木炭作为造孔剂制备石英质多孔陶瓷

陈丽芳，张建新，巩明玄，陈林，张佳

木炭作为造孔剂制备石英质多孔陶瓷

陈丽芳1,2，张建新1，巩明玄1，陈林1,2，张佳1,2

（1. 萍乡学院 材料与化学工程学院；2. 萍乡学院 江西省工业陶瓷重点实验室，江西 萍乡 337000）

以木炭作为造孔剂，采用添加造孔剂法制备了石英质多孔陶瓷，测定了烧结试样的显气孔率、吸水率、力学性能，用X射线衍射（XRD）分析了试样在烧结后的物相组成，用扫描电镜（SEM）观察其形貌。结果表明：随着木炭颗粒的粒径由1 mm增大到2.5 mm，粉体的流动性降低，烧成后孔隙明显分布不均匀；随着木炭颗粒的添加量增加，烧结体的孔隙率随之增加，当木炭颗粒添加量大于35%，烧结体的边缘开始出现孔隙坍塌。综合多孔陶瓷的各项性能，采用木炭颗粒的粒径为1 mm作为造孔剂制备出的多孔陶瓷的孔隙分布均匀性最好，且其添加的质量分数不宜超过35%。

造孔剂；木炭；多孔陶瓷；显微结构

引言

多孔陶瓷是一种经高温烧成，烧结体中具有大量彼此相通或闭合气孔的陶瓷材料[1]，因此既具有传统陶瓷的化学稳定性好，又具有良好的过滤和吸附性能[2]，广泛地应用于各种环保、能源、化工、冶金等领域[3-11]。

目前制备多孔陶瓷的方法有添加造孔剂法、有机泡沫浸渍法、发泡法、溶胶凝胶法、冷冻干燥法等[4]，其中添加造孔剂法在多孔陶瓷制备中应用广泛，添加造孔剂法是陶瓷配料中添加造孔剂，利用造孔剂在高温下燃尽或挥发而在陶瓷体中留下孔隙[12]。造孔剂的品种主要有无机和有机两类，无机造孔剂有碳酸铵、碳酸钙、氯化铵等高温可分解盐类以及各种碳粉；有机造孔剂主要是一些天然纤维素、高分子聚合物和有机酸等，如锯末、淀粉、甲基丙烯酸甲酯等[4]。其中由于制造木炭的来源广泛，成本较低，袁永兵等[13]采用木炭作为造孔剂制备出了多孔莫来石陶瓷；朱素娟[14]等用木炭为造孔剂制备了多孔石英质陶瓷膜，因此本文结合萍乡市当地的陶瓷产业的创新发展需求[15]，利用萍乡市当地的矿物资源优势和矿物原料来开发低成本的石英质多孔陶瓷。

本文以石英、滑石和高岭土为主要原料，羧甲基纤维素为成形剂，添加木炭颗粒作为造孔剂，制备多孔陶瓷，探讨了木炭颗粒大小及含量对多孔陶瓷的宏观形貌、物理性能和孔隙结构的影响。

1 实验

将木炭破碎后分别过8目、12目和18目标准筛，获得粒度分别为2.5 mm、1.6 mm和1.0 mm的木炭颗粒，作为造孔剂之用。木炭为日常取暖用的块状木炭，石英和长石均采购自萍乡市某陶瓷原料加工厂，黏土采购自萍乡市南坑泥。

采用“添加造孔剂法”来制备多孔陶瓷，首先将石英、黏土、长石和羧甲基纤维素按质量分数分别为66.7%、14.3%、14.3%和4.7%进行配料，在卧式球磨机（长沙米淇仪器设备有限公司，型号：GMS5-8）中以为150转/分的转速进行球磨5 h后，将浆料烘干、过筛得到混合料A，然后将混合料A和木炭（木炭的质量分数分别为20%，25%，30%，35%，40%，即固定木炭的质量分数后改变混合料A的添加量）在陶瓷研钵中混合均匀后，采用手动压片机压制出φ30 mm的圆柱状样品，成型的压制压力为5 MPa，最后将样品放在高温箱式电阻炉（洛阳市西格马仪器有限公司，型号：SGM-3817-C）中1150℃保温30 min。本实验中破碎过筛后的2.5 mm、1.6 mm和1.0 mm的木炭颗粒分别按照以上方法进行实验。

