勃母石溶膠結(jié)合氧化鋁-莫來(lái)石多孔陶瓷的制備

孫煦東 李 婕

內(nèi)蒙古建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 內(nèi)蒙古呼和浩特010070

莫來(lái)石多孔陶瓷具有抗熱震性好，高溫蠕變小，低熱導(dǎo)率和低熱膨脹率，抗化學(xué)腐蝕性好等特點(diǎn)［1］，廣泛應(yīng)用于保溫隔熱、耐火材料、環(huán)境生物、化學(xué)催化劑載體等領(lǐng)域［2-4］。

李和禎等［5］通過(guò) La2O3的摻雜生成了La1.66Al23.08O37.04相，有助于提高莫來(lái)石陶瓷的強(qiáng)度。楊孟孟等［6］通過(guò)添加淀粉和AlF3原位生成莫來(lái)石晶須，制備了自鎖結(jié)構(gòu)的多孔陶瓷。石宇恒等［7］以聚苯乙烯泡沫球?yàn)樵炜讋捎谜駝?dòng)澆注成型，當(dāng)聚苯乙烯泡沫球加入量為漿料總體積的50%時(shí)，1 400℃的高溫抗折強(qiáng)度高達(dá)2.64 MPa。王少陽(yáng)等［8］研究了以核桃殼粉為造孔劑，結(jié)合氧化鋁溶膠浸漬法制備了多孔氧化鋁陶瓷（PACs）。

納米級(jí)勃姆石溶膠作為一種分散均勻穩(wěn)定的膠體可應(yīng)用于發(fā)泡法中，前期能夠使料漿中的顆粒在體系中均勻分散，保持料漿的穩(wěn)定性，不會(huì)使料漿發(fā)生團(tuán)聚沉淀。此外，勃姆石（γ-AlOOH）是γ-Al2O3的前驅(qū)體，受熱分解后可完全轉(zhuǎn)化為α-Al2O3參與合成莫來(lái)石，起到改善多孔陶瓷耐壓強(qiáng)度的作用。

基于以上研究現(xiàn)狀，在本研究中，擬采用發(fā)泡法制備勃母石溶膠結(jié)合氧化鋁-莫來(lái)石多孔陶瓷，確定發(fā)泡劑（SDS）和勃母石溶膠的最優(yōu)摻量，探究了燒制溫度對(duì)氧化鋁-莫來(lái)石多孔陶瓷顯微結(jié)構(gòu)的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 原料

本試驗(yàn)以α-Al2O3微粉（w（Al2O3）=99.5%，d50=0.5μm）和SiO2微粉（w（SiO2）=99%，d50=0.4 μm）為原料，聚丙烯酰胺作為分散劑，十二烷基硫酸鈉（SDS）作為發(fā)泡劑，CaSO4作為固化劑，勃姆石（γ-AlOOH）溶膠（膠體粒徑約為20 nm）作為結(jié)合劑。

1.2 試樣制備

本研究中各組分配比（w）擬定為：去離子水15%，聚丙烯酰胺1%，SiO2微粉12%，α-Al2O3微粉72%。按比例稱(chēng)量，機(jī)械攪拌15 min，放入球磨罐中濕法球磨12 h，轉(zhuǎn)速為200 r·min-1，獲得具有一定流動(dòng)性的漿料。隨后，將勃姆石溶膠按設(shè)定摻量（w）1%、2%、4%、5%、6%、8%（外加）加入，同時(shí)將發(fā)泡劑（SDS）按設(shè)定摻量（w）1%、1.5%、2%、2.5%、3%、5%（外加）加入到球磨好的料漿中，然后加入0.95%（w）的CaSO4，使料漿進(jìn)行20 min酯化反應(yīng)。將酯化反應(yīng)好的料漿再次攪拌均勻后注入到模具中，使其在室溫條件下放置12 h，然后經(jīng)110℃干燥24 h后脫模制得陶瓷坯體。最后，采用GXL-05型高溫?zé)Y(jié)爐分別于1 300、1 350、1 400、1 450、1 500、1 600℃保溫2 h燒制，升溫速率為5℃·min-1。

1.3 試樣表征

使用XRD-7000S/L型X射線(xiàn)衍射儀（XRD）分析經(jīng)1 350、1 400、1 450、1 500℃燒制試樣的物相組成；使用Hitachi-SU8010型冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM）觀察經(jīng)1 400、1 450、1 500、1 600℃燒制試樣的微觀形貌；依據(jù)GB/T 1966—1996測(cè)定試樣的顯氣孔率和體積密度；依據(jù)GB/T 4740—1999測(cè)定試樣的耐壓強(qiáng)度；使用TPMBE型平板導(dǎo)熱儀，依據(jù)GB/T 10294—2008測(cè)定試樣的熱導(dǎo)率（測(cè)試熱面溫度為300℃）。

