摘 要：利用鑄造廢砂中的二氧化硅制備芯吸陶瓷，研究兩種不同粒徑（30～90 μm、90～150 μm）的原料和同一高度情況下兩種粒徑的原料之間相互堆疊層數(shù)對SiO2芯吸陶瓷的吸水率、透水率和芯吸速率等性能的影響。結(jié)果表明，隨著堆疊層數(shù)增加，樣品芯吸速率增加；1 220 ℃的燒結(jié)溫度下6層堆疊的樣品芯吸速率最大可達50.34 mm/s，吸水率為35.20%，透水系數(shù)為36.08，抗壓強度達3.21 MPa。本研究為廢砂在陶瓷領域的資源化利用提供一定的理論基礎。

關鍵詞：鑄造廢砂；芯吸陶瓷；堆疊

芯吸效應是超細纖維或內(nèi)部具有類似于超細纖維特殊結(jié)構的材料所具有的特殊性能[1-4]。在超細纖維的孔隙接近真空時，與水直接接觸的部分與材料內(nèi)部的超細纖維結(jié)構形成真空孔隙，水因為大氣壓而從與水接觸的一端吸入纖維孔隙中，而且孔隙的孔徑越小，芯吸效應越強。

鑄造過程中會使用大量的造型原料砂，由于廢砂通常含有大量重金屬，因此工業(yè)廢砂的處理就成為了難題之一。目前工業(yè)廢砂多用于制造混凝土，用于建筑、道路堆填、橡膠等領域，也可用作實驗室研究陶瓷的原材料，還可用于制備SiO2多孔材料[5-8]。

SiO2多孔材料具有獨特的性能，滿足常規(guī)多孔材料所不具備的熱穩(wěn)定性、抗腐蝕性，可用作強酸強堿等強腐蝕性溶液的載體，可制備先進復合材料；由于材料特有的多孔結(jié)構，還可用作保溫隔熱材料。隨著科技的發(fā)展，SiO2材料的制備技術越來越成熟，應用越來越廣泛[9-13]。目前，利用鑄造廢砂原料制備多孔陶瓷，并對其芯吸性能進行研究的成果較少。

本文以鑄造行業(yè)的廢砂為原材料，研究不同粒徑、不同堆疊方式的SiO2陶瓷在不同的燒結(jié)溫度下的吸水率、透水率以及芯吸速率等不同參數(shù)的差異，鑄造綜合性能優(yōu)異的芯吸SiO2陶瓷。

1 材料和方法

1.1 實驗材料

鑄造廢砂（佛山晗涵科技有限公司，30～150 μm砂，SiO2≥95%）。

1.2 模具制作

以廢砂中的SiO2為原料，混合固化劑、促凝劑和樹脂，每加入一種配料便使用攪拌器以100 W功率攪拌20 s。將攪拌好的粉料壓入3D打印模具（直徑20 mm），為了便于開模，可以適當將3D打印機（XL-800，北京妙思睿行科技有限公司）制備的模具完全浸入融化的石蠟，待模具稍冷后使用砂紙磨平表面的石蠟。注模后將樣品置于通風處靜置1 h以上，待初步固化后脫模繼續(xù)靜置24 h以完全固化，制備的樣品見圖1。

升溫曲線如圖2所示，在300 ℃和600 ℃保溫時可以把有機物和水分完全排出，當溫度升高到1 150 ℃時，降低升溫速率，當溫度到達最高溫度時保溫30 min，最后自然冷卻。

1.3 測試方法

1.3.1 芯吸速率

樣品的芯吸速率是指樣品從下往上吸水速度。在500 mL燒杯中注入高度為50 mm的水，用視頻分析軟件（Camtasiap）分析每0.1 s內(nèi)樣品的吸水高度。繪制不同樣品的吸水時間-高度圖，對比不同樣品的芯吸速率。

1.3.2 透水系數(shù)

實驗裝置如圖3所示，重復三次并使用平均值作為最后的測試數(shù)據(jù)[14]。

透水系數(shù)公式：

KT=Lh／AHt， （1）

式中：KT為透水系數(shù)（mL/min），L為單位時間內(nèi)滲出的總水量（cm3），h為樣品厚度（cm），

A為圓柱樣品的上表面或下表面的表面積（cm2），H為水位差（cm），t為流水的時間（min）。

1.3.3 吸水率

把樣品放入燒杯中，加去離子水至沒過樣品1 cm以上，持續(xù)煮沸2 h，用吸水后的濕抹布擦去樣品表面水滴，所得質(zhì)量即為飽和吸水質(zhì)量，再根據(jù)樣品未吸水時在空氣中的質(zhì)量可得樣品的吸水率。