采用煮沸法测定烧成试样的显孔隙率和体积密度；采用岛津AG-IC型力学万能试验机测定烧成试样的抗压强度；采用日立SU8010型扫描电子显微镜（SEM）观察试样的微观结构。

2 结果与讨论

2.1 物相分析

图1为不同木炭含量的试样烧成后的X射线衍射结果，添加的木炭粒度为1.0 mm。从图中可以看出20%、25%、30%、35%和40%的木炭造孔剂含量的多孔陶瓷的X射线衍射峰基本相同，说明造孔剂的含量未对多孔陶瓷的物相产生影响，烧成后试样的主要物相为石英、硅酸镁和硅酸钙镁。

图1 不同木炭含量的试样烧成后的XRD图谱

2.2 造孔剂的脱除

图2为颗粒粒度为1.0 mm的木炭颗粒的SEM形貌图，从图中可以看出经破碎过筛后的木炭颗粒形貌。木炭的综合热分析结果如图3所示，从DSC曲线可以看到有个较大的放热峰，其温度区间大致可以分为70℃~580℃，同时从TG曲线可以看到，大致从380℃开始到580℃质量发生急剧变化，在580℃后木炭基本燃烧充分。从DSC和TG曲线可以分析得出，在升温至580℃的过程尽可能的缓慢，以免由于加热升温过快木炭燃烧所形成的热应力导致坯体开裂。

图2 木炭颗粒的SEM照片

图3 木炭的TG-DSC曲线

2.3 不同粒径木炭颗粒制备的多孔陶瓷

图4为不同粒径木炭颗粒造孔剂制备的多孔陶瓷的宏观形貌，（a）为2.5 mm，（b）为1.6 mm，（c）为1.0 mm，木炭的添加量为35%。从图中可以看出木炭颗粒越大，所制备的多孔陶瓷孔径越大，且木炭颗粒越大所制备的多孔陶瓷的表面孔径越不均匀。这一方面是由于混料方式是在研钵中进行，木炭颗粒越大而混合料较细会造成粉末混合不均匀，且难以避免，然后混合料在倒入模具的过程中由于密度差异会有偏析，另一方面从图2中可以看出，使用的木炭颗粒呈针状，因此木炭颗粒越大越会造成混合料的流动性越差，综合以上采用颗粒粒径为1 mm的木炭作为造孔剂。

图4 不同粒径木炭颗粒造孔剂制备的多孔陶瓷

2.4 不同木炭含量制备的多孔陶瓷

2.4.1 不同木炭含量制备的多孔陶瓷的宏观形貌

图5为不同木炭含量作造孔剂制备的多孔陶瓷的宏观形貌，（a）为20%，（b）为25%，（c）为30%，（d）为35%，（e）为40%，从图中可以看到，随着木炭含量的增加宏观的孔隙逐渐增加，当木炭添加量20%-30%，样品烧结后保存完整的外观形貌，当木炭的添加量增加到35%后，试样图5（d）、（e）的边缘开始出现缺边角以及孔隙坍塌现象，这主要是因为烧结后木炭的脱除留下了大量的孔隙，当木炭的添加量超过35%后，大量的造孔剂造成部分陶瓷颗粒间未能接触烧结，而烧结后的收缩率未能补偿由造孔剂形成的孔隙率，从而导致了烧结体结构的部分坍塌。另外，从表1中也可以看出，随着造孔剂添加量的增加多孔陶瓷的孔隙率也增加，随着孔隙率的增加，孔隙的连接可能性增大，从而会造成试样开始出现缺边角。

