Abstract: Som e features of porous ceram ics m aterials w ere introduced. The new developm ent and theo ries of the preparat ion of porous ceram ics m ateria ls in Ch ina and aboard in recent years w ere summ arized. T he preparation of porous ceram ics m aterials, especially the selection of raw m aterials, the m olding process and pore- form ing process w ere ana lyzed. T he app lications o f porous ceram ics m a terials in the fields o f filtration, cata lys,t sound absorption and insulation w ere also inc luded.
( 2) 粉煤灰质陶瓷材料 粉煤灰 的主 要成分 是 A l2 O3 和 S iO 2, 与制 作陶 瓷的粘 土类 原料相近, 粉煤 灰的 缺陷在 于成 型性差。 熊林 [ 6] 制 得了气 孔率 41 52% , 体积密度 1 14g /cm3, 吸水 率 36 38% 的 粉煤 灰基 多孔 陶瓷。 ( 3)淤泥质陶瓷材料 淤泥基本由细小粉 粒状 颗粒 组成, 粘 结性 强、可塑 性高、易 于成型。但是由于水 底地理 位置 的差 异和水 流状 态的 不同, 淤 泥在深度和广度方 向上 的化学 成分 有较大 波动, 对 于产品 性能 将会有较大影响, 故必 须考虑 进行 预处理 或添 加添 加剂以 降低 化学成分波动带来的不良影响 [7] 。 ( 4)硅藻土质陶瓷材料 硅藻土物理化学性能稳定、无毒, 能 形成高 度渗透 性的过滤
* 基金项目: 国家大学生创新性实验计划项目 ( LA 09016 )。 通讯作者: 钟宏 ( 1961- ) , 男, 博士, 教授。 E - m ai:l zhonghongcsu@ 163. com
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广州化工
2010年 38卷第 7期
层, 故能截留各种杂质微粒, 使 滤液达到 高度澄清。苏 雪筠等 [8] 以硅藻土为主要原料 , 天然有机细粉 为造孔剂, 水玻 璃为高 温粘 合剂, 经半干压成型、常 规烧成, 制 出了 性能优 良的 硅藻 土多 孔 陶瓷。
( 4)致孔剂 加入致孔剂是 为了 提高陶 瓷的 气孔 率、扩 大比 表面 积。致
孔剂主要有天然有 机细 粉、煤粉、石 灰石、白 云石、烧 沸石、珍 珠 岩、浮石等。一般来讲, 增加致孔剂 的用量可 以提高 陶瓷的 气孔 率, 但是会引起 陶 瓷强 度下 降, 因 此必 须 控制 致孔 剂 的添 加 比 例。以石灰 石 和 白云 石 作 致 孔剂 时, 在 煅 烧过 程 分 解 生 成 的 CaO 和 M gO 具有助熔作用, 如果 在煅烧 温度过 高、时间 过长, 会 与原料中的部分物质 形成玻璃相, 填 充部分已形 成的气 孔, 降低 陶瓷的气孔率 [ 9]。
用致孔剂在胚体中占据一定体积, 煅烧过 程中致孔 剂分解, 从而 形成孔隙的一种工艺, 致孔剂法工艺简单, 可以 制造结 构复杂的 多孔陶瓷材料, 是较 为常见的一种 生产工 艺。 G rego rov 等 [ 14] 利 用罂粟种子和 马 铃薯 淀粉 作 致孔 剂制 备 出具 有孔 梯 度结 构的
K ey w ord s: porous ceram ics m aterials; preparation; app lication; progress
多孔陶瓷也称为 气孔功能陶瓷, 是 一种经高 温烧成、在 成形 与烧结过程中于材料 体内形成大量彼此相 通或闭合 气孔的 新型 陶瓷材料。由于多孔陶瓷材料 具有气孔率 高、透 气阻力 小、化学 性质稳定、再生性能好以及耐高温、高压、耐化学 腐蚀、绿色 环保 等优点, 近年来得到 了迅 速的发 展, 已被广 泛应 用于 过滤、净 化 分离、催化剂载体、吸声、减震、保 温材料、生物材 料、传感器 材料 以及航空航天材料等 领域 [ 1- 3] 。
A l2 O3 多孔 陶 瓷, 其 总 气孔 率 达 37 6% 左 右, 开 口 气孔 率 可达 32 4% 左右, 86% 以上的气孔为开口气孔。
( 2)颗粒堆积法 颗粒堆积法也称骨 料堆 积法 或固态 烧结 法, 该方 法是 以微 细粉体为主要原料, 利用微细粉体易于烧 结的特点, 在 高温时生 成液相并使其相互连接起来。此种方 法往往需 要在原 料中加入 助熔剂和粘 结剂, 并且 成孔 率 不高。 D eng 等 [ 15] 以 平均 粒 径为 0 028 m, 含 3% (摩尔 百分比 ) Y2 O3 的 Z rO2 粉体 T Z - 3Y 为原 料, 压制成坯后在空 气中于 1100 ~ 1500 烧结得 到 Z rO2 多孔 陶瓷。 T ulyaganov 等 [ 16] 以氧化铝、菱 镁矿石 粉、高岭土 为基本原 料, 以碱土金属 - 铝硅 酸盐为 助熔 剂制得 具有 孔梯 度的堇 青石 基多孔陶瓷, 且其 孔隙 结构可 通过 改变烧 结时 的升 温速率 进行 有效调节。