1.3.4 抗壓強度

本實驗使用抗壓強度來表征樣品的物理強度[3]。將樣品放置于所用的測試儀器（萬能試驗機，TFW-100B，濟南鑫光機械制造有限公司）上，根據(jù)儀器測試所得的破壞載荷（P）和受力面積（S）可求得樣品的抗壓強度。

抗壓強度公式：

Rc=P／S，（2）

式中：RC為抗壓強度（MPa），P為破壞載荷（N），S為受力面積（mm2）。

2 結(jié)果和討論

2.1 芯吸性能

圖4為不同樣品在1 220 ℃、1 260 ℃和1 300 ℃下燒成后的芯吸高度與時間的關系。由圖可知，樣品在前1 s的吸水速率基本不變，1 s以后吸水速率開始降低。不同樣品前1 s的平均芯吸速率基本隨燒結(jié)溫度的升高而降低，這是因為溫度升高，樣品中有較多的玻璃相生成，陶瓷的氣孔和微裂紋減小。相同燒結(jié)溫度下，30～90 μm和90～150 μm樣品芯吸速率基本一致。堆疊層數(shù)則對芯吸速率的影響較大，堆疊層數(shù)越多，芯吸速率越大。實驗制得的陶瓷芯吸材料最大芯吸速率是常規(guī)芯吸材料紙巾（20 mm/s）的2倍以上。堆疊層數(shù)對芯吸速率產(chǎn)生影響，是由于不同粒徑的樣品相互堆疊，使得層層之間產(chǎn)生了較大的缺陷，燒成過程中，層間匹配較差，顆粒間縫隙較大，易產(chǎn)生微裂紋，毛細管作用較強，從而使芯吸速率增大。

2.2 吸水性能

圖5為不同樣品在1 220 ℃、1 260 ℃和1 300 ℃下燒成后的吸水率折線圖。由圖可知，90～150 μm[HJ3.45mm]砂燒成后的樣品吸水率比其他四種樣品都要低5%，30～90 μm砂燒成的樣品吸水率最高。相同溫度下，不同堆疊方式的樣品吸水率基本不變，且都高于90～150 μm砂的吸水率。陶瓷的吸水率和樣品的顯氣孔率呈正相關關系。這表明，不同樣品具有不同的氣孔率，90～150 μm砂的樣品和30～90 μm砂的樣品吸水率差別的原因可能是由于90～150 μm砂的樣品具有更小的粒徑，其燒結(jié)活性較30～90 μm砂的高，在高溫下生成的玻璃相較多，從而90～150 μm砂氣孔率較小，導致吸水率較小。與此相反，30～90 μm砂具有較大的氣孔率，可吸收更多的水分，因而有更高的吸水率。在一定溫度下，樣品玻璃

相隨著燒結(jié)溫度增加而增加[15]，因此樣品的氣孔率隨著燒結(jié)溫度的增加而減小，導致不管何種堆疊方式在不同的燒結(jié)溫度下都呈現(xiàn)出隨燒結(jié)溫度的升高吸水率下降的趨勢。

2.3 透水性能

圖6為不同樣品的透水系數(shù)折線圖。從中可以看出，樣品的透水系數(shù)與燒結(jié)溫度的大小成反比，對于同一燒結(jié)溫度下，90～150 μm樣品比30～90 μm樣品的透水系數(shù)要低，而透水系數(shù)的變化則與堆疊數(shù)呈正相關，1 220 ℃下6層堆疊的樣品，透水系數(shù)可達最高值36.02%，此時樣品的芯吸速率也最大（表1）。透水率通常與氣孔率（吸水率）有關，燒結(jié)溫度越高，氣孔率越低，樣品透水率就越小。這是由于堆疊樣品中不同粒徑的顆粒之間存在毛細管效應，堆疊層數(shù)越多，透水系數(shù)越高[16]。

2.4 力學性能

圖7為不同樣品在不同溫度下的抗壓強度。

由圖可知，相同溫度下，90～150 μm原料燒成的樣品比30～90 μm原料燒成的樣品抗壓強度要高，最高為4.00 MPa。樣品的內(nèi)部結(jié)構直接影響樣品的力學性能，造成90～150 μm樣品比30～90 μm樣品抗壓強度高的原因可能是由于90～150 μm樣品粒徑更小，其燒結(jié)樣品更致密，因此樣品的抗壓強度更高。樣品的抗壓強度也與燒結(jié)溫度有關，對于90～150 μm砂和30～90 μm砂，溫度升高，玻璃相增加，強度下降。