2 結(jié)果與討論

2.1 最優(yōu)勃母石溶膠摻量的確定

發(fā)泡劑（SDS）的摻量為3.0%（w）、燒制溫度為1 400℃時(shí)，勃姆石溶膠摻量對(duì)試樣顯氣孔率和耐壓強(qiáng)度的影響如圖1所示。由圖1可知，試樣的顯氣孔率隨著勃母石溶膠摻量的增加逐漸減小，耐壓強(qiáng)度逐漸增大。勃母石溶膠摻量（w）從1%增加到8%，顯氣孔率下降了6.7%，耐壓強(qiáng)度升高了84%。在發(fā)泡劑（SDS）摻量一定的條件下，由于勃母石加熱分解產(chǎn)生的Al2O3能夠和體系中的SiO2反應(yīng)生成莫來(lái)石相，致使試樣結(jié)構(gòu)致密化，耐壓強(qiáng)度增大。當(dāng)勃母石溶膠摻量為5%（w）時(shí)，顯氣孔率為82.7%，耐壓強(qiáng)度為5.7 MPa，性能較好。

圖1 勃母石溶膠摻量對(duì)試樣性能的影響Fig.1 Influence of bobolite sol addition on properties of samples

2.2 最優(yōu)發(fā)泡劑（SDS）摻量的確定

勃姆石溶膠的摻量（w）為5%、燒制溫度為1 400℃時(shí)，發(fā)泡劑（SDS）的摻量對(duì)試樣顯氣孔率和耐壓強(qiáng)度的影響如圖2所示。

圖2 發(fā)泡劑（SDS）摻量對(duì)試樣性能的影響Fig.2 Effect of foaming agent（SDS）addition on sample performance

由圖2可知，試樣的顯氣孔率隨著發(fā)泡劑（SDS）摻量的增加先增加后減小，耐壓強(qiáng)度先減小后增加。當(dāng)發(fā)泡劑摻量較小時(shí)，顯氣孔率較小而耐壓強(qiáng)度較大。隨著發(fā)泡劑摻量的增加，發(fā)泡作用愈發(fā)明顯，導(dǎo)致顯氣孔率大幅增加而耐壓強(qiáng)度隨之減小。當(dāng)發(fā)泡劑摻量為2.5%（w）時(shí)，顯氣孔率達(dá)最大，為82.7%；而耐壓強(qiáng)度最小，為5.7 MPa。

2.3 最優(yōu)燒制溫度的確定

根據(jù)前面試驗(yàn)得出的最優(yōu)條件，以發(fā)泡劑（SDS）的摻量為2.5%（w）、勃姆石溶膠的摻量為5%（w），探究燒制溫度對(duì)試樣顯氣孔率和耐壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，試樣的耐壓強(qiáng)度隨著燒制溫度升高先增大后減小，而顯氣孔率卻一直下降。因?yàn)椋?dāng)燒制溫度達(dá)1 300℃時(shí)，發(fā)泡劑產(chǎn)生的氣體量已達(dá)最大值。當(dāng)燒制溫度高于1 450℃時(shí)，材料發(fā)生過(guò)燒現(xiàn)象，反而導(dǎo)致耐壓強(qiáng)度降低。因此，確定最優(yōu)燒制溫度為1 450℃。

圖3 不同溫度燒后試樣的性能Fig.3 Properties of samples fired at different temperatures

2.4 不同燒制溫度對(duì)物相的影響

以發(fā)泡劑（SDS）的摻量為2.5%（w）、勃姆石溶膠的摻量為5%（w），對(duì)不同燒制溫度制備試樣的物相組成進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同燒制溫度制備試樣的XRD圖譜Fig.4 XRD of samples prepared at different temperatures

