王艷香 彭 文 肖劍翔 孫 健

（景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院材料與工程學(xué)院，江西景德鎮(zhèn)333001）

0 前言

泡沫陶瓷是一種具有三維網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)的高氣孔率(75～95%)多孔陶瓷，除了具有多孔陶瓷所具有的低密度、抗腐蝕、良好的隔熱性能、耐高溫和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)之外，它還具有高滲透率、高比表面積和復(fù)雜的孔道結(jié)構(gòu)等，這些特性使它在冶金、化工、機(jī)械、環(huán)保等行業(yè),可以用作高溫氣體凈化器、柴油機(jī)排放的固體過濾器、熔融金屬過濾器、以及作為物理分離用隔板，處理化工廠廢物和汽車尾氣的催化劑載體等。此外，在生物醫(yī)用領(lǐng)域也具有潛在前景[1-2]。

有機(jī)泡沫體浸漬工藝是制備泡沫陶瓷最常用的一種工藝，其獨(dú)特之處在于它憑借了有機(jī)泡沫體所具有的開孔三維網(wǎng)狀骨架的特殊結(jié)構(gòu)，將制備好的漿料均勻地涂覆在有機(jī)泡沫網(wǎng)狀體上，干燥后燒掉有機(jī)泡沫體而獲得一種泡沫多孔陶瓷[3]。該工藝簡(jiǎn)單、操作方便和制造成本低。本課題利用有機(jī)泡沫浸漬工藝制備氧化鋁泡沫多孔陶瓷，研究制備工藝對(duì)氧化鋁泡沫多孔陶瓷性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)所用原料

α-氧化鋁粉（中位徑10μm，鄭州白鴿集團(tuán)）、龍巖高嶺土（龍巖高嶺土有限公司）、膨潤(rùn)土（浙江安吉天裕膨潤(rùn)土有限公司）、滑石粉（萊州金源峰滑石有限公司）、硅溶膠（青島恒盛達(dá)化工有限公司）、羧甲基纖維素鈉（上海試劑一廠）、聚丙烯酰胺（上海試劑一廠）等。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

(1)聚氨酯泡沫的處理

聚氨酯泡沫先用水清洗除去孔筋上（骨架）表面的雜物和隔膜，然后用2mol/L的氫氧化鈉溶液對(duì)其進(jìn)行表面預(yù)處理（增加表面粗糙度），最后用濃度為1%羧甲基纖維素鈉和硅溶膠混合溶液浸泡，以改善有機(jī)泡沫與水基漿料的親和性。

(2)漿料的制備

首先，將氧化鋁、龍巖高嶺、滑石、膨潤(rùn)土按一定的比例稱好倒入球磨罐中；其次配液相，先取一定量的硅溶膠，在稱一定量的CMC倒入加熱硅溶膠中，使其溶解在硅溶膠中混合均勻再倒入球磨罐中，并加入適量的蒸餾水和聚丙烯酸胺。球磨2小時(shí)，將料漿混合均勻。配好料漿后可直接用浸漿。

設(shè)計(jì)四因素三水平的正交實(shí)驗(yàn)，本實(shí)驗(yàn)確定要考察的因素有四個(gè)，即氧化鋁（A）、龍巖高嶺（B）、膨潤(rùn)土（C）、滑石（D）的加入量。每個(gè)因素均取三個(gè)水平，見表1。

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素表Tab.1 The table of orthogonal experiments

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.2 The results of orthogonal experiments

表3 聚丙烯酸胺對(duì)料漿粘度的影響Tab.3 The effect of PMAA-NH4 content on slurry viscosity

(3)浸漿、烘干和燒成

將已經(jīng)預(yù)處理的有機(jī)泡沫體放入配制好的料漿中，并不斷的揉搓。待料漿已經(jīng)完全充滿泡沫體時(shí)，將其取出，并輥壓（擠出多余料漿）。然后，將輥壓成型后的制品在60℃干燥12小時(shí)。烘干后的樣品分別于1350℃、1500℃、1600℃溫度下燒成并保溫2小時(shí)。

(4)二次掛漿

將一次掛漿的樣品于1100℃下燒成，再將燒成的樣品進(jìn)行二次掛漿，再二次燒成，燒成溫度1500℃，保溫2小時(shí)。

1.3 測(cè)試

采用CNB-3型數(shù)字粘度計(jì)測(cè)漿料的粘度；用丹東射線儀儀器有限責(zé)任公司生產(chǎn)Y-4型衍射儀對(duì)所制得的樣品進(jìn)行物相分析；采用北京中國科學(xué)院科學(xué)儀器廠生產(chǎn)的KYKY-1000B型掃描電鏡對(duì)樣品進(jìn)行表面顯微結(jié)構(gòu)分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 漿料配方對(duì)樣品抗折強(qiáng)度的影響

采用了L9（34）安排實(shí)驗(yàn)，對(duì)每個(gè)樣品進(jìn)行了三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度測(cè)試，結(jié)果見表2。

通過對(duì)結(jié)果進(jìn)行極差分析可知，最佳組合為A3B3C2D1，即最佳配方組成為：氧化鋁77.3%，龍巖高嶺18.2%，膨潤(rùn)土2.7%，滑石粉1.8%。

