孫 怡,劉常華,周?chē)?guó)紅,彭 翔,劉 娟,王士維
(1.中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所結(jié)構(gòu)陶瓷工程研究中心,上海200050;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京100049;3.河南中原特種耐火材料有限公司,鄭州450012)
玻璃窯爐等熱工設(shè)備是陶瓷行業(yè)生產(chǎn)中的主要耗能設(shè)備,其節(jié)能問(wèn)題是當(dāng)前的一個(gè)重要課題,而窯爐內(nèi)耐火材料的選擇則是一個(gè)決定性因素[1]。傳統(tǒng)的玻璃熔窯和其他熱工設(shè)備一般都采用熔鑄鋯剛玉磚(AZS)砌筑,該磚的體積密度通常約為4.00g·cm-3,導(dǎo)熱系數(shù)大于2.50W·m-1·K-1(熱面1 000℃)。因其熱容量大、傳熱快、保溫性能及抗熱震性能差,導(dǎo)致用該磚砌筑的熔窯能耗高,熱效率低,溫度不易控制,且使用壽命短。
經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn),近年來(lái)開(kāi)發(fā)了鋯英石磚,并得到廣泛推廣,其用量也不斷增加[2]。鋯英石磚是以硅酸鋯為原料制得的耐火材料,硅酸鋯為四方晶系的島狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽礦物,具有高熔點(diǎn)(2 750℃)、極好的化學(xué)和物相穩(wěn)定性以及低熱導(dǎo)率、低膨脹系數(shù)、良好的抗熱震性和耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn),在耐火材料、玻璃窯爐鋯英石磚、搗打料、澆注料、噴射料中得到應(yīng)用[3]。傳統(tǒng)的鋯英石磚體比較致密,密度大于3.75g·cm-3,顯氣孔率小于19%[4]。隨著玻璃行業(yè)發(fā)展,窯爐向大型化及窯溫操作高溫化發(fā)展,需要進(jìn)一步降低設(shè)備的能耗,滿(mǎn)足不同環(huán)境下的使用需求。因此,人們對(duì)玻璃窯爐上部致密的鋯英石磚材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),制備出了多孔結(jié)構(gòu)的硅酸鋯陶瓷,通過(guò)減小其體積密度、提高其顯氣孔率來(lái)達(dá)到降低其熱導(dǎo)率的目的。近年來(lái),凝膠注模成型與機(jī)械發(fā)泡法相結(jié)合是一種有效制備多孔陶瓷的工藝,已在泡沫陶瓷的研究和生產(chǎn)上獲得了應(yīng)用[5]。凝膠注模成型工藝是20世紀(jì)90年代以來(lái)出現(xiàn)的新膠態(tài)成型工藝,但因傳統(tǒng)的自由基體系存在氧阻聚、添加劑多、步驟復(fù)雜等問(wèn)題,阻礙了該工藝在工業(yè)生產(chǎn)中的進(jìn)一步推廣[6-8]。水溶性異丁烯馬來(lái)酸酐共聚物(商業(yè)名稱(chēng)Isobam)可以同時(shí)充當(dāng)分散劑和交聯(lián)劑,在空氣室溫下自發(fā)凝膠,且無(wú)毒,無(wú)環(huán)境污染[9-10]。因此,作者以Isobam為添加劑、以石英砂為原料、以十二烷基硫酸三乙醇胺的表面活性劑水溶液(Surf-E)為發(fā)泡劑,采用自發(fā)快速凝膠體系結(jié)合機(jī)械發(fā)泡工藝制備了多孔硅酸鋯陶瓷,研究了發(fā)泡劑用量對(duì)漿料流變性能的影響,并對(duì)多孔燒結(jié)陶瓷的物相、顯微結(jié)構(gòu)、抗壓強(qiáng)度等進(jìn)行了表征。
試驗(yàn)原料為商業(yè)鋯英砂粉體(D50為3.6μm),主要成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為 51.87%ZrO2,32.90%SiO2,6.95%Al2O3,1.97%Na2O,0.27%CaO。有機(jī)添加劑為商業(yè)產(chǎn)品Isobam104#(日本可樂(lè)麗公司),其平均分子量為55 000~65 000[9];發(fā)泡劑選用體積分?jǐn)?shù)0.1%~0.5%的十二烷基硫酸三乙醇胺的表面活性劑水溶液(Surf-E)。試驗(yàn)流程如圖1所示,將鋯英砂粉、有機(jī)添加劑以及去離子水按照固含量80%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同),Isobam104#含量1%(相對(duì)于原料粉體)的比例混合,并添加了0.2%羧甲基纖維素鈉(CMC)作為增稠劑用于提高漿料的穩(wěn)定性(僅在Surf-E體積分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)添加)。將混合物在球磨罐中混合30min制備均勻的漿料;然后加入體積分?jǐn)?shù)為0%~0.5%Surf-E,用機(jī)械攪拌進(jìn)行發(fā)泡,轉(zhuǎn)速為1 000r·min-1,時(shí)間為8min;再將漿料澆注入塑料模具(10cm×10cm×5cm)中,在空氣、室溫下自發(fā)凝膠;成型后,濕坯在50℃烘箱中干燥,脫模;成型后的素坯直接在馬弗爐中1 500℃下燒結(jié)3h得到多孔硅酸鋯陶瓷,升溫速率2℃·min-1。
