劉永鋒 劉開(kāi)琪 袁永兵 王秉軍 趙宏偉 丁 鈺

（中國(guó)鋼研科技集團(tuán)有限公司，特種陶瓷與耐火材料北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

0 前言

冶金、電力、機(jī)械、化工、水泥等行業(yè)的各種工業(yè)爐窯排放出來(lái)的廢氣不僅溫度高，而且含有大量的粉塵和有害氣體，給環(huán)境造成巨大壓力[1-3]。目前，多孔陶瓷過(guò)濾膜管在高溫除塵領(lǐng)域已經(jīng)得到應(yīng)用，且已取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益[4-6]。然而，隨著應(yīng)用的不斷成熟和推廣，使用環(huán)境對(duì)過(guò)濾膜管支撐體（如高氣通量、低壓降、高強(qiáng)度、抗熱震、耐腐蝕等性能）提出了越來(lái)越高的要求。

本文就成孔劑對(duì)多孔陶瓷成型性能、氣孔率、強(qiáng)度以及顯微結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了研究，以期為支撐體的改進(jìn)提供參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)所用原料包括莫來(lái)石（0.4～0.6mm）、高嶺土、長(zhǎng)石、炭黑（D50=5μm）、羧甲基纖維素鈉CMC、以及淀粉醚溶液（12%濃度）。其中，莫來(lái)石用作支撐體的主原料，高嶺土和長(zhǎng)石（質(zhì)量比6∶4）用作燒結(jié)助劑、炭黑和CMC分別用作成孔劑、淀粉醚溶液用作粘結(jié)劑。本研究固定燒結(jié)助劑添加量為10%質(zhì)量分?jǐn)?shù)，CMC溶液外加量為4～8%。

試樣制備：采用固態(tài)粒子燒結(jié)法制備多孔陶瓷支撐體；首先將粉體預(yù)混合均勻；將莫來(lái)石顆粒倒入攪拌設(shè)備中，加入CMC溶液攪拌至顆粒表面充分潤(rùn)濕；再加入預(yù)先混合均勻的粉體，攪拌5min，使粉體均勻粘附于顆粒表面形成包覆顆粒；困料4h；采用等靜壓成型工藝150MPa制備尺寸Φ60mm×Φ40mm×600mm的陶瓷管和10mm×20mm×120mm的條狀試樣；坯體養(yǎng)護(hù)后經(jīng)1350℃燒結(jié)制得試樣。

檢測(cè)方法：氣孔率采用Archimedes法進(jìn)行檢測(cè)；抗彎強(qiáng)度采用三點(diǎn)梁彎曲法進(jìn)行檢測(cè)；顯微結(jié)構(gòu)采用Quanta掃描電鏡進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 成孔劑對(duì)支撐體成型性能的影響

成孔劑對(duì)陶瓷管成型性能的影響如表1所示。以炭黑為成孔劑，其添加量不大于13%時(shí)，坯體成型性能較好，且強(qiáng)度較高；當(dāng)添加量大于13%時(shí)，坯體回彈現(xiàn)象開(kāi)始顯現(xiàn)，表面開(kāi)始出現(xiàn)裂紋；添加量進(jìn)一步提高，坯體強(qiáng)度明顯減弱，斷裂現(xiàn)象明顯。以CMC為成孔劑時(shí)，當(dāng)添加量不大于8%時(shí)，坯體成型性能較好，強(qiáng)度滿足要求；添加量大于8%時(shí)，坯體回彈現(xiàn)象顯現(xiàn)，表面開(kāi)始出現(xiàn)裂紋；添加量大于10%時(shí)，坯體層裂、粉化現(xiàn)象明顯。

表1 成孔劑對(duì)支撐體成型性能的影響Tab.1 Influence of the pore-forming materials on the formability of the support

圖1 成孔劑對(duì)支撐體氣孔率的影響Fig.1 Influence of the pore-forming agent on the porosity of the support

2.2 成孔劑對(duì)支撐體燒結(jié)性能的影響

成孔劑對(duì)支撐體氣孔率的影響如圖1所見(jiàn)。從圖可見(jiàn)：炭黑和CMC對(duì)氣孔率的影響均較為明顯，同等添加量時(shí)，CMC對(duì)氣孔率的影響略明顯于炭黑；成孔劑添加量較少時(shí)，氣孔率的變化較為緩慢，當(dāng)達(dá)到一定量時(shí)，氣孔率呈較快增長(zhǎng)；以CMC為成孔劑，支撐體氣孔率可達(dá)36.6%，以炭黑為成孔劑，支撐體氣孔率可達(dá)44.6%。

炭黑的密度大于CMC，在同質(zhì)量的條件下，CMC在坯體內(nèi)占據(jù)空間大于炭黑，因此對(duì)氣孔率的貢獻(xiàn)也就明顯于炭黑。圖1顯示即使不添加成孔劑，試樣的氣孔率也可達(dá)到25.6%，這部分氣孔由燒結(jié)助劑和莫來(lái)石顆粒不緊密堆積所形成。當(dāng)CMC添加量小于4%或炭黑添加量小于6%時(shí)，成孔劑在成型時(shí)更多的是起到潤(rùn)滑的作用以促進(jìn)莫來(lái)石顆粒重排來(lái)實(shí)現(xiàn)最緊密堆積，并且在成型壓力的作用下被擠入到莫來(lái)石顆粒不緊密堆積形成的氣孔中，因此這部分成孔劑對(duì)燒后制品的氣孔率影響有限（圖2b）。當(dāng)添加量超過(guò)這一臨界點(diǎn)，成型壓力下坯體達(dá)到緊密堆積的過(guò)程中，莫來(lái)石顆粒重排現(xiàn)象減少，僅間距變?。▓D2c），成孔劑和燒結(jié)助劑的混合體多處于顆粒之間，燒結(jié)后莫來(lái)石顆粒通過(guò)燒結(jié)助劑實(shí)現(xiàn)連接，因此增孔作用開(kāi)始集中體現(xiàn)。

