碳化硅泡沫陶瓷過濾器的工業化生產

碳化硅泡沬陶瓷過濾器具有比表面積大、密度小、耐高溫、高透過性,及優良的絕緣性能,廣泛用于熔融金屬過濾、熱傳感器、催化劑載體和汽車尾氣凈化等領域[1-6]。由于SiC難以直接燒結,采用常壓燒結途徑來制取高致密度的SiC陶瓷,必須采用特殊方法或靠第二相物質幫助促其燒結致密化。

為了促進燒結,需要加入結合劑,目前已研究出來的結合劑主要有3種Si3N4結合、β-SiC結合和A203-SiO2結合。由于前兩種方式需要在特殊的爐子并在還原性氣氛中燒成,條件要求高;而A1203-s102結合在普通的爐子中氧化性氣氛即可燒結,且燒結溫度低,故在實際生產中廣泛應用[1,4]。加入A1203能夠促進SiC燒結,主要是形成了A203一SⅰO2雜質的復雜組分的液相,SiC通過此液相中的溶解沉淀過程來傳遞物質,達到致密化。加入少量的稀土氧化物,可促進siC-A1203陶瓷的燒結,增大其致密度,以達到增加強度的目的[1一3,5]。我國的稀土資源十分豐富,且價格低廉,稀土氧化物對大多數鑄鐵、鋁合金、銅合金及鋅合金等鑄件不會產生副作用,是一種較為理想的燒結助劑,目前關于這方面的報道很少。

本試驗中,研究了泡沫塑料的預處理對掛漿量的影響,陶瓷漿料中固相含量和二次掛漿對泡沫陶瓷的強度的影響,系統地研究了加入混合稀土氧化物對碳化硅泡沫陶瓷的燒結溫度、燒結時間,抗折強度、致密度和抗熱震性等各種性能影響。

碳化硅泡沬陶瓷過濾器試驗原料

聚氨酯泡沫塑料:

作為前驅體,孔徑為1015ppi,德國進口。

碳化硅微粉:w(SiC)≥98.5??325目篩。

氧化鋁粉:W(A1203)≥99.12??325目篩。

高嶺土:w(Si02)≥56.16?(A1203)≥28.86??325目篩。

混合稀土碳酸鹽:w’RE(2CO3)(≥98.5??3325目篩。

硅溶膠:固相含量為30?H值為9.510。聚丙烯酰胺(PAM):作為分散劑,分子量≥300萬?？s甲基纖維素鈉(CMC):分析純試劑。

漿料的制備及樣品成型

將混合稀土碳酸鹽加熱到850℃,使其完全分解成氧化物;將水與硅溶膠混合,攪拌1mn,然后加入碳化硅、氧化鋁、高嶺土及混合稀土氧化物等耐火骨料攪拌30加入微量的聚丙烯酰胺(PAM),再攪拌30min調制成觸變性較好的陶瓷漿料。將裁制好的經過處理的聚氨酯泡沫塑浸泡在陶瓷漿料中,待漿料充滿聚氨酯的孔隙后,反復擠壓揉搓,擠出多余的漿料,使陶瓷漿料均勻地涂掛在聚氨酯泡沫塑料的網狀結構上,制成素坯在室溫下放置24h自然干燥。

