混维凹凸棒石基陶瓷膜支撑体的制备及性能研究*

雒建翔 蔺有祥 陈天生 张永如

(1 白银市平川陶瓷研究中心 甘肃 白银 730913)(2 白银市平川区第二中学 甘肃 白银 730913)

陶瓷膜主要由分离膜、过渡层和支撑体组成,其中支撑体是陶瓷膜的骨架,对分离膜和过渡层起支撑作用,同时决定陶瓷膜的外观及基础性能,因此必须要有足够的力学性能、良好的渗透性能和稳定的化学性质。无机陶瓷膜具有价格低廉、原料丰富、物理化学性能稳定的特点,能满足复杂工况下的生产需求。[1]以硼砂和碳酸氢钠为助熔剂,能显著降低烧成温度,大幅降低支撑体的烧结能耗。[2]

1.1 实验原料

包括:凹凸棒石、硼砂、碳酸氢钠、煤粉。其中凹凸棒石取自靖远高湾为混维凹凸棒石[3～4],成分如表1所示,热重分析如图1所示;硼砂为格尔木德瑞化工有限公司的一等品,含量≥95%,执行标准是GB/T 537-20029;碳酸氢钠为宁夏昊雪食品有限公司产品,含量≥99%,执行标准GB1886.2-2015;煤粉为大水头煤矿的烟煤。

图1 凹凸棒热重分析

表1 凹凸棒成分

1 实验

1.2 支撑体制备

以低品位混维凹凸棒石为骨料,硼砂、碳酸氢钠为烧结助剂,煤粉为造孔剂,制备凹凸棒石基陶瓷膜支撑体。[5]按照一定质量比称取物料,混合后加入球磨机中粉磨均化10 min,过筛,喷洒8%水增强成形性能。用电子天平称取30 g物料,采用模压成形工艺制成支撑体坯体,放置于马弗炉中进行常压烧结、保温,随炉冷却至室温后取出支撑体。[6]

1.3 支撑体性能测试与表征

采用三点抗弯测试测定抗折强度;采用压汞法测定孔径;采用阿基米德原理测定孔隙率;采用自制仪器测定纯水通过量。

2 结果与讨论

2.1 助熔剂对支撑体性能的影响

为在较低温度下有较好的强度,在凹凸棒石中加入不同比例的硼砂和碳酸氢钠作为助熔剂制备支撑体,经成型、干燥、烧结后支撑体强度和孔隙率如表2所示。支撑体的孔隙率随着熔剂加入量的增加而减小,这是由于熔剂的熔融使得孔道封闭和支撑体收缩而使颗粒间的孔隙变小变少。支撑体的抗折强度随着熔剂的增加先增加后减小,这是因为硼砂和碳酸氢钠熔融后的液相均匀分布在支撑体,形成液相烧结,起到粘接剂的作用。当熔剂较少时,颗粒之间的连接较少。随着熔剂增多,颗粒之间的连接增加。当熔剂较多时,烧结过程中形成的液相过多,导致颗粒之间接触面积减少,使得颗粒间的作用力减弱,同时造成孔道堵塞,所以支撑体的强度和孔隙率都出现降低。

表2 助熔剂对支撑体性能的影响

2.2 造孔剂对支撑体性能的影响

为进一步探究造孔剂对支撑体性能的影响,添加12%、16%、20%、24%、28%的煤粉,混合研磨后制备支撑体坯体,在930℃下焙烧保温3 h后得到支撑体,所得支撑体的性能如图2所示。随着煤粉的掺入量增加支撑体的孔隙率上升,这是因为煤粉增加导致支撑体内部空腔增大变多,颗粒之间空隙变多变大,使得孔隙率随掺入量升高。同时支撑体内部空腔的增大变多,减少了固相截面积,使得颗粒之间的有效连接减少,导致实际应力增大;另外由于不规则的气孔引起应力集中,导致支撑体机械强度下降。

图2 造孔剂对支撑体性能的影响

2.3 温度对支撑体性能的影响

为了进一步探究温度对支撑体性能的影响,分别在890℃、910℃、920℃、930℃、940℃、950℃的 温度下烧结,烧结后的情况如图3所示。在温度较低时孔隙率高但强度低,这是由于液相较少,支撑体内部空隙较多,且有效的颈部连接较少。随着温度上升液相增多,支撑体的强度升高孔隙率降低。强度在930～940℃区间时达到峰值,之后温度继续升高,支撑体的强度和孔隙率都随着温度的升高而降低。这是由于液相过多而包裹颗粒表面,颗粒之间的接触面积减少,作用力减弱,导致支撑体的强度出现下降。同时由于液相过多导致孔道封闭,支撑体的收缩变大,导致孔隙率的降低。

图3 烧结温度对支撑体性能的影响

2.4 保温时间对支撑体性能的影响

保温时间也是影响支撑体性能的重要因素[7],为进一步探究保温时间对支撑体性能的影响,分别保温1 h、2 h、3 h、4 h。支撑体不同保温时间的性能如图4所示。随着保温时间的延长,支撑体的强度增加,孔隙率降低。

图4 保温时间对支撑体性能的影响

这是因为随着保温时间的增加,支撑体的液相增加,有效颈部连接增多。当保温时间到3 h时,支撑体的强度达到峰值而之后开始降低,支撑体的孔隙率也开始趋于稳定。这因为长时间的高温让液相随着重力流动,使部分连接断裂,导致强度的降低,但是因为液相量的总量变化并不大,所以孔隙率并未再进一步降低而趋于稳定。

2.5 孔径分析

支撑体的孔径分布如图5所示,其中支撑体孔径在12.51μm 时峰值为18.22%,孔径为6.59～13.95 μm 时孔径体积占全部孔径体积的78.6%,其平均孔径为9.59μm,中值孔径为9.35μm。

图5 孔径分布图

实验结果表明以高湾地区的低品位混维凹凸棒石为主要原料制作陶瓷膜支撑体,当凹凸棒石∶硼砂∶碳酸氢钠∶煤粉=100∶8∶8∶24、烧结温度为930℃、保温时间为3 h时,支撑体的强度为21.34 MPa,孔隙率为40.93%,纯水通过量为12.78 m3/(m2·h·MPa)。凹凸棒石基陶瓷膜支撑体具有较好的指标,能够满足正常需求。