复合黏结剂和助烧剂对SiC基泡沫陶瓷性能的影响

任凤章，翟钢军，李锋军，马战红，李 娜

(1.河南科技大学材料科学与工程学院，河南洛阳471003;2.中钢集团耐火材料有限公司，河南洛阳471039;3.中国一拖集团有限责任公司，河南洛阳471004)

0 前言

泡沫陶瓷是一种造型上像泡沫状的多孔陶瓷，它是继普通多孔陶瓷、蜂窝多孔陶瓷之后，发展起来的第3代多孔陶瓷产品［1－5］。影响泡沫陶瓷性能的因素很多，如有机泡沫表面挂浆量、浆料添加剂以及烧结工艺等。文献［6－8］分别通过不同的有机表面活化剂活化有机泡沫表面，来改善有机泡沫和无机陶瓷料浆之间的润湿性以提高挂浆量;文献［9］从原料及有机泡沫的处理等方面介绍了影响泡沫陶瓷性能的因素。对泡沫陶瓷制备中复合黏结剂和悬浮剂的研究较少。

本文主要研究复合黏结剂的选择、助烧剂α-Al2O3以及悬浮剂黏土的不同加入量对泡沫陶瓷室温抗压强度和抗热震性的影响。

1 试验材料及方法

1.1 主要试验材料

聚氨酯泡沫:德国进口，每一寸孔数(ppi)为6;SiC微粉:纯度大于95%，320目;硅溶胶:SiO2质量分数为50%;糊精:200目;CMC(絮状):化学纯，天津博迪化工有限公司;PVA:化学纯，湖南湘中地质实验研究所;α-Al2O3:纯度大于97%，320目;软质黏土:200目，武钢焦作黏土矿综合厂。

1.2 泡沫陶瓷制备

有机泡沫用一定浓度聚醚酰亚胺(PEI)溶液表面活化，浸浆，自然风干24 h，110℃干燥24 h，然后在1400℃下烧结。

(1)选用不同的复合黏结剂:硅溶胶―糊精、硅溶胶―羧甲基纤维素纳(CMC)和硅溶胶―聚乙烯醇(PVA)，硅溶胶与有机物质量比均为2∶1，复合黏结剂在料浆中加入量相同。比较其挂浆效果，然后测试泡沫陶瓷的性能。

(3)在料浆中分别加入0%、2.0%、3.5%、5.0%、6.5%(均以SiC质量为基准)的黏土，测试对比烧结后的性能。

1.3 性能测试

泡沫陶瓷过滤器的试样尺寸为50 mm×50 mm×20 mm。用岛津(Shimadzu)AG-I250KN型精密万能试验机测试其室温抗压强度。抗热震性是样品在1100℃(保温15 min)加热自来水中急冷，如此反复，直至样品表面出现宏观裂纹或质量损失超过20%的循环次数。用JSM-5610LV型扫描电镜观察其断口形貌和Philips X'pert MPD pro型X射线衍射仪进行物相组成研究。

2 试验结果及分析

2.1 复合黏结剂对SiC基泡沫陶瓷的影响

复合黏结剂中有机物(糊精、PVA和CMC)作为低温黏结剂，硅溶胶作为中高温黏结剂。复合黏结剂对泡沫陶瓷性能的影响如表1所示。

从表1可以看出:当硅溶胶与糊精、PVA、CMC质量比均为2∶1时，硅溶胶-糊精和硅溶胶-PVA对泡沫陶瓷挂浆和性能的影响差别不大，而硅溶胶-CMC的挂浆效果则较差。挂浆效果的差别决定了容重、室温抗压强度和抗热震性的差别。硅溶胶-糊精作为复合黏结剂时的容重、室温抗压强度和抗热震性均略好于硅溶胶-PVA 和硅溶胶-CMC，而硅溶胶-CMC的各方面性能比其他两组要差得很多。硅溶胶中的SiO2呈网状结构，结合力较强，失水后的硅溶胶有很高的活性，有利于陶瓷的烧结，可以保证泡沫陶瓷高温强度和抗热震性。