圖1 凝膠注模成型結(jié)合機(jī)械發(fā)泡工藝制備多孔硅酸鋯陶瓷的流程示意Fig.1 Flow-chat for production of porous zirconium silicate ceramics by gelcasting and mechanical foaming
采用Physica MCR301型應(yīng)力控制流變儀對(duì)漿料的流變性能進(jìn)行測(cè)試,漿料黏度測(cè)試為穩(wěn)態(tài)模式,剪切速率跨度為0.01~1 000s-1,凝膠化過(guò)程的測(cè)試狀態(tài)為小幅震蕩模式,應(yīng)變頻率為1.0Hz,振幅為0.4%;采用Bruker D8Advance型X射線衍射儀(XRD)分析多孔陶瓷試樣的物相組成,銅靶Kα射線;用Instron-5500R型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試多孔硅酸鋯陶瓷的抗壓強(qiáng)度,加載速率為1.5MPa·s-1,試樣尺寸為20mm×20mm×20mm,四棱倒角,共5個(gè)試樣取平均值;采用JSM-6390LV型掃描電鏡(SEM)觀察多孔硅酸鋯陶瓷的微觀形貌。
由圖2可以看出,沒(méi)有添加發(fā)泡劑的原始漿料和加入0.1%發(fā)泡劑的漿料都表現(xiàn)為剪切增稠,這是由于鋯英砂粉體粒徑較大,漿料穩(wěn)定性差,易沉降;隨著發(fā)泡劑Surf-E含量的增加,漿料的黏度增加,在整個(gè)測(cè)試范圍表現(xiàn)為剪切變稀,改善了漿料的稠化性。這是由于初始剪切速率低時(shí),因機(jī)械發(fā)泡后的漿料中含有大量氣泡,氣泡使得漿粉表面積增加,相應(yīng)表面能也增大,表現(xiàn)為其黏度比原始漿料黏度大;隨著剪切速率增大,氣泡逐漸被破壞,在漿料中形成氣體層,使得漿料的黏度遠(yuǎn)小于原始漿料的黏度,表現(xiàn)為剪切變稀。增稠劑CMC的加入提高了漿料的黏度,在低剪切速率下,黏度的增加有利于阻止?jié){料沉降和氣孔漂移,保持漿料的穩(wěn)定性[11];另一方面,加入增稠劑后漿料隨著剪切速率的增加表現(xiàn)為剪切變稀,在100s-1剪切速率下,漿料的黏度為6Pa·s,流動(dòng)性好,能滿(mǎn)足澆注要求。
圖2 添加不同含量發(fā)泡劑及增稠劑后漿料的流變曲線Fig.2 The rheological curves of slurries with different contents of surfactant and thickener
由圖3可以看出,在初始階段,儲(chǔ)能模量很小,且變化很??;隨著靜置時(shí)間推移,模量迅速增加,三維凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)開(kāi)始形成[9];加入發(fā)泡劑后,凝膠形成速率略有減緩,原因是當(dāng)漿料在Isobm104#作用下完全分散,粉體顆粒表面飽和后,有機(jī)表面活性劑Surf-E在間隙水溶液中形成膠束,膠束分布在Isobam分子鏈之間,增加了鏈間距,減緩了有效官能團(tuán)氫鍵或共價(jià)鍵結(jié)合凝膠的速率[7];加入0.2%CMC后,凝膠網(wǎng)絡(luò)形成時(shí)間增加,但仍可在3h之內(nèi)形成,使?jié){料在沉降之前形成穩(wěn)定的凝膠。凝膠形成開(kāi)始點(diǎn)的延遲是由于添加CMC后形成的氣泡穩(wěn)定存在,漿料中氣孔率相對(duì)增加,密度減小。根據(jù)以上流變性能討論可以確定,制備多孔硅酸鋯陶瓷漿料時(shí)較適宜的發(fā)泡劑Surf-E添加量為0.5%(體積分?jǐn)?shù)),且要添加0.2%的增稠劑CMC。以下討論的多孔硅酸鋯陶瓷試樣均是以該配方制備的。
圖3 添加不同含量發(fā)泡劑及增稠劑漿料的儲(chǔ)能模量曲線Fig.3 The storage modulus curves of slurries with different contents of surfactant and thickener
由圖4可以看出,原料(鋯英砂)粉體的主晶相為ZrSiO4,此外還存在少量雜質(zhì);在1 500℃燒結(jié)得到的多孔硅酸鋯陶瓷中,除了具有正方結(jié)構(gòu)的ZrSiO4相外,還有少量單斜結(jié)構(gòu)的ZrO2。這可能是因?yàn)樵现泻蠳a2O、CaO等雜質(zhì),它們?cè)诟邷叵氯廴谑构杷徜喎纸馍尚变喪约捌渌麼a2SiO3、CaSiO3等非晶相[3],這些非晶相與新相單斜ZrO2不會(huì)對(duì)多孔硅酸鋯陶瓷的主體結(jié)構(gòu)性能產(chǎn)生很大影響。
圖4 鋯英砂粉體和多孔硅酸鋯陶瓷的XRD譜Fig.4 XRD patterns of zircon sand powder and porous zirconium silicate ceramic