成孔劑對(duì)支撐體材料強(qiáng)度的影響如圖3所示。CMC作成孔劑時(shí)，支撐體強(qiáng)度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，其中CMC含量為4%時(shí)，強(qiáng)度達(dá)到最大值21MPa。分析其原因可能為，當(dāng)CMC添加量較少時(shí)，其主要存在于莫來(lái)石顆粒不緊密堆積形成的氣孔中，雖對(duì)氣孔率影響不大，但是CMC是一種鈉鹽，在燒結(jié)過(guò)程中，鈉離子不揮發(fā)，在支撐體中起到助熔和燒結(jié)的作用，使支撐體產(chǎn)生額外的強(qiáng)度，因此強(qiáng)度升高。這一點(diǎn)從試樣燒后的表觀特征也可有所反映，添加10%CMC的試樣表面玻璃光澤明顯，而添加炭黑的試樣表面沒(méi)有玻璃光澤。當(dāng)CMC添加量為4%時(shí)，氣孔率的增長(zhǎng)和鈉離子的助燒作用達(dá)到平衡，強(qiáng)度達(dá)到最大值。當(dāng)CMC添加量大于4%時(shí)，氣孔率的增長(zhǎng)抵消了鈉離子助燒作用對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)，因此支撐體強(qiáng)度開(kāi)始下降。以炭黑為成孔劑時(shí)，支撐體強(qiáng)度穩(wěn)中有降。分析其原因可能為，炭黑添加量較少時(shí)，對(duì)氣孔率影響不大，因此強(qiáng)度雖有起伏，但是總體穩(wěn)定。隨炭黑含量繼續(xù)升高，其增孔效果明顯，因此強(qiáng)度下降。成孔劑含量大于8%時(shí)，以炭黑為成孔劑的支撐體強(qiáng)度高于CMC，分析其原因是CMC的增孔效果明顯于炭黑所致。

2.3 顯微結(jié)構(gòu)分析

圖2 支撐體成型示意圖Fig.2 Forming of the support:(a) Mixture before forming;(b) Support body with a small amount of poreforming material;(c) Support body with an appropriate amount of pore-forming material

圖3 成孔劑對(duì)試樣抗折強(qiáng)度的影響Fig.3 Influence of the pore-forming material on the bending strength of the support

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以10%炭黑和5%CMC為復(fù)合成孔劑，制備出氣孔率為39%，抗折強(qiáng)度為16.5MPa的莫來(lái)石質(zhì)過(guò)濾膜管支撐體。其顯微結(jié)構(gòu)如圖4所示。從圖可見(jiàn)，莫來(lái)石顆粒尺寸、氣孔尺寸較為均勻，支撐體結(jié)構(gòu)整體均勻。

3 結(jié)論

（1）炭黑和CMC添加量分別小于13%和9%時(shí)，支撐體坯體可較好成型；

（2）炭黑和CMC對(duì)氣孔率的影響均較為明顯；同等含量時(shí)，CMC對(duì)氣孔率的影響略明顯于炭黑；成孔劑添加量較少時(shí)，氣孔率的變化較為緩慢，當(dāng)達(dá)到一定量時(shí)，氣孔率呈較快增長(zhǎng)；以CMC為成孔劑，支撐體氣孔率可達(dá)36.6%，以炭黑為成孔劑，支撐體氣孔率可達(dá)44.6%。

（3）CMC作成孔劑時(shí)，支撐體強(qiáng)度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)；CMC含量為4%時(shí)，抗彎強(qiáng)度達(dá)到21MPa；炭黑做成孔劑時(shí)，支撐體強(qiáng)度總體呈下降趨勢(shì)。

圖4 多孔陶瓷支撐體顯微結(jié)構(gòu)Fig.4 Microstructure of the porous ceramic support

1任祥軍,程正勇,劉杏芹等.陶瓷膜用于氣固分離的研究現(xiàn)狀和前景.膜科學(xué)與技術(shù),2005,25(2):65～68

2夏興祥.高溫除塵技術(shù)綜述.化工機(jī)械,2000,27(1):47～52

3張得平.鍋爐煙氣除塵技術(shù)及除塵器的選擇.大氮肥,2008,31(4):241～244

4姬忠禮.高溫陶瓷過(guò)濾元件的研究進(jìn)展.化工裝備技術(shù),2000,21(3):1～6

5薛友祥,孟憲謙,李憲景等.熱氣體凈化用的高溫陶瓷過(guò)濾材料.現(xiàn)代技術(shù)陶瓷，2005(3):18～21

6姬宏杰,楊家寬,肖波.陶瓷高溫除塵技術(shù)的研究進(jìn)展.工業(yè)安全與環(huán)保,2003,29(2):17～20