過濾用多孔陶瓷的制備和性能研究_圖文

1、388材料導(dǎo)報2008年8月第22卷專輯過濾用多孔陶瓷的制備和性能研究*閆文慧1,牛青山12,王立福1,萬正國1,高仙1,賈虎生12,許并社12(1太原理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,太原030024;2太原理工大學(xué)教育部新材料界面與工程重點實驗室,太原030024摘要選用普通石英砂為骨料,加入水玻璃作為粘結(jié)劑,采用顆粒堆積并添加造孔劑的方法,制備了高性能的可用于污水處理的多孔陶瓷濾球。研究了燒結(jié)溫度、保溫時間、造孔劑的含量和骨料顆粒大小對孔隙率和力學(xué)性能的影響規(guī)律。用掃描電鏡觀察了多孔陶瓷的微觀結(jié)構(gòu),并初步研究了燒結(jié)動力學(xué)問題,探討了燒結(jié)前期、中期和后期的燒結(jié)理論和燒結(jié)模型。關(guān)鍵詞多孔陶瓷顆粒堆

2、積法燒結(jié)動力學(xué)中圖分類號:TQ l74文獻標(biāo)識碼:AP r epa r a t i on and Per f or m ance of Por ous C er am i c f or Fi l t r at i on Y A N W enhui l,N I U Q i ngshanl”,W A N G L i f ul,W A N Z henggu01,G A O X i anl,J I A H us hen91”,X U B i ng s hel2(1C ol l ege of M at er i al S c i e nce a nd E ngi nee r i ng,Tai yua n

3、 U n i ve r si t y of Tec hnol ogy,Ta i yuan030024;2K e y L a bor a t or y of I nt er f ace S c i e nce a nd E ngi ne er i ng i n A dvan ced M at er i a l s of M i ni s t r y of E ducat i on,T a i yua n U ni ver s i t y of Tec hnol ogy,T a i yuan030024A bs t ract I n t his exp er i m ent,com m on s

4、andsar e us e d as m ai n m a t er i al,w at e r gl ass as bi nde r a nd t hem et hodpar t i cl e st a cki ng and pore-form i ng a ge nt a p pe n di ng i s a dopt ed t o pr oduce por ous ce r am i c f or f ilt e r m at e r i ali n s ew a g e di spos al.T he i nf l u ences of por osi t y and m e chan

5、i ca l pr ope r t y o n t he si n t er i ng t e m per a t ur e,hea t pr e ser vat i ont i m e,por e-f orm i ng a ge nt a nd t he bul k of sa nd par t icl e ar e st udi ed.The m i cr osc opi c s t r uct u r e of porous ceram i c c an be obse r ved by SE M.Fur ther m or e,the dynam i cs of s i nt er i

6、 n g i s al so st u di e d.T h e si n t er i ng m ode l s a nd t heor i es i n init ia l st age,i nt er m ed i at e st age a nd f ir m l st age ar e di scus s ed.K ey w or ds por ousceram i c,part i cl e st acki ng,dyn am i c s of s i nt er i n gU刖昌多孔陶瓷不僅具有普通陶瓷的耐高溫、耐腐蝕、高化學(xué)穩(wěn)定性等,還有孔隙率高、體積密度小、比表面積大等獨特的

7、物理表面特性1,如今已成為污水處理的重要過濾材料。目前市場上的一些濾料存在不同程度的缺陷,如孔隙度低,凈化效果差,回收利用差等2一,限制了生物濾池技術(shù)的發(fā)展,制約了我國污水處理技術(shù)的實際應(yīng)用。因此,本實驗選用資源廣泛、成本低廉的石英砂為原料,采用顆粒堆積并添加造孔劑的方法,研制出一種孔隙率高、抗壓強度高,回收利用好的環(huán)保型多孔陶瓷濾料,以此推動我國生物濾池水處理技術(shù)的進步。1實驗1.1實驗原料實驗選用市售石英砂為主要骨料,以水玻璃為粘結(jié)劑,加入M gC03、C aC03和一定量的淀粉作為造孔劑,其配比(質(zhì)量分數(shù)為:石英砂70%、碳酸鈣5%、碳酸鎂5%、水玻璃10%、淀粉10%。其制備工藝流程如

8、下:原料加工一配料一制樣一干燥一燒成一性能測試。1.2檢測方法實驗采用阿基米德靜力稱重法,用TG-3288型電光分析天平測定多孔陶瓷濾料的顯氣孔率(只、吸水率(W a和體積密度(D。利用W D W-I O O K N型微機控制電子式萬能試驗機測其抗壓強度。用JSM-6700F型掃描電子顯微鏡(SEM觀察樣品的微觀結(jié)構(gòu)。2結(jié)果與討論2.1燒結(jié)溫度對多孔陶瓷的性能影響制備多孔陶瓷濾球,關(guān)鍵要在較高強度下要求高的孔隙率43。這樣,一方面要凋節(jié)原料配比,另一方面要控制燒結(jié)溫度。實驗選用6080目的砂子,加入10%的淀粉,在1100 1200的不同溫度下燒成,保溫時間均為30r ai n,其測試結(jié)果如表