组成, 其主要缺陷是产品颗粒强度低 、粒径 差别大、需重 新分级、 不能实现闭路循环生产 [ 9]。双向循环 分级回转 式成球机具 有双
向循环的返料装置, 实现成球、增强、筛 分一体化 , 实 现了成 球生 产的均衡性、连续性和高效性, 能很好的满足工业造粒的要求。
( 3)挤压成型法 挤压成型法是制 备多 孔陶 瓷材料 较为 常用 的一 种方 法, 适 宜批量生产, 但是要求原料有较大的 塑性。 Chen 等 [ 11] 采用 高岭 土和氧化铝为基本原 料, 以多种有机 物为粘结剂 , 经 单螺杆 挤出 机挤出形成管状 坯料, 后经 干燥 脱水 和高温 烧结 制备出 高岭 土 基多孔陶瓷。
( 3)物理 和化 学性 质 稳定。 多孔 陶瓷 材 料可 以耐 酸、碱 腐 蚀, 也能够承受 高温 、高压, 自 身 洁净 状 态好, 不会 造 成二 次 污 染, 是一种绿色环保的功能材料。
( 4)过滤精度高 , 再生性能好。用作过滤材 料的多孔陶 瓷材 料具有较窄的孔 径分 布范围 和较 高的气 孔率 与比 表面积, 被 过 滤物与陶瓷材料充分 接触, 其中的悬 浮物、胶体物及 微生物 等污 染物质被阻截 在过滤 介质 表面或 内部, 过 滤效 果良 好。多孔 陶 瓷过滤材料经过 一段 时间的 使用 后, 用气体 或者 液体进 行反 冲
2 1 2 添加剂 ( 1)助熔剂 陶瓷助熔剂的主 要作用是降低烧成温 度, 增 加液相, 扩 大烧
成范围, 提高坯体 的力学 强度 和化学 稳定 性。常用 的助 熔剂 有 长石、珍珠岩、滑石、蛇纹石、硅灰石、石灰石、白云 石等。
( 2)增塑剂 陶瓷增塑剂主要 作用 是提 高陶瓷 坯体 的整 体塑 性, 保证 坯 体具有一定的 强度, 使坯 体在 烧成前 保持 原有 形状。常 用的 增 塑剂有粘性土、木节土、球土等 。
( 4)凝胶注模法
凝胶注模工艺利用 有机 单体 的化学 反应, 使 得陶 瓷浆 料原 位凝固形成坯体, 可获 得微 观均匀 性好、强度 较高 、便 于加 工的 素坯。 Sepu lveda[ 12] 使用该工艺制备 的多 孔氧化 铝陶 瓷, 弯曲强 度高达 26M P a, 孔隙率高达 90% 。
( 5)生物模板法 生物模板法利用天然生物材料或 模拟生物 材料本 身的组织
2 2 制备工艺流程
多孔陶瓷材料的 生产工艺一般由粉磨、成型 及成孔、烘 干和 锻烧几部分组成, 成型和成孔工艺是 制备多孔陶 瓷材料 的关键, 下面进行详细介绍。 2 2 1 成型工艺
( 1)手工搓球成 型法 手工搓球成型法 是一 种较 为传统 的球 形陶 瓷制 备工 艺, 它 不需要专门的设 备, 工艺 简单, 但难 以控制 成球 形状 和大 小, 工 作效率低, 一般适于进行试 验研究 和小批 量生产。 吴建峰 等 [ 10] 以手工搓球的方 法制 备了体 积密 度可控, 性 能优 异的可 用于 水 处理的多孔陶瓷滤料 。
( 3)粘结剂 粘结剂是指为了 提高坯体的强度或防 止粉末偏 析而添 加到 陶瓷坯料中的具有粘 结作用的添加剂。粘 结剂一般 选择易 于在
烧结前或烧结过程除 掉的物质, 如淀 粉、石 蜡、羧 甲基纤 维素、聚 乙烯醇等。水玻璃 具有 较好的 粘性, 水 分挥发 后留 下的 硅酸 钠 可以作为陶瓷的成分 , 所以也常被用作粘结剂。
结构, 来仿生制备遗 传其组织特点的多孔 陶瓷材料, 制 得的材料 具有优越的复杂分 级结 构和有 机 /无 机界 面特 性, 在高 温 材料、 骨骼移植材料和催化材料等方面具有较强的发展潜力 [ 13] 。
2 2 2 成孔工艺 ( 1)致孔剂法 致孔剂法是利用在 陶瓷 胚体 中添加 一定 比例 的致 孔剂, 利
( 2)成球机成型 法 成球机成型工艺 是工 业上 常用的 成球 工艺, 成 球设 备主 要 有成球盘成球机、单筒成球机和双向 循环分级回 转式成 球机等。 成球盘成球机设 备简 单, 操作方 便, 但成球 质量 难以 控制, 并 且 存在一定程度的污染 。单筒成 球机主要由 筒体和雾 化喷水 装置
关键词: 多孔陶瓷材料; 制备; 应用; 进展
R esearch Progress on Preparation and Application of P orous Ceram icsM aterials
OU P eng - f ei, WANG Shuai, ZHONG H ong, WU Shi- ting, TANG X in- yang ( College o f Chem istry and Chem ical Eng ineering, Cen tra l South Un iversity, H unan Changsha 410083, Ch ina)