表1 复合黏结剂对泡沫陶瓷性能的影响

糊精、PVA、CMC均为有机物，都具有较大的黏结性，可以与有机泡沫具有较好的润湿性，在烧结过程中随泡沫一起挥发，不留下污染。试验所用糊精是黄色的无定形粉末，易溶于热水，稍溶于冷水，为使其形成均匀的料浆，将其配成浓度50%(质量分数，下同)的溶液加入;而PVA为絮状固体，需要加热才能完全溶解于水，并且浓度为8%的溶液黏度最稳定，因此糊精配成8%的水溶液加入;CMC也为絮状固体，虽然在搅拌过程中可以溶于冷水，但是4%的CMC溶液由于黏度过大而几乎不具有流动性，因此将其配成浓度为2%的水溶液加入。

挂浆初期，3种复合黏结剂挂浆效果没有太大差别，这是由于初期3种复合黏结剂配置的料浆中均有一定的水分;但是自然风干之后发现硅溶胶-糊精与硅溶胶-PVA的挂浆效果远好于硅溶胶-CMC。这是由于相同浓度的CMC水溶液的黏度要远大于糊精和PVA，为了保持料浆的流动性，在配置料浆时以硅溶胶―CMC作为复合黏结剂的加水量要远多于糊精和PVA。其中的固相含量过少，当水分蒸发后留在泡沫孔筋上的陶瓷料浆也远少于另外两组。因此，硅溶胶―CMC作为复合黏结剂制备的泡沫陶瓷的容重就远远小于另外两组。

2.2 α-Al2 O3对SiC基泡沫陶瓷的影响

碳化硅基泡沫陶瓷是比较常用的泡沫陶瓷制品，但是碳化硅很难烧结，其晶界能与表面能之比很高，不能获得足够的能量形成晶界而烧结成块体，导致其致密度也不高，因此，需要加入一定的助烧剂来提高其致密度。α-Al2O3具有良好的助烧效果，它的加入可以改善泡沫陶瓷的性能，α-Al2O3加入量对泡沫陶瓷室温抗压强度和抗热震性的影响如表2所示。

表2 α-Al2 O3质量分数对室温抗压强度和抗热震性的影响

从表2中可以看出:泡沫陶瓷的室温抗压强度和抗热震性并不是随着α-Al2O3加入量的增加而一直增加，而是呈现先增加后减少的趋势。当w(α-Al2O3)=13.0%时，室温抗压强度最高，为1.31 MPa;w(α-Al2O3)=16.5%时，抗热震性次数最高，为23次。

α-Al2O3在烧结过程中会与SiC发生反应［10］

众所周知，厕纸粘染物与实际排放物相比微乎其微，可忽略不计，厕纸入厕的主要污染物为纸张与水接触后产生的可溶物及碎屑，可用COD、SS、氨氮、BOD5等污染指标表示.实验室模拟厕纸入水后的变化，测定不同品质的厕纸溶于水后，在不同时间水体中的COD、SS、氨氮、BOD5的浓度值，计算单位厕纸的污染物量，进而推算家庭以至全国的污染物排放总量.通过计算厕纸进入下水道对污水处理厂的污染物贡献占比及可生化性评价指标(B/C)值(BOD5/COD)，评价厕纸入水后的可生化性，进而评价其对城市污水处理厂的影响.

生成物还会发生下列反应

图1是 w(α-Al2O3)为 9.5%和16.5%时的X射线衍射(XRD)图谱，从图1中可以看出:w(α-Al2O3)为9.5%时，泡沫陶瓷主要成分为SiC和石英，没有明显的莫来石相(由矽线石变成);而w(α-Al2O3)为16.5%时，其主要成分则有明显的莫来石相。莫来石的生成提高了泡沫陶瓷的室温抗压强度和抗热震性。莫来石则是由反应(1)～反应(4)所生成。因此，随着α-Al2O3的加入，室温抗压强度和抗热震性都提高。