9、1。從表中可以看出,隨著溫度的升高,孔隙率逐漸下降,而抗壓強度則逐漸增加。這是由于隨著溫度的升高,石英砂顆粒表面部分熔化,顆粒收縮,此外水玻璃熔化生成液相填充到顆粒中間的孔洞中,孔洞變小,孔隙率降低。溫度大于1500以后,坯體中生成的液相太多,使坯體表面嚴重?；?孔隙率迅速降低,且容易使樣品粘結(jié)在一起。因此,控制燒成溫度是試驗成功的重要因素。*山西省國際合作項目(2007081029閏文慧:女,1979年生,碩士研究生,主要從事污水處理用多孔陶瓷的研究工作E-m ai l:yw h638s i 賈虎生:聯(lián)系人,男,教授Tel:03516014852E-m ai l:j i a_hus heng

10、126.t om過濾用多孔陶瓷的制備和性能研究/閆文慧等389表1不同燒結(jié)溫度對多孔陶瓷性能的影響Tabl e1I n f l ue nce of t he si n t er i ng t e m per at ur e o n s am pl es圖1中(a一(e分別為1100、1125、1150、1175和1200不同燒成溫度下樣品斷面的SE M形貌圖。從圖中可以看到樣品e的氣孔數(shù)量較多,有很多形狀不規(guī)則的大孔,且呈三維連通的孔道。此外,在孔壁上還可以看到有很多的閉孔和微孔,這可能是由于造孔劑如淀粉或M gC Q、C aCO s等在高溫下燃燒或分解放出氣體后形成的。圖1不同溫度燒結(jié)時多孔

11、陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)Fig.1SE M pi ct ur e of t he sa m pl e s sect i o n o ndi f f er en t s i nt er i n g t e m pe r at ur e2.2保溫時間對多孔陶瓷的性能影響表2是用6080目的砂子,加入10%的淀粉,在1150不同的保溫時間下測得的性能數(shù)據(jù)。從表2中可知,隨著保溫時間的延長,孔隙率明顯下降,體積密度和抗壓強度則明顯增大。這是由于保溫時間延長后,物料反應(yīng)更加完全,促進燒結(jié)的完成,粘結(jié)劑熔融相明顯增多,使石英砂骨料顆粒之間結(jié)合的更緊密,樣品的收縮變大,氣:fL:fL徑變小,但保溫時間繼續(xù)延長后,細晶

12、粒熔解,會發(fā)生二次重結(jié)晶或晶粒過分長大,孔隙率會急劇減小,所以要想得到性能優(yōu)良的多孑L陶瓷,保溫時間一定要適宜,不易過長。表2不同的保溫時間對多孔陶瓷性能的影響Tabl e2I nf l uen ce of he at pr eser v at i on t i m e o n sa m pl e s2.3造孔劑含量對多孔陶瓷的性能影響表3是在1150,保溫30m i n的條件下用6080目的砂子,添加不同比例的淀粉燒結(jié)測得的。數(shù)據(jù)表明隨著造孔劑含量的增加,造孔劑分解后留下的孑L隙和空洞的體積也會隨之而增加,這樣可以有效地提高樣品的孔隙率,從而大大提高了樣品的吸附能力和過濾效率。但淀粉含量超過

13、10%以后,坯體出現(xiàn)不同程度的開裂和掉渣現(xiàn)象,因此,配料時造孔劑的加入量不宜過高。表3不同造孔劑含量對多孔陶瓷性能的影響Tabl e3I nf l uen ce of por e-f or m i ng a ge nt o n s am pl es2.4顆粒大小多孔陶瓷的性能影響骨料顆粒大小對樣品強度也有一定影響。表4是在1150保溫30m i n,加入10%的淀粉含量,選用顆粒大小不同的砂子燒結(jié)測得的,由表4可知,顆粒越小,制得的樣品孔隙率和體積密度就越小,而吸水率和抗壓強度則會越大。這是由于骨料顆粒變小后,表面能增大,燒結(jié)反應(yīng)更容易進行,砂粒表面熔融相更多,粘結(jié)更為緊密,致使氣孔會更少。表

14、4不同顆粒大小對多孔陶瓷性能的影響Tabl e4I nf l uen ce of t he bul k of sa nd par t icl e o n s am pl es3多孔陶瓷固相燒結(jié)理論燒結(jié)是陶瓷制備過程中的一個最重要環(huán)節(jié)。它是指陶瓷坯體在一定的高溫過程中,內(nèi)部通過一系列物理化學(xué)過程,使材料獲得一定密度、微結(jié)構(gòu)、強度和其他物理性能的一個過程。它對材料的微觀結(jié)構(gòu)、最終性質(zhì)起著重要作用5。Cobl e67依實驗觀測和分析,將固相燒結(jié)過程分為初期、中期和后期3個階段,后來的學(xué)者又分別針對各個時期提出了 不同的模型和理論。390材料導(dǎo)報2008年8月第22卷專輯3.1燒結(jié)初期根據(jù)C obl

