低以及对孔径和表面积的控制情况等。 氧化铝多孔 陶瓷是符合上述要求的优质材料之一。 氧化铝陶瓷 具有的许多优良性能: 机械强度高、硬度大, 耐磨性、 耐腐蚀和耐冲击性能好。 使得氧化铝多孔陶瓷能在
1. 3 添加造孔剂形成气孔 该工艺是通过在陶瓷坯料中添加造孔剂, 利用
造孔剂在坯体中占据一定的空间, 经过烧结后, 造孔 剂离开基体而形成气孔来获得多孔陶瓷。 添加造孔
这种方法是美国橡树岭国家实验室首次提出 的。这种新的成型技术采用非孔模具, 利用料浆内部 或少量添加剂的化学反应作用使陶瓷料浆原位凝固 形成坯体, 获得具有良好微观均匀性和较高密度的 素 坯, 从 而 显 著 提 高 材 料 的 可 靠 性。 P ila r Sep u lveda[9] 使 用 该 工 艺 制 备 了 抗 弯 强 度 高 达 26 M Pa, 孔隙率达 90% 氧化铝多孔陶瓷。 表 1 对各种 常用的工艺特点进行了比较。
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瓷。 1. 4 发泡工艺形成气孔
5. 4%
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氧化铝质多孔陶瓷制备工艺及应用
贾元平1 郭子瑜2
(1. 山东铝业公司科技开发部; 2. 武汉理工大学)
摘 要: 介绍了国内外氧化铝多孔陶瓷的制备方法, 并对其中几种制备方法进行了比较分析。 同时对氧化铝多孔
陶瓷的应用情况进行了较详细的综述。
溶胶凝胶法主要用来制备微孔陶瓷材料, 特别 是微孔陶瓷薄膜。 溶胶凝胶法可以制备孔径在纳米 级、气孔分布均匀的多孔陶瓷薄膜, 正在成为无机分 离膜制备工艺中最为活跃的研究领域[7]。 该方法是 利用凝胶化过程中胶体粒子的堆积以及凝胶处理、 热处理等过程中留下小气孔, 形成可控的多孔结构。 薛明俊[ 8 ] 等研究了溶胶凝胶制备工艺对氧化铝多孔 陶瓷气孔率、气孔分布和显微结构的影响。在溶胶凝 胶中, 可以通过调节溶胶的 pH 值来调节气孔的尺 寸和气孔的比表面积等。 1. 7 凝胶注模工艺
具有这些形状和一定孔大小的多孔金属模具来成 孔。 1. 2 颗粒堆积形成气孔
这种工艺利用骨料颗粒按一定堆积方式形成颗
定了多孔陶瓷材料气孔的大小和形状, 气孔率的高 低取决于造孔剂的用量及烧结温度等。L yckfeld t O 等[4] 用淀粉同时作为粘结剂和造孔剂, 制备了气孔 率在 23%～ 70% , 孔径 10～ 80 Λm 的氧化铝多孔陶
表 2 氧化铝泡沫陶瓷过滤器的应用效果
生产单位 太平洋金属 株 住友金属 株 美国塞利公司
北京科技大学
过滤钢种 过滤效果
SU S321 铝硅镇静钢
铝镇静钢
大于 10 Λm 夹杂减少 T , [O ]降低 40%～ 80% 夹杂物减少 2 3
[O ]去除率 10%～ 36% , 工业纯铁 [ N ] 去 除 率 1. 6%～
氧化铝特别适合制成陶瓷分离膜。 采用不同的 制备工艺, 可以制备孔径尺寸从 4 nm～ 15 Λm 的不 同孔径的分离膜。与高分子膜相比, 陶瓷分离膜耐高 温, 强度高, 可适用高压体系; 耐腐蚀, 对于堆积在膜 表面或微孔内的有机物, 可采用酸洗或高温烧失处 理。 陶瓷分离膜在高温烟气分离、各类油与水的分 离、各类研磨油的再生、污水处理、排放液中有用物 质的回收, 超纯水的制备等方面有着广阔的应用前 景。 例如, 应用孔径为 0. 05 Λm 左右的氧化铝陶瓷 膜, 可彻底清楚糖蜜排放液中的浑浊物质, 其透过速 度是有机膜的 4 倍; 还可以用于从淀粉糖化溶液中 分离葡萄糖。 表 3[13]给出了氧化铝陶瓷分离膜的应 用实例。