不同原料交替堆疊成型的樣品中，不同溫度下，其抗折強度變化規(guī)律不同。1 220 ℃時，樣品抗折強度隨著堆疊層數(shù)增加而減小；1 260 ℃和1 300 ℃下，樣品抗折強度隨著堆疊層數(shù)增加，呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。對于多層堆疊的樣品，其構成復雜，顯微結(jié)構也比較復雜，不同粒徑區(qū)間交界處的煅燒性能可能對樣品也有一定的影響，在燒結(jié)過程中其內(nèi)部變化更加復雜。1 220 ℃和1 260 ℃下，多層堆疊樣品的最大抗折強度處于90～150 μm樣品和30～90 μm樣品抗壓強度之間；而1 300 ℃下，所有樣品中，4層樣品的抗折強度最大。這表明，一定溫度下，合適的堆疊方式可增強樣品的抗折強度。

3 結(jié)論

本文以90～150 μm砂、30～90 μm砂和兩種砂交替堆疊2層、4層、6層為樣品，在1 220 ℃、1 260 ℃和1 300 ℃下燒結(jié)成SiO2多孔陶瓷，經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)：相同溫度下，由90～150 μm和30～90 μm制備的樣品芯吸速率變化較小，不同粒徑范圍交替堆疊的樣品，吸水速率增加，堆疊層數(shù)越多，芯吸速率越大，高達50.34 mm/s；隨著溫度升高，樣品玻璃相增加，使得樣品的芯吸速率、吸水率和透水率均降低，芯吸速率最大的6層堆疊樣品，抗壓強度為3.21 MPa；抗折強度的分析結(jié)果顯示，在合適溫度（1 300 ℃）與合適堆疊方式（4層）下，樣品的抗折強度大于未采用不同粒徑交替堆疊的成型樣品。研究結(jié)果為鑄造廢砂在多孔陶瓷領域的資源化利用方面提供了一定的理論基礎。

參考文獻

［1］馬吉康，房寬峻，劉秀明，等.棉紗線垂直芯吸效應研究[J].針織工業(yè)，2021（2）：60-64.

[2]梁潔，邵慧奇，季小強，等.導水加筋土工織物的力學和芯吸性能分析[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品，2023，41（6）：9-16.

[3]任亞林，段群超，李萌，等.毛細結(jié)構管道的芯吸特性實驗[J].科學技術創(chuàng)新，2022（23）：59-62.

[4]鄭曉歡，王野，李紅傳，等.微納尺度毛細芯吸液特性[J].粉末冶金材料科學與工程，2016，21（3）：488-495.

[5]張勝權，高欣，溫小棟，等.鑄造廢砂資源化利用現(xiàn)狀與發(fā)展建議：以寧波市為例[J].鑄造技術，2022，43（7）：554-558.

[6]馬帥.用作路堤填料的廢棄鑄造砂力學特性試驗研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇科技大學，2023.

[7]嚴彬，陳為勝.利用鑄造廢砂生產(chǎn)普通硅酸鹽水泥熟料的應用研究[J].中國水泥，2022（S1）：70-73.

[8]周玉發(fā)，劉德紅，劉德振，等.利用石英廢砂生產(chǎn)衛(wèi)生陶瓷的方法：CN200510018637.4[P].2005-07-14.

[9]戎賢，劉靜杰，陳龐，等.納米二氧化硅對海砂堿礦渣砂漿高溫力學性能的影響[J].硅酸鹽學報，2024，52（2）：652-660.

[10]原玉，高占忠，張秋杰，等.多孔二氧化硅陶瓷介電行為的機制研究[J].電子制作，2015（3）：29-31.

[11]郭子康，張凱，劉振濤，等.一種石英纖維增強二氧化硅基復合材料介電性能分析方法[J].武漢理工大學學報，2023，45（5）：32-37.

[12]呂紅麗，羅麗娟，師建軍，等.柔性增強二氧化硅氣凝膠的研究進展[J].紡織學報，2023，44（8）：217-224.

[13]吳一凡，王興濤，孫金峰，等.二氧化硅纖維基隔熱材料研究進展[J].硅酸鹽通報，2023，42（11）：4167-4177.

[14]牛賽賽.全固廢煤矸石透水磚的研制及其性能研究[D].邯鄲：河北工程大學，2022.

[15]張晨陽，張捷，張志杰，等.磷酸鈣改善陶瓷性能的研究[J].材料研究與應用，2015，9（4）：244-248.

[16]陳茂開.SiC/莫來石復相多孔陶瓷制備與性能研究[D].長沙：湖南大學，2012.

（責任編輯：王軍輝）

［收稿日期］2024-04-02

［基金項目］廣東省教育廳科研項目“復合酸改性氮化鋁陶瓷粉體的抗水解機制及燒成制度研究”（2022KQNCX046）；大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目“抗水解納米ALN粉體的研究與制備”（202310578009）