘結劑具備較強的耐高溫、抗剝離、耐沖刷等性能。考慮到車間生產配方工藝的需求，且磷酸二氫鋁多為廠家自制，氧化鋁泡沫陶瓷生產廠家多采用液體磷酸二氫鋁為粘結劑。

2.2磷酸二氫鋁溶液制備技術

泡沫陶瓷生產所需的磷酸二氫鋁溶液制備工藝相對簡單，制備原料為氫氧化鋁、磷酸和水，設備為聚丙烯耐酸反應釜、蒸汽發生器、耐酸自吸泵等。具體配制步驟如下：

（1）將85%濃度的磷酸倒入塑料池內，操作人員需佩戴防護眼鏡及手套，防止磷酸腐蝕及濺入眼睛。

（2）開啟自吸泵將磷酸抽入反應釜內，通過液面計控制磷酸加入量。

（3）啟動反應釜內攪拌棒，加入規定重量自來水至反應釜內，自來水重量可通過數顯水位流量計控制。

（4）將蒸汽機上蒸汽管插入反應釜溶液內，開啟蒸汽機加熱磷酸和水的混合溶液至90℃，加入規定重量氫氧化鋁粉料，分多次少量加入，以免結塊；然后關閉蒸汽機，蓋上反應釜蓋子。

（5）待反應完全結束后，即反應釜內為無色澄清溶液，關閉攪拌棒，待反應釜內溶液冷卻后，放出磷酸二氫鋁溶液。

通過其反應方程式①可知，當P/Al摩爾比為3：1時，可配制出力學性能最好、粘度適中、穩定性好、粘結性強的磷酸二氫鋁溶液[6]。再根據磷酸和氫氧化鋁的分子量可計算出各自的重量配比，重量比為49：13，為保證磷酸二氫鋁轉化充分，磷酸重量會適當增加約5%。配制時，加入適當比例的水，將磷酸二氫鋁溶液體積密度調為約1.35 g/cm3，再按比例加入泡沫陶瓷漿料配方中。

3H3PO4 + Al（OH）3 = Al（H2PO4）3 + 3H2O ①

3 磷酸二氫鋁在氧化鋁泡沫陶瓷中的配比

氧化鋁泡沫陶瓷漿料配方可分為兩個步驟，第一為粉料比例部分，第二為水劑比例部分。粉料比例部分是指將氧化鋁粉、高嶺土、硅微粉、長石粉、分散劑等按比例稱量并混合攪拌均勻。水劑部分是指將配制好的磷酸二氫鋁溶液按總重量的25～30%（根據不同網孔海綿的漿料粘稠度需要做出調節），粉料加入磷酸二氫鋁溶液后攪拌均勻制成漿料。

為了對比研究磷酸二氫鋁在泡沫陶瓷配方中的作用，我們將粉料比例部分的配比確定如下：煅燒α-氧化鋁 85%、高嶺土7%、硅微粉4%、長石粉3%、分散劑1%，見表1。而磷酸二氫鋁溶液（ρ=1.35g/cm3）比例從25 ～30%（該值為配料總重量的百分比）不等，取值為25%、28%、30%三個數值，見表2。

4 磷酸二氫鋁在泡沫陶瓷上作用機理

磷酸二氫鋁作為氧化鋁泡沫陶瓷漿料的稠度調節劑，坯體干燥后的粘結劑以及高溫燒成后的產品強度結合劑，其對泡沫陶瓷漿料、坯體、成品等性能都有著重要影響。

4.1磷酸二氫鋁對泡沫陶瓷漿料性能影響

以表1的粉料組分為基礎配方，加入磷酸二氫鋁溶液攪拌均勻調制成漿料，其中磷酸二氫鋁溶液的加入量可根據聚氨酯網孔海綿大小作出相應調整，從而達到最佳的掛漿性能。試驗結果表明，當磷酸二氫鋁密度為1.35 g/cm3時，漿料具有較好的粘性和觸變性；聚氨酯網孔海綿孔目越大（即PPI指數越低），需要加入的磷酸二氫鋁溶液比例越少，網孔與對應加入量數值見表3。

值得注意的是，剛配制好的陶瓷漿料與放置一天再使用的漿料，其粘性存在較大差異，即放置后的漿料粘性大，生產過程中應根據是否當天使用作出磷酸二氫鋁濃度的相應調整。

4.2磷酸二氫鋁對泡沫陶瓷坯體干燥后性能影響

上漿好的泡沫陶瓷坯體需經干燥后，再噴漿、燒成。由于坯體需要經過搬運、翻轉等操作，要求干燥后坯體具備一定強度。通過試驗發現，影響坯體干燥強度主要有兩個因素：磷酸二氫鋁濃度和干燥制度。