发泡工
气 孔 率 大, 强 度 对原料要求高,
艺
0. 01～ 2 40～ 90 高, 适于制备闭气 工艺条件不易控
孔的制品
制
工 艺 简 单, 成 本 不能制备小孔径
有机泡
低, 能制备高气孔 闭气孔制品, 制品
沫浸渍 0. 1～ 5 70～ 90 率的制品且强度高 形状受限制, 成分
工艺
密度不易控制
溶胶凝 胶工艺 2～ 100
凝胶注 孔径 模工艺 可控
≤95 ≤90
适于制备微孔陶瓷 工艺条件不易控 及薄膜材料, 气孔分 制, 生产率低 布均匀
适于制备微孔陶瓷, 工艺条件不易控
气孔分布均匀
制, 生产率低
2 氧化铝多孔陶瓷的应用
2. 1 熔融金属过滤 金属中夹杂物的数量、形态、尺寸、类型以及杂
质和气体等, 对其强度、塑性、韧性等均有重大影响。 目前研究的采用多孔陶瓷过滤器净化金属液, 该方 法可以有效的净化金属液, 提高金属的内在质量和 纯净度, 并且简单实用, 是一种极有前途的方法。 多 孔陶瓷过滤器净化金属液的机理除了机械和反应过 滤外, 更重要的是对金属液起“整流”作用, 这种作用 使得金属液渣包被破坏, 同时延长渣上浮时间, 从而 达到净化金属液的作用[ 10 ]。氧化铝陶瓷过滤器按结 构划分有颗粒状、芯型、网状、蜂窝状和泡沫等。表 2 是国内外厂家的氧化铝泡沫陶瓷过滤器的应用情 况[11 ]。
发泡工艺是向陶瓷组分中添加有机或无机化学 物质 (如碳酸氢铵、碳酸钙、十二烷基磺酸钠等) , 在 处理期间形成挥发性气体, 产生泡沫经干燥和烧成 制得多孔陶瓷。 这种工艺易于控制制品的形状成分 和密度, 且可制备各种孔径大小和形状的多孔陶瓷, 特别适于生产闭气孔的陶瓷制品。B inner J G P [5]采 用发泡法制备了氧化铝泡沫陶瓷, 开发了 3 个系列 的产品, 10%、20% 和 30% 理论密度的泡沫陶瓷, 抗 压强度分别为 3M Pa, 25M Pa 和 81M Pa, 孔隙尺寸 分别为 300～ 400 Λm、50～ 100 Λm 和 20～ 50 Λm。 1. 5 有机泡沫浸渍形成气孔
表 1 几种多孔陶瓷制备工艺的比较
制备 孔径 方法 mm
机械挤 出成型 ≥1
气孔率 %
优点
缺点
蜂窝尺寸、形状, 很难制造小孔径 ≤70 间壁厚、孔隙率均 的制品
匀, 易大量生产
添加造 孔剂工0. 01～ 1 ≤50 艺
工艺简单, 可制得 气孔分布均匀性 形状复杂及各种气 差, 气孔率低 孔结构的制品
有些多孔陶瓷通常有几个毫米大, 而且是直线 连通的蜂窝结构。 对于蜂窝陶瓷最常见的孔形状是 三角形、正方形、六角形等。 该工艺就是用设计好的
似。造孔剂的种类有无机和有机两类, 无机造孔剂有 碳酸铵、碳酸氢铵、氯化铵等高温可分解的盐类, 以 及煤粉、碳粉等, 有机造孔剂主要是天然纤维、高分 子聚合物和有机酸等[2]。 加入有机造孔剂是制备多 孔陶瓷较有效的方法, 因此国内外都十分重视有机 造孔剂方面的研究。 我国多使用漂珠、塑料粉、石油 焦碳作为造孔剂, 美国则采用纤维素聚合体作为造 孔剂, 而日本以普通淀粉加酵素作为造孔剂[3]。但由 于大多数造孔剂的分解温度或燃烧温度较低, 当被 分解或烧除后, 部分气孔会随着温度的升高而封闭 或消失。如果将高温造孔剂和低温造孔剂配合使用, 可以有效提高气孔率。 造孔剂颗粒的大小和形状决