本試驗為防止在加熱過程中漿料的脫水收縮造成陶瓷體的開裂,漿料中的耐火材料均為過325

目篩的細料。樣品燒結大致分為低溫、中溫、高溫3個階段

1)低溫階段即坯體的烘干期。為了使自由水能夠排出,避免在短時間內產生大量的氣體造成坯體開裂,將自然干燥后的素坯置于烘干爐內在120℃下烘干34h。

2)中溫階段即泡沫揮發期。將烘干的坯體以平均2℃/min的速度加熱至600℃(泡沫的燃點以上),保溫1h,確保泡沫充分揮發掉。

3)高溫階段即?；纱善?。以較快的速度(平均8℃/min)加熱至燒結溫度,在爐中保溫2h,使陶瓷體充分燒結,然后隨爐冷卻。

1.3試樣的表征

燒結收縮率k=(V一V0)×100?,式中:V為燒結前的體積,V0為燒結后的體積。體積密度pb=M/V0,式中:M為燒成后過濾器的質量,V0為燒成后過濾器的體其它性能的測試方法如下吸水率的測試用煮沸法測量試樣的吸水率:熱震性的測試方法,將試樣在茂福爐中加熱到1100℃,保溫10h,再迅速地投入到20℃水中,檢查試樣產生微裂紋之前所能經受的最多沖擊次數:用RGL一30微電子萬能試驗機測試試樣的抗折強度。

2結果與討論

2.1泡沫塑料的表面處理對掛漿量的影響

如圖1所示,采用水、乙醇、1?OH水溶液、0.1?C水溶液以及1?OH十CMC水溶液對聚氨酯泡沫塑料改性后涂掛漿料,泡沫塑料増重分別為3.5、4.2、3.83.6、6.2倍用各種方法處理泡沫塑料后,對泡沫塑料的掛漿量的改善效果是:NaOH+CMC>NaOH>CMC>C2H5OH>H20。用1?OH處理效果不是很明顯,這是因為聚氨酯泡沫屬于高聚酯類化合物,它遇到強堿性氧化物時,在一定條件下可以發生水解反應[7],正是通過這一特性來去除泡沫孔筋間的隔膜,從而減少泡沫堵孔,提高泡沫通孔率。但是,對泡沫的表面水解處理僅只能去除泡沫孔筋間的隔膜,而不能從根本上改變泡沫的潤濕性能,而對聚氨酯泡沫的表面改性處理恰恰是要提高泡沫的潤濕性能。由圖1可知,單獨使用CMC時效果也不理想。這是因為羧甲基纖維素(CMC)作為一種常用的表面活性劑,它是一種陰離子型表面活性劑,其使用對溶液的pH值有要求。因為CMC溶解于水,它在溶液中作為一種高分子電解質,具有膠體的性質。它在溶液中的分解反應如下：

A-C0ONa→A-C00-+Na+

A-CO0-+H20→A-C0OH+OH一

當pH<7時,羧酸基會與水中的氫離子生成羧酸,從而失去表面活性。當pH>7時,

要以陰離子A一COO一形式存在。所以先用NaOH溶液處理泡沫塑料再用CMC溶液浸泡就

會使泡沫塱料呈弱堿性,而且掛漿所使用的漿料的ρ∏值通常在10左右,此時碳鏈端吸附在聚氨酯表面,而親水的羧酸基朝上,可以與水基漿料很好地結合,從而大大地改善水基漿料在泡沫塑料表面的潤濕性。羧甲基纖維素具有很強的親水性,從而促進了掛漿性能的提高以CMC和NaOH溶液同時使用時,泡沫塑料的增重最大。

2.2固相含量對掛漿量的影響

可知,漿料的固相含量為70?,掛漿量為48g/100cm3泡沫塑料,而固相含量增加到80?,掛漿量達到了62g/100cm3。表明了在此范圍內泡沫塑料的掛漿量隨漿料固相含量的增加而增加。用有機泡沫浸漬工藝生產泡沫陶瓷,對漿料的要求很高,既要求漿料盡可能多地涂掛在泡沫筋表面上,以便在燒結后獲得高的強度,同時漿料又不能堵孔。因此要求漿料必須具有一定的觸性能,也就是漿料在靜態時具有很高的粘度,能夠牢牢的吸附在泡沬的筋上,但當受到剪切力后粘度變低,具有很好的流動性,這樣在泡沫受擠壓過程中可以把多余的漿料擠出,而不會造成過多的堵孔。漿料的觸變性主要依靠粉體的配方和固相含量,但過高的固相含量的漿料制備比較困難[7],本試驗中,漿料的觸變性是通過控制CMC和高嶺土的添加量來實現的。