磷酸二氫鋁濃度對坯體性能影響表現為：磷酸二氫鋁濃度高，干燥后坯體強度高，但同時坯體容易回潮，放置一天后坯體便會出現軟化現象；反之濃度低，干燥后坯體強度不高，但不容易回潮。

干燥制度包括干燥溫度和干燥時間，對于日常生產而言，大都采用余熱熱風干燥，干燥溫度一般控制在90 ～110℃，干燥時間大于10 h。干燥溫度過低，磷酸二氫鋁未能表現出分子粘性，坯體強度不夠；干燥溫度過高，內部聚氨酯海綿粉化，坯體容易脆裂。

4.3磷酸二氫鋁對泡沫陶瓷燒結后晶相組成的影響

為了進一步研究氧化鋁泡沫陶瓷晶相組成和成分含量，試驗采用表1的原料基礎配方和表2中2#的磷酸二氫鋁加入量（28%）組合，上漿尺寸17英寸（432×432×50 mm）網孔為30 PPI的聚氨酯海綿，再經干燥、噴漿、燒成，制成泡沫陶瓷成品。產品經1180℃燒結后，采用X熒光光譜分析和XRD衍射分析對成品進行成分含量和晶相分析，表4為氧化鋁泡沫陶瓷產品成分含量檢測結果，圖1為氧化鋁泡沫陶瓷產品XRD衍射圖譜。

從表4可以得出，氧化鋁泡沫陶瓷主要成分為Al2O3 、P2O5 和SiO2，三者約占97%。由于經1180℃高溫燒成，這些成分并不是以單獨氧化物存在，而是以晶相形式存在，這樣可較好避免鋁液過濾過程中有氧化物滲出而污染鋁液。

圖1為氧化鋁泡沫陶瓷XRD衍射圖譜，圖譜顯示產品主晶相主要為α- Al2O3和AlPO4，其中α- Al2O3為剛玉相，含量約75%；AlPO4晶型為穩定的三斜晶系正磷酸鋁，含量約22%。另外，還有少量（約3%）石英相的SiO2。XRD衍射圖譜表明，未能發現莫來石晶相。原因是由于燒結溫度偏低，沒有形成莫來石晶相，這也導致泡沫陶瓷產品強度較差。實際上，泡沫陶瓷產品的強度主要靠高溫下形成的三斜晶系磷酸鋁的粘結力提供，而磷酸鋁粘結力又是由Al-O-P-O-Al 穩定鏈接的無機大分子結構提供。

5 結語

通過試驗結果表明，磷酸二氫鋁溶液在氧化鋁泡沫陶瓷生產中主要起到三大作用：

（1）作為粘結劑，當磷酸二氫鋁密度為1.35g/cm3時，漿料具有較好的粘性和觸變性。同時，隨著磷酸二氫鋁溶液含量增加，上漿的海綿網孔變小（孔目數值越大）。

（2）磷酸二氫鋁溶液濃度越大，干燥后坯體強度越高，但坯體也越容易回潮。反之，磷酸二氫鋁溶液濃度越低，干燥后坯體強度越低，但不易回潮。

（3）經過1180℃高溫燒結后，磷酸二氫鋁轉化為磷酸鋁，使得產品具有一定強度。氧化鋁泡沫陶瓷產品主要呈現剛玉、AlPO4三斜和少量石英晶相，產品強度主要依靠磷酸二氫鋁高溫生成磷酸鋁Al-O-P-O-Al間的結合力提供，產品強度不高。為此，建議將燒成溫度提高至1250℃以上，生成高強度的莫來石晶相來改善產品強度。

參考文獻

[1] 朱新文，江東亮.有機泡沫浸漬工藝——一種經濟適用的多孔陶瓷制備工藝[J]. 硅酸鹽通報，2000 ，21（3）：45-51.

[2] 劉維良，喻佑華.先進陶瓷工藝學[M].武漢理工大學出版社，2004.

[3] 陳正中，王晨.無機磷酸鹽膠粘劑的研究進展[J].化學中間體，2009（04）：12-14.

[4] 陳孜，張雷，周科朝.磷酸鹽基耐高溫無機膠黏劑的研究進展[J].粉末冶金材料科學與工程，2009，14（2）：74-82.

[5] 曾憲光，喻蘭英，李新岳，等.新型高溫磷酸鹽膠粘劑的制備和研究[J].表面技術，2010，39（1）：103-105.

[6] 周武藝，唐紹裘，劉文超，等.磷酸鋁膠粘劑的合成反應動力學研究[J].中國膠粘劑，2003，12（1）：1-3.