图1 不同α-Al2 O3加入量时的泡沫陶瓷XRD图谱

随着α-Al2O3与SiC的反应，生成物不仅使泡沫陶瓷在烧结过程中容易产生液相，提高了致密度，还生成了莫来石。莫来石是一种优质的耐火材料，它具有膨胀均匀、热震稳定性极好、荷重软化点高、高温蠕变值小、硬度大、抗化学腐蚀性好等特点，因此随着α-Al2O3的加入，泡沫陶瓷室温抗压强度和抗热震性都有所提高。

表3 不同α-Al2 O3含量时泡沫陶瓷的吸水率

表3是不同α-Al2O3含量时的吸水率，从表3中可以看出:随着α-Al2O3加入量的增加，制备的泡沫陶瓷的吸水率也增大。加入的α-Al2O3会使反应过程中产生一部分CO气体，这些气体从坯体中逸出。加入的α-Al2O3越多，泡沫陶瓷产生的气孔增多，气孔的存在缓解了泡沫陶瓷在抗热震性过程中的应力，提高其抗热震性;但是加入过多的α-Al2O3，虽然生成的莫来石增多，但是由于逸出的气体过多，大大降低了其致密度，导致室温抗压强度和抗热震性也降低。

综合室温抗压强度和抗热震性两个指标，α-Al2O3的较佳加入量应在16.5%左右。

2.3 黏土对SiC基泡沫陶瓷的影响

表4是黏土含量对室温抗压强度和抗热震性的影响。从表4中可以看出:泡沫陶瓷的室温抗压强度和抗热震性随着黏土加入量的增加而先增加，后急剧降低。黏土加入量(质量分数，下同)为5.0%时，室温抗压强度最高，为1.23 MPa;加入量为3.5%时，抗热震性次数最高，为45次。

表4 黏土含量对室温抗压强度和抗热震性的影响

图2为黏土加入量为2.0%和5.0%时的泡沫陶瓷扫描电镜(SEM)照片。从图2a中可以看到有明显的晶相，而在图2b中则可以看到明显的玻璃相。玻璃相是陶瓷坯体中的一部分物质高温下形成熔体，冷却过程中原子、离子或分子被“冻结”成非晶态固体。黏土是由诸多氧化物和其他杂质组成的混合物，由于这些氧化物的存在，在烧结过程中容易形成液相，在冷却过程中会形成玻璃相。黏土加入量越多，引入的其他氧化物和杂质就越多，制品中越容易形成玻璃相。因此，黏土加入量为2.0%的泡沫陶瓷中的玻璃相少于加入量为5.0%的泡沫陶瓷。

图2 泡沫陶瓷的SEM照片

玻璃相存在于晶粒与晶粒之间，起着胶黏作用。玻璃相的存在使坯体致密度提高，提高其室温抗压强度。但是，由于玻璃相是低温软化相，导热系数较晶相低，在温度急剧变化时泡沫陶瓷产生的热应力不能得到及时缓解，对泡沫陶瓷的抗热震性有较大危害［11］。因此，泡沫陶瓷中玻璃相过多会使抗热震性较差。

综合室温抗压强度和抗热震性两个指标，黏土较佳加入量在3.5%左右。

3 结论

(1)硅溶胶―糊精、硅溶胶―PVA和硅溶胶―CMC均按照质量比为2∶1作为复合黏结剂时，硅溶胶—CMC的挂浆效果、室温抗压强度和抗热震性最差。

(2)α-Al2O3作为助烧剂加入，在烧结过程中会形成莫来石，莫来石的形成提高了泡沫陶瓷室温抗压强度和抗热震性，但是过多α-Al2O3的加入，会导致烧结过程中产生的气体增多，降低了泡沫陶瓷的致密度。

(3)黏土的加入增加了泡沫陶瓷的致密度，并产生了一定的莫来石，提高了泡沫陶瓷的室温抗压强度和抗热震性，但是加入过多会造成玻璃相增多，导致室温抗压强度和抗热震性能下降。

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