关键词: 氧化铝多孔陶瓷; 制备方法; 应用
多孔陶瓷材料发展于 19 世纪 70 年代, 初期仅 作为细菌过滤材料使用。随着细孔结构水平的提高, 它的优异性也日益增强。多孔陶瓷因为耐化学侵蚀、
粒空隙, 在烧结中通过粘结剂在高温下产生液相, 使 陶瓷颗粒相互接触的部分被烧结在一起, 颗粒间的 空隙形成相互贯通的微孔。 孔径的大小与骨料粒径
表 3 氧化铝陶瓷分离膜的应用实例
功能
举例
废水处理 分离
高温除尘 功能
胎的净化和浓缩
COD 降 低作约用9与0%效, 果悬 浮 物 减 少 95% 效率大于 96% 胎浓缩率约 98% , N aC l 去 除 率
耐磨, 具有良好的高温稳定性以及热电特性, 比表面 积大, 孔道分布较均匀, 气孔尺寸可控等优点, 目前 其应用已遍及环保、节能、化工、石油、冶炼、食品、制
成正比, 骨料粒径越大, 形成的多孔陶瓷平均孔径就 越大, 呈线性关系。 骨料颗粒尺寸越均匀, 产生的气 孔分布也越均匀。 罗儒显[1]利用这种方法制得了氧
该工艺凭借有机泡沫体所具有的开孔三维网状 骨架的特殊结构, 将制备好的料浆均匀地涂覆在有 机泡沫网状体上, 干燥后烧掉有机泡沫体而获得一 种网眼多孔陶瓷。 这种方法的关键问题是有机泡沫 的选择。首先要考虑孔的形状和大小, 通常孔的尺寸 为 100 Λm～ 5 mm。 同时还要求泡沫要有一定的亲 水性和足够的回弹性。泡沫的的气化温度也很重要, 要低于陶瓷的烧结温度。 有机泡沫浸渍法要注意陶 瓷浆料的制备, 浆料的基本组成剂主要是粘结剂、流 变化剂、反泡沫剂、絮凝剂。 李安明[6]指出有机泡沫 浸渍法是目前泡沫陶瓷最理想的制备方法。 1. 6 溶胶凝胶法
药、生物医学等多足上述应用要求的多孔陶瓷, 需考虑它 们的化学稳定性和热稳定性、生产是否方便、成本高
化铝 陶 瓷 膜 管。 其 中 基 质 管 的 孔 隙 率 在 40%～ 50% , 平均孔径 0. 8～ 2. 0 Λm , 微滤层的孔隙率在 30%～ 45% , 平均孔径 0. 1～ 0. 5 Λm , 并具有一定机 械强度。
2. 2 控制大气污染 2. 2. 1 汽车尾气净化处理
随着汽车尾气排放标准越来越高, 对净化器的 要求也日益提高: 抗热震性好、强度高、热膨胀系数 低、压降小、寿命长, 起燃快, 催化转化效率高等。 氧 化铝用于汽车尾气净化催化剂的载体, 从形状上可 分为颗粒状和整体两类。颗粒状载体主要为球形, 其 材料为活性氧化铝 (可添加其它氧化物如 ZrO 2)。整 体式载体主要为蜂窝状, 其材料为氧化铝陶瓷。活性 氧化铝主要指 Χ2A l2O 3, 它具有大的比表面积 (200 ～ 300 m 2 g) , 并且有很好的机械强度, 粒径在 2～ 6 mm 内, 制备简单, 价格低廉, 装填容易, 早期多采用 此类载体。但是由于活性氧化铝载体密度大, 热容量 高, 暖机性能差, 又是堆积式填装, 易导致发动机排 气阻力增大, 背压大, 油耗上升, 功率下降, 且在转化 器中易磨损粉化, 造成二次污染。目前已被整体式蜂 窝状载体所取代。 2. 2. 2 净化工业废气