由圖5可以看出,多孔硅酸鋯陶瓷中的氣孔主要為開(kāi)氣孔,形狀接近球狀,平均尺寸100μm,分布得較為均勻;從孔壁基體形貌可知,晶粒生長(zhǎng)良好,試樣致密,但粗糙不平。這是由于原料粉體為粗粉,機(jī)械發(fā)泡過(guò)程是一個(gè)氣、液、固三相高度混亂的狀態(tài),當(dāng)顆粒的尺寸大于所在液膜的厚度時(shí),會(huì)導(dǎo)致氣孔壁起伏[12],這也會(huì)使得陶瓷中氣孔間聯(lián)通的可能性增加,形成開(kāi)孔。通過(guò)計(jì)算可知,多孔硅酸鋯陶瓷的密度為1.83g·cm-3,顯氣孔率為54.3%。
由圖6可見(jiàn),多孔硅酸鋯陶瓷的抗壓強(qiáng)度為24.6MPa,其壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線主要分為密實(shí)階段、彈性變形階段、屈服階段和最終的失效破壞階段。
(1)以商業(yè)鋯英砂粉體為原料,采用快速自發(fā)凝膠成型和機(jī)械發(fā)泡工藝結(jié)合的方法成功制備了多孔硅酸鋯陶瓷。
圖5 多孔硅酸鋯陶瓷斷口的SEM形貌Fig.5 SEM morphology of porous zirconium silicate ceramic at low(a)and high(b)magnifications
圖6 多孔硅酸鋯陶瓷的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Compressive stress-strain curve of porous zirconium silicate ceramic
(2)發(fā)泡劑和增稠劑的加入使?jié){料的稠化性得到改善,穩(wěn)定性增加;加入體積分?jǐn)?shù)0.5%Surf-E和質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%CMC后,漿料隨剪切速率增加表現(xiàn)為剪切變稀,在100s-1處對(duì)應(yīng)的黏度為6Pa·s;機(jī)械發(fā)泡后的漿料均可在室溫空氣環(huán)境下自發(fā)凝膠成型。
(3)經(jīng)1 500℃高溫?zé)Y(jié)得到的多孔硅酸鋯陶瓷主晶相為正方ZrSiO4相以及少量單斜ZrO2相;氣孔接近球狀,平均尺寸100μm;孔壁生長(zhǎng)致密,基體形貌起伏不平;陶瓷密度為1.83g·cm-3,顯氣孔率為54.3%,抗壓強(qiáng)度為24.6MPa。
[1]曾令可,鄧偉強(qiáng),劉艷春,等.陶瓷工業(yè)能耗的現(xiàn)狀及節(jié)能技術(shù)措施[J].陶瓷學(xué)報(bào),2006,27(1):109-115.
[2]齊曉青,王玉范.無(wú)堿玻璃纖維池窯用高致密鋯英石磚的研究[J].耐火材料,2002,36(2):88-91.
[3]屈海明,謝凱.鋯英砂搗打料使用性能研究[J].中國(guó)玻璃,1993,18(6):6-8.
[4]李鵬海,陳松林,尹超男,等.玻璃窯用鋯英石磚的研制[J].玻璃,2012,39(10):35-37.
[5]DHARA S,BHARGAVA P.A simple direct casting route to ceramic foams[J].Journal of the American Ceramic Society,2003,86(10):1645-1650.
[6]OMATETE O O,JANNEY M A,STREHLOW R A.Gelcasting:a new ceramic forming process[J].Am Ceram Soc Bull,1991,70(10):1641-164.
[7]YOUNG A C,OMATETE O O,JANNY M A,et al.Gelcasting of alumina[J].J Am Ceram Soc,1991,74(3):612-618.
[8]MAO X J,SHIMAI S Z,DONG M J,et al.Gelcasting of alumina using epoxy resin as a gelling agent[J].J Am Ceram Soc,2007,90(3):986-988.
[9]YANG Y,SHIMAI S Z,WANG S W.Room-temperature gelcasting of alumina with a water-soluble copolymer[J].J Mater Res,2013,28(11):1512-1516.
[10]YANG Y,SHIMAI S Z,SUN Y,et al.Fabrication of porous Al2O3ceramics by rapid gelation and mechanical foaming[J].J Mater Res,2013,28(15):2012-2016.
[11]MAO X J,WANG S W,SHIMAI S Z.Preparation of porous silica ceramics with low dielectric constant[J].Chin J Aeronaut,2006,19:239-243.
[12]MAO X J,SHIMAI S Z,WANG S W.Effects of coarse particles on the gelcasting of ceramic foams[J].J Am Ceram Soc,2008,91(7):2412-2414.