图5 不同木炭含量造孔剂制备的多孔陶瓷

2.4.2 不同木炭含量制备的多孔陶瓷的物理性能

将分别添加质量分数为20%、25%、30%、35%和40%的木炭颗粒烧成得到的多孔陶瓷，分别编号为M20、M25、M30、M35和M40，测定其显气孔率、收缩率、相对密度和抗压强度，结果如表1所示。由表1可知，随着木炭含量从20%增加到40%，试样的显孔隙率由53.5%逐渐增加到65.4%，同时由于造孔剂的添加量增加也会使试样的收缩率增加，密度也逐渐降低。从表中也可以得出随着造孔剂的增加试样的抗压强度降低很明显，这主要是由于造孔剂的逐渐增加降低了陶瓷骨料颗粒之间的粘结点，经过高温烧结后，随着造孔剂的脱除在原来的位置形成了孔隙，虽然随着造孔剂增加收缩率有所增加但并未减少由造孔剂的脱除所留下的孔隙，同时多孔陶瓷的孔壁随着木炭造孔剂的增加而变薄，多孔陶瓷的颗粒间的烧结颈变细，因此造孔剂的增加降低了试样烧成后的抗压强度。

表1 木炭含量制备的多孔陶瓷的物理性能

2.5 显微结构分析

图6木炭添加量为35%、木炭颗粒大小为1.0mm制备的多孔陶瓷不同方向的孔隙结构，图6（a）纵向断面（平行压制方向）的孔隙形貌，图6（b）横向断面（垂直压制方向）的孔隙形貌。从图中可以看出纵向孔隙长度要明显高于横向，结合图2可见，木炭颗粒形貌为针状，由于木炭颗粒是针状，同时压制的方向向下，在成型的过程中木炭颗粒会发生重排，导致纵向排列的木炭颗粒多于横向的木炭颗粒，因此木炭烧成脱除后，在木炭原来位置形成了保留木炭形貌的孔隙，且纵向排列的孔隙形貌接近于木炭的长度方向。

图6 木炭造孔剂制备的多孔陶瓷的孔隙结构

结论

（1）采用2.5 mm、1.6 mm、1 mm粒径的木炭颗粒作为造孔剂可以制备出多孔陶瓷，当木炭颗粒粒径为1 mm时，粉末流动性较好且所制备出来的试样宏观孔隙形貌均匀；

（2）当木炭颗粒的添加量为20%~40%时，孔隙率为53.5%~65.4%，随着木炭的添加量增加，试样的抗压强度明显降低，当木炭颗粒的添加量超过35%试样边缘开始掉边角及孔隙坍塌；

（3）采用木炭颗粒作为造孔剂制备出的多孔陶瓷的孔隙结构具有一定的方向性，纵向的孔隙形貌相对于横向的孔隙形貌呈长条状，孔隙的形貌与木炭颗粒的相似。

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Preparation of Quartz Porous Ceramics with Charcoal as Porogen

CHEN Li-fang1,2, ZHANG Jian-xin1, GONG Ming-xuan1, CHEN Lin1,2, ZHANG Jia1,2

(1. School of Materials and Chemical Engineering, Pingxiang University; 2. Key Laboratory of Industrial Ceramics of Jiangxi Province, Pingxiang University, Pingxiang Jiangxi 337000, China)

Quartz porous ceramics were prepared by using charcoal as a porogen. The apparent porosity, water absorption and mechanical properties of the samples were measured; The phase compositions of the samples were observed by X-ray diffraction (XRD) and their structure were scanned by electron microscope (SEM). The results show that with the increase of charcoal particle size from 1 mm to 2.5 mm, the fluidity of the powder decreased, and the pores on sintered samples were obviously unevenly distributed. With the increase of charcoal, the porosity of the samples increased. When more than 35% of the charcoal was added, the pores along the edge of the sintered samples began to collapse. Considering the properties of porous ceramics, the porous ceramics prepared by 1mm charcoals as porogen have the best uniformity of pore distribution and their added mass fraction should not exceed 35%.

porogen; charcoal; porous ceramics; microstructures

2020-06-07

陈丽芳（1983—），女，江西萍乡人，中级工程师，硕士，研究方向：陶瓷材料研究及应用。

TQ174.75

A

2095-9249（2020）03-0053-04

〔责任编校：范延琛〕