由圖4可知，在所測(cè)的多孔陶瓷試樣中均存在剛玉相，而方石英相只存在于1 350℃燒制的試樣中。由于勃母石（γ-AlOOH）溶膠是γ-Al2O3的前驅(qū)體，當(dāng)勃母石被加熱至1 100 ℃時(shí)，γ-AlOOH 轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Al2O3。γ-Al2O3不穩(wěn)定，隨著溫度繼續(xù)升高，大部分γ-Al2O3會(huì)轉(zhuǎn)化成α-Al2O3剛玉相。溫度升至1 350℃時(shí)，γ-Al2O3相已全部轉(zhuǎn)化為單一的α-Al2O3剛玉相。這也正是本研究選勃母石溶膠作為結(jié)合劑的原由，它前期可以起到穩(wěn)定料漿的作用，熱解后為單一的α-Al2O3，參與莫來(lái)石生成反應(yīng)，沒(méi)有任何雜質(zhì)引入體系。燒制溫度為1 350℃時(shí)，莫來(lái)石基本未形成。當(dāng)燒制溫度升至1 400℃時(shí)，體系中的α-Al2O3剛玉相與方石英相發(fā)生原位反應(yīng)生成莫來(lái)石相，說(shuō)明勃姆石的存在對(duì)莫來(lái)石相的生成起到一定的促進(jìn)作用。燒制溫度繼續(xù)升高，試樣中的方石英相逐漸消失。在1 450和1 500℃燒制的試樣中，物相由剛玉相和莫來(lái)石相組成。

2.5 不同燒制溫度對(duì)顯微形貌的影響

圖5為發(fā)泡劑（SDS）摻量為2.5%（w）、勃姆石溶膠摻量為5%（w）時(shí)，經(jīng)1 400、1 450、1 500、1 600℃燒制后試樣的SEM照片。

由圖5（a）可知：當(dāng)燒制溫度為1 400℃時(shí)，試樣表面發(fā)泡現(xiàn)象嚴(yán)重，發(fā)泡劑產(chǎn)生的氣體量已達(dá)最大值。在表面張力作用下，高壓氣體逸出體系時(shí)會(huì)形成孔徑較小的氣孔，但發(fā)泡效果不理想。由圖5（b）可知：當(dāng)燒制溫度為1 450℃時(shí)，粉料基質(zhì)反應(yīng)進(jìn)行的均勻、徹底，發(fā)泡劑（SDS）發(fā)生氧化反應(yīng)分解釋放出氣體，形成尺寸適中且分布均勻的閉氣孔，此時(shí)發(fā)泡效果最為理想。當(dāng)燒制溫度達(dá)1 600 ℃時(shí)（見(jiàn)圖5（d）），材料體系內(nèi)的壓力持續(xù)增大到極限狀態(tài)，導(dǎo)致大部分閉孔氣泡破裂，發(fā)泡孔徑明顯變大，此時(shí)發(fā)泡過(guò)度。

圖5 不同溫度燒制試樣的SEM照片F(xiàn)ig.5 SEM for samples fired at different temperatures

2.6 不同燒制溫度對(duì)熱導(dǎo)率的影響

勃姆石（γ-AlOOH）摻量為5%（w）、發(fā)泡劑（SDS）的摻量為2.5%（w）時(shí)，不同溫度燒制試樣的熱導(dǎo)率如圖6所示。

圖6 不同溫度燒制試樣的熱導(dǎo)率Fig.6 Thermal conductivity of porous ceramics fired at different temperatures

由圖6可知，熱導(dǎo)率隨著燒制溫度的升高逐漸增大。1 450℃燒制的試樣在300℃熱面條件下，其熱導(dǎo)率為0.087 W·（m·K）-1。

綜上所述，勃姆石溶膠摻量為5%（w）、發(fā)泡劑（SDS）的摻量2.5%（w）、燒制溫度1 450℃為最優(yōu)制備條件。在最優(yōu)條件下制備的氧化鋁-莫來(lái)石多孔陶瓷試樣的耐壓強(qiáng)度為6.7 MPa、顯氣孔率為79.5%、300℃下的熱導(dǎo)率為0.087 W·（m·K）-1。

3 結(jié)論

（1）隨著勃母石溶膠摻量的增加，試樣的顯氣孔率逐漸減小，耐壓強(qiáng)度逐漸增大。當(dāng)勃母石溶膠摻量為5%（w）時(shí)，顯氣孔率與耐壓強(qiáng)度形成較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。此外，勃姆石的摻加對(duì)莫來(lái)石相的生成起到一定的促進(jìn)作用。

（2）當(dāng)燒制溫度為1 450℃時(shí)，體系內(nèi)形成尺寸適中且分布均勻的閉氣孔，此時(shí)發(fā)泡效果最為理想；當(dāng)燒制溫度達(dá)1 600℃時(shí)，大部分閉孔氣泡破裂，發(fā)泡孔徑明顯變大，此時(shí)發(fā)泡過(guò)度。

（3）勃姆石溶膠摻量為5%（w）、發(fā)泡劑（SDS）的摻量2.5%（w）、燒制溫度1 450℃為最優(yōu)制備條件，此時(shí)，多孔陶瓷試樣的耐壓強(qiáng)度為6.7 MPa、顯氣孔率為79.5%、300℃下的熱導(dǎo)率為0.087 W·（m·K）-1。