試驗表月漿料中CMC添加量為0.1??嶺土的添加量為6.4?,漿料的觸變性較好,當固相量達到80?,漿料的流變性變差,樣品無法排除多余的漿料,會造成樣品大面積的堵孔,因此選用固相含量為75?漿料。

2.3一次掛漿和二次掛漿的影響

只經過一次掛漿的泡沫陶瓷的孔筋比較而且泡沫塑料表面的網狀結構已經不完

整,經過二次掛漿后泡沫陶瓷的孔筋直徑是一次掛漿的2倍,質量比一次掛漿的增加1倍多,表面顆粒的排列也比一次掛漿的致密得多。這是因為一次掛漿在泡沫塑料所吸附的漿料比較少,導致素坯表面在泡沫塑料揮發逸岀時岀現了輕微的塌陷,經過二次掛漿,陶瓷的空筋増厚,并且彌補了一次掛漿后的缺陷,因而燒結后表面比較均勻,強度較大。

由于經一次掛漿干燥后的樣品已經不具備彈性,第二次掛漿時漿料的選擇將不同于一次掛漿的要求。漿料的固相含量不能太高,因為過高的固相含量將使漿料的粘度增大,在后期排除多余漿料時易造成堵孔:而過低的固相含量又會引起粘度太低,無法附著在干燥體上而不能提高強度。所選擇的二次掛漿漿料的固相含量為68%。

2.4混合氧化稀土加入量對泡沫陶瓷性能的影響

可見,隨著稀土氧化物的増加,陶瓷的燒結溫度降低,燒結時間縮短,陶瓷的體積密度抗折強度和抗熱震性也隨之增加。

因為SiC和a-A1203是典型的共價鍵化合物,在高溫狀態下仍保持高的鍵合強度,高溫

燒結時擴散速率較低,不易燒結。氧化稀土物具有較高的表面活性能,可與SiC表面的SiO

2及原料中的Sio2或原料中的雜質生成液相低共熔物,液相的存在使得燒結過程中顆粒比較

容易進行重排,且使材料的燒結由單一的固相轉化為固相和液相同時進行,增加了物質的傳遞途徑和傳遞量,因而可降低燒結溫度,降低燒結時間【9-10】。

添加氧化稀土后,改善了莫來石一碳化硅質材料的潤濕性能降低陶瓷材料的熔點,加入材料中的稀土氧化物可促進A23、SiO2及材料中的雜質發生化學反應,易于形成低熔點液相,加之顆粒之間的毛細作用,促使顆粒間的物質向孔隙處填充,使材料孔隙率降低,致密度提由于泡沫碳化硅陶瓷是一種互相連通的網狀結構,在水中急冷時,制品中心與表面的傳熱主要通過水在網狀孔隙中的對流滲透。滲透速度越快,熱應力緩解也越快,材料熱震性能也越好。因此泡沫陶瓷高的氣孔率,以及碳化硅材質低的膨脹系數[1],均使得碳化硅泡沫陶瓷的具有良好的抗熱震性,加入稀士氧化物可以抵消陶瓷中生成的方石英體積變化,降低材料在溫度變化時的熱應力,因而提高材料的熱震抗力使陶瓷的抗熱震性提高。由于加入稀士氧化物可以抵消陶瓷中生成的方石英體積變化及陶瓷致密度的提高,因而陶瓷的抗折強度也隨之增加。

3結束語

以碳化硅微粉、氧化鋁粉、高嶺土、混合稀土氧化物為原料,以聚氨酯泡沫塑料為前驅體,燒制了泡沫陶瓷過濾器。泡沫塑料進行表面處理,漿料中的固相含量,二次掛漿以及添加混合稀土氧物均會影響泡沫陶瓷的強度。