2.2 聚丙烯酰胺的加入量對(duì)掛漿的影響

確定漿料的基本配方之后，在其漿料中分別加入0%、0.5%和1.0%的聚丙烯酸胺，聚丙烯酸胺對(duì)漿料粘度的影響結(jié)果如表3所示。

從表3可以看出：隨聚丙烯酸胺加入量的增加，漿料的粘度先降低后增加。當(dāng)聚丙烯酸胺溶液加入量為0.5%時(shí)，泥漿粘度適宜，泥漿觸變性也合適。

聚丙烯酸胺類分散劑是一種高分子聚電解質(zhì)[4]，在無機(jī)材料合成中被廣泛作用分散劑，可以阻止顆粒的再團(tuán)聚，提高漿料的穩(wěn)定性，使各組分均勻地分散在介質(zhì)中，進(jìn)而提高漿料的固含量。因此未加聚丙烯酸胺的料漿粘度較大。當(dāng)聚丙烯酸胺加入的量太大時(shí)，容易產(chǎn)生多層吸附，影響雙電層作用效果，且聚合物自身粘度較高容易橋聯(lián)，導(dǎo)致漿料流動(dòng)性下降。合適的分散劑量可使顆粒被聚合物完全包覆，聚合物充分分散，阻礙顆粒的聚集。當(dāng)聚丙烯酸胺加入量為0.5%時(shí)，料漿性能較好，粘度和觸變性都較好，有利于掛漿。

2.3 燒成溫度對(duì)樣品的影響

以表2中9#配方配制漿料，并外加0.5%聚丙基酰胺，硅溶膠10%，CMC0.5%,掛漿烘干后的樣品分別在1350℃、1500℃、1600℃燒成，煅燒后樣品的抗折強(qiáng)度分別為：1.96MPa、2.83MPa和3.51MPa。樣品的XRD見圖1。

圖2 不同燒成溫度的樣品的SEM圖Fig 2 SEM photos of Al2O3porous ceramics sintered at different temperatures

粘土在煅燒過程中會(huì)由高嶺石（Al2O3·2SiO2·2H2O）結(jié)構(gòu)最終變化成莫來石（2Al2O3·3SiO2）。從圖1中可以看出：隨著溫度的升高，樣品衍射圖譜中莫來石晶相的衍射峰越來越高，并且出現(xiàn)的莫來石衍射峰也越來越多；隨著溫度提高到1600℃，莫來石峰明顯增強(qiáng)，說明莫來石生成量增加。

從圖2可以看出，在1350℃（圖a）樣品大部分是顆粒堆積，形成玻璃相很少；1600℃樣品致密度較好，顆粒邊緣熔融，出現(xiàn)較多玻璃相，使得顆粒結(jié)合緊密，強(qiáng)度增加。

2.4 二次掛漿對(duì)樣品的影響

首先用表2中9#實(shí)驗(yàn)配方配成固含量62%的漿料，將有機(jī)泡沫掛漿后在1100℃下燒成，得到一次燒成的泡沫體備用；再用相同的實(shí)驗(yàn)配方制成固含量為45%的漿料，將已經(jīng)煅燒的樣品放入已經(jīng)配制好的漿料中，使其完全浸泡取出后用數(shù)顯直流無級(jí)調(diào)速器將多余的泥漿甩出，最后樣品干燥并于1500℃二次燒成，燒成的樣品抗折強(qiáng)度可達(dá)3.54MPa，明顯高于同條件下一次掛漿的樣品。

樣品經(jīng)過二次掛漿燒成后強(qiáng)度明顯有所提高，這是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中由于有機(jī)體揮發(fā)遺留的氣孔和泡沫陶瓷顆粒骨架之間的氣孔在二次掛漿時(shí)被漿料填補(bǔ)，使得氣孔減少，樣品強(qiáng)度提高。

3 結(jié)論

以氧化鋁77.3%、龍巖高嶺18.2%、膨潤(rùn)土2.7%、滑石粉1.8%，外加固相量10%的硅溶膠，外加固相量0.5%的CMC和0.5%的聚丙烯酸胺組成的配方，有機(jī)泡沫的掛漿量高且燒成的樣品性能較好。當(dāng)分散劑聚丙烯酸胺加入量為固相量的0.5%時(shí)，漿料的粘度為η0= 6.325pa·s，厚化度為1.27，料漿性能較好。隨著燒成溫度的提高，樣品的強(qiáng)度增加。二次掛漿能夠有效的提高樣品的強(qiáng)度。

1李飛舟.氣孔率可控氧化鋁多孔陶瓷制備工藝的研究.陶瓷, 2009,NO2:24～27

2王慧,曾令可,張海文.多孔陶瓷--綠色功能材料.中國陶瓷, 2002,38(3):6～8

3劉雪麗,尹洪峰等.凝膠鑄模制備Al2O3多孔陶瓷極其性能的研究.硅酸鹽學(xué)報(bào),2008,VOL27.NO2:1162～1165

4 LYCKFELDT O,FERREIRA J M F.Processing of porous ceramics by starch consolidation.Journal of the European Ceramic Society,1998,18:131～140

5 BINNER J G P.Production and properties of low density engineering ceramic foams.British Ceramic Transactions, 1997,96(6):247～249

6竹興,王樹海.陶瓷注凝成型工藝的新進(jìn)展.現(xiàn)代技術(shù)陶瓷, 1999,(2):26～31

7朱小龍,蘇雪筠.多孔陶瓷材料.中國陶瓷,2000,36(4):36～39

8薛明俊,孫承緒,李雁.用Sol-Gel法制備氧化鋁多孔陶瓷的研究.中國陶瓷,1999,35(3):5～8

9 SEPULVEDA P.Gelcasting foams for porous ceramics. American Ceramic Society,1997,76(10):61～65