15、e的定義,燒結(jié)初期,顆粒粘結(jié),顆粒間接觸點通過成核、結(jié)晶長大等過程形成燒結(jié)頸。在這個階段,顆粒內(nèi)的晶粒不發(fā)生變化,顆粒的外形基本保持不變。整個燒結(jié)體沒有收縮,密度增加極少。這一階段的模型和理論非常多,典型的有K us yns ki、K i nger y等8.9的模型,這些模型均基于相似的雙球模型,并假設(shè)兩個球體之間中心距的變化即等于燒結(jié)體的線收縮,認為物質(zhì)遷移的原動力是燒結(jié)過程中系統(tǒng)表面能的降低,根據(jù)物質(zhì)遷移的路徑不同,物質(zhì)遷移機制主要有粘性流動、表面擴散、體積擴散、晶界擴散、蒸發(fā)一冷凝等,具體方式見圖2。圖中從顆粒表面向頸部的表面擴散;從粒界向頸部的界面擴散;從顆粒表面向頸部的體積擴散;從粒

16、界向頸部的體積擴散;從顆粒內(nèi)部位錯向頸部的擴散;從顆粒表面向頸部的蒸發(fā)一冷凝;從顆粒表面向頸部或從小顆粒向大顆粒的溶解一沉淀(液相燒結(jié)。圖2不同的物質(zhì)遷移機制Fi g2M echani s m of di f f er en t m at er i al t r ansp or t1.601.551.50145貯曾1401.351.30l gt圖31150氣孔率隨時間的變化關(guān)系Fi g.3R el at i on bet w e en por os i t y and t i m e o n11504結(jié)論(1利用顆粒堆積法并添加造孔劑的方法可以研制出高強度、高孔隙率的多孑L陶瓷濾球,孔隙率范圍

17、為17.28%44.50%,抗壓強度范圍為13.4229。67M Pa,完全滿足水處理對陶瓷濾球性能的要求。(2陶瓷濾球的氣孑L率主要受燒結(jié)溫度、保溫時間、造孔劑的含量及顆粒大小的影響?？紫堵孰S燒成溫度的升高而降低;隨保溫時間的增加而降低;隨造孔劑加入量的增加而增大;隨骨料顆粒粒徑的減小而降低。而抗壓強度則隨之相反。(3從多孔陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)表明,多孔陶瓷濾球主要由三維連通氣孔組成,具有很高的比表面積,具備良好的過濾性能。(4根據(jù)對燒結(jié)過程的動力學(xué)分析,實驗數(shù)據(jù)初步驗證了C obl e提出的孔隙率和時間之間的線性關(guān)系。參考文獻K usyns ki把各種機制下的頸長方程歸納為統(tǒng)一形式D o:1 (

18、互岵叢導(dǎo)t(1。式中X為接觸頸部的半徑;口為顆粒半徑;T為絕對溫度;t為燒結(jié)時間;m為系數(shù);行為頸長指數(shù)。3 3.2燒結(jié)中期燒結(jié)中期,燒結(jié)頸長大,原子向顆粒結(jié)合面遷移使燒結(jié)頸擴4大,顆粒間距離縮小,形成連續(xù)的孔隙網(wǎng)絡(luò)。C obl e提出了這一階段物質(zhì)傳輸?shù)娘@微結(jié)構(gòu)模型。他假設(shè)晶粒為正十四面體,氣5孔砌為圓柱形,位于正十四面體的每個棱角處形成連通網(wǎng)絡(luò)。借用這一模型,推導(dǎo)出了致密化方程11:6 Pa一(、2Dbw。TTY,、2/32/3(2式中D b為界面擴散系數(shù);W為界面寬度;Pa為坯體氣孔率;占7為晶格常數(shù)。3.3燒結(jié)后期燒結(jié)后期,孔隙球化和縮小,大多數(shù)孔隙被分隔,晶界上的8物質(zhì)繼續(xù)向氣孔擴散

19、填充,致密化繼續(xù)進行,晶粒也繼續(xù)長大。C obl e利用并修正中期的模型給出了燒結(jié)后期孔隙率與時間的9方程1:Pd一面6,rD而v73a(tt-t(】。式中眈為體積擴散系;tf為孔隙完全消失所需的時間。現(xiàn)根表2所得的實驗對l g只一l彩作圖,二者呈線性11關(guān)系,基本符合上式的理論。羅民華.多孔陶瓷實用技術(shù)M.北京:中國建材工業(yè)出版社,2006穆柏春,等.過濾凈化分離用的多孔陶瓷材料F J-I.遼寧工學(xué)院學(xué)報,1995,15(4:3夏光華,廖潤華,成岳,等.高孔隙率多孑L陶瓷濾料的制備J.陶瓷學(xué)報,2004,25(1:24陳艷林,嚴海標(biāo),馮晉陽.以淀粉作造孔劑制備多孔陶瓷J.山東陶瓷,2005,28(1:3李達,陳沙鷗,等.先進陶瓷材料固相燒結(jié)理論研究進展J.材料導(dǎo)報,2007,21(9:6C obl e R L Si n t er i ng cr ys t al l i n