环氧树脂结合刚玉基多孔陶瓷的制备

刘庆祝 张佳钰 孙广超 司凯凯 刘开琪 陈运法

1）中国科学院过程工程研究所 多相复杂系统国家重点实验室 北京100190

2）中国科学院大学 化学工程学院 北京100049

3）南京绿色制造产业创新研究院 江苏南京211135

多孔陶瓷是重要的异质分离介质，在环保、能源、建筑等领域被广泛应用［1-5］。但多孔陶瓷的制备温度一般不低于1 300℃，耗能较大［6-9］。

有机树脂可在较低温度下固化，具有高强、高韧的结合效果，是低温制备多孔陶瓷的理想结合剂［10］。多孔陶瓷须具有足够的强度和开口孔隙率，这就要求树脂的种类和用量应适宜，且在陶瓷颗粒间分散良好。Chang等［11-13］研究表明，陶瓷颗粒大小是影响树脂分布的重要因素之一。而张永年等［14］研究表明，在水环境下，树脂结合相存在易脱落开裂的问题，材料耐水性有待研究。在人工义齿、混凝土等产品的研究中，常通过带有官能团的偶联剂提高材料的耐水性［15-16］。

本工作中，采用低黏度的双酚F环氧树脂为结合剂，通过轻捣成型制备了树脂结合刚玉基多孔陶瓷，研究了树脂种类、刚玉粉粒度、树脂用量、偶联剂等对刚玉基多孔陶瓷材料性能的影响。0*

1 试验

1．1 原料

试验原料有：＜0．15 mm（100目）、＜0．07 mm（220目）、＜0．02 mm（800目）电熔白刚玉粉；热塑性油性双酚F环氧树脂（EPON-862）、水性双酚F环氧树脂（REF170）；油性脂肪胺固化剂（EPlKUREF205），水性脂肪胺固化剂（HUNTSMAN D-400）；KH-560硅烷偶联剂；乙醇；去离子水。

1．2 试样制备

将＜0．15 mm（100目）、＜0．07 mm（220目）、＜0．02 mm（800目）刚玉粉分别用80～120、200～250、600～1 000目标准筛筛分，取中间筛分料，经水洗、干燥、400℃灼烧2 h后，按表1配料，在搅拌机中搅拌5～6 min后取出，在10 mm×10 mm×60 mm模具中轻捣成型，自然干燥24 h，再在35℃干燥24 h后脱模。以1℃·min-1的速率从50℃升温至150℃保温2 h热处理。

表1 试样配方Table 1 Experimental formulation of specimens

1．3 分析与表征

按GB／T 1966—1996测定热处理后试样的显气孔率。取部分热处理后试样，在去离子水中浸泡2 d后取出，采用CTM6005型万能试验仪通过三点弯曲法测定浸水前后试样的常温抗折强度：测试跨距40 mm，载荷速度0．5 mm·min-1；每组试样检测5次，取平均值，并计算浸水后的抗折强度保持率（浸水后抗折强度÷浸水前抗折强度×100%）。采用SU8020型场发射扫描电子显微镜观察试样的显微结构。

2 结果与讨论

2．1 树脂种类对试样性能的影响

经测定，试样A1、A2的显气孔率分别为41．2%、36．8%，常温抗折强度分别为8．7、20．98 MPa；浸水后常温抗折强度分别为1．2、6．21 MPa，常温抗折强度保持率分别为13．79%、29．6%。

试样A1的显气孔率较高，一方面因为是水性环氧树脂固含量较低；另一方面是因为水性环氧树脂内具有大量的极性亲水基团（羟基、羧基、氨基等），可以富集并结合游离水，经热处理后这些富集的游离水排除后留下空洞［17］。试样A1的强度较低，一方面是因为其气孔率较高；另一方面是因为经热处理后这些富集的游离水排除后留下低交联区、溶剂滞留区等［17］。试样A1、A2浸水后强度下降的主要原因是树脂从颗粒表面脱落开裂。此外，水在环氧树脂固化相内扩散后造成不可逆吸胀，使结合相塑化，削弱了颗粒间的结合作用［18］。水性环氧树脂具有丰富的极性亲水官能团，水在其固化相内扩散后造成的削弱作用更大，因此，试样A1浸水后强度保持率比试样A2的低。

2．2 刚玉粒径尺寸对试样性能的影响

油性双酚F环氧树脂结合不同粒度刚玉粉制备的试样B1、B2、B3的显气孔率和常温抗折强度见图1。可以看出：随着刚玉粉粒度的减小，试样显气孔率逐渐减小；常温抗折强度呈先增大后减小的变化趋势，试样B2的最大。试样B2的综合性能较好，显气孔率46．26%，常温抗折强度为13．21 MPa。

刚玉粉粒度减小，其颗粒堆积更加紧密，因此，试样的显气孔率小，强度大。可能因为＜0．02 mm（800目）刚玉粉粒度过细，比表面积过大，混料时树脂不足以均匀分布在全部颗粒表面，使得材料的有效结合颈部数量较少，从而导致试样B3的强度比试样B2的还低。

2．3 树脂添加量对试样性能的影响

采用＜0．07 mm（220目）刚玉粉和不同量油性双酚F环氧树脂制备的试样C1、C2、C3、C4的显气孔率、常温抗折强度和浸水后常温抗折强度见图2。可以看出：随着树脂添加量的增加，试样的显气孔率逐渐减小，常温抗折强度和浸水后常温抗折强度逐渐增大，浸水后常温抗折强度比浸水前的大幅降低。随着树脂添加量的增多，刚玉颗粒连结颈部增强，试样的孔隙也被逐渐填充，因此显气孔率减小，强度增大。试样C2的综合性能较优，其显气孔率为36．81%时，常温抗折强度达20．98 MPa，浸水后常温抗折强度为5．87 MPa，浸水后常温抗折强度保持率为27．98%。

试样C1、C2、C3、C4的SEM照片见图3。可以看出：试样C1、C2中树脂分布连贯，树脂-颗粒界面结合良好，具有完整的连结颈部；试样C3中部分孔隙被树脂填充，树脂-颗粒界面开始出现明显的裂隙；试样C4中，树脂以碎片形式分布在孔隙间。

图2 树脂添加量对试样显气孔率和浸水前后抗折强度的影响Fig．2 Effect of resin addition on apparent porosity and modulus of rupture of samples before and after water immersion

图3 试样C1、C2、C3、C4的SEM照片Fig．3 SEM micrographs of samples C1，C2，C3 and C4

2．4 偶联剂对试样浸水性能的影响

试样D浸水后的常温抗折强度保持率为80%，比其他试样的提高很多。添加硅烷偶联剂后，树脂在颗粒表面脱落开裂的现象明显减少。

3 结论

（1）与水性双酚F环氧树脂结合试样相比，油性双酚F环氧树脂结合试样的显气孔率较小，常温抗折强度较大。

（2）随着刚玉粉粒度的减小，试样显气孔率逐渐减小，常温抗折强度呈先增大后减小的变化趋势；采用＜0．07 mm（220目）刚玉粉制备的试样综合性能较好，显气孔率为46．26%，常温抗折强度为13．21 MPa。

（3）随着双酚F环氧树脂添加量的增加，试样的显气孔率逐渐减小，常温抗折强度和浸水后常温抗折强度逐渐增大；添加5 g油性双酚F环氧树脂制备的试样综合性能最优，显气孔率为36．81%，常温抗折强度达20．98 MPa，浸水48 h后常温抗折强度保持率为27．98%。

（4）添加1．2 g硅烷偶联剂KH-560后，试样浸水后常温抗折强度保持率大幅提高至80%。