顆粒級(jí)配對(duì)堇青石質(zhì)陶瓷材料氣孔率的影響研究

張軍貴, 周健兒, 李 俊, 李家科, 王德林

(景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西省先進(jìn)陶瓷材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

顆粒級(jí)配對(duì)堇青石質(zhì)陶瓷材料氣孔率的影響研究

張軍貴, 周健兒, 李 俊, 李家科, 王德林

(景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西省先進(jìn)陶瓷材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

采用堇青石、滑石、高嶺土和氧化鋁等作為原料，制備堇青石質(zhì)多孔陶瓷材料。研究粗、中和細(xì)三組顆粒級(jí)配對(duì)堇青石質(zhì)多孔陶瓷材料氣孔率的影響。采用材料試驗(yàn)機(jī)、SEM等檢測(cè)設(shè)備對(duì)材料的強(qiáng)度、顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。結(jié)果表明：采用三種顆粒的合理配比，在1300 ℃、保溫30 min條件下，可以獲得氣孔率40%以上，抗折強(qiáng)度大于20 MPa的多孔陶瓷材料，且中顆粒量的增加，對(duì)材料氣孔率增加影響最顯著。

堇青石；顆粒級(jí)配；氣孔率；顯微結(jié)構(gòu)

0 前 言

高溫除塵是國(guó)內(nèi)外一項(xiàng)跨世紀(jì)的高新技術(shù)，世界各國(guó)都在開(kāi)發(fā)這項(xiàng)技術(shù)。在高溫除塵領(lǐng)域，一個(gè)很重要的方面是解決高溫?zé)煔獾膬艋瘑?wèn)題[1-4]。我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)以煤炭為主，占總能源的約75%，而煤炭燃燒所產(chǎn)生的大量高溫粉塵和SO2等有害氣體嚴(yán)重地污染了環(huán)境。因此，利用高氣孔率的陶瓷材料對(duì)高溫粉塵的過(guò)濾，可以有效的凈化空氣，利用高溫氣體的余熱，對(duì)實(shí)現(xiàn)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義[5-8]。

研究了堇青石顆粒級(jí)配對(duì)材料氣孔率等性能的影響規(guī)律，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了優(yōu)化，為高溫含塵氣體過(guò)濾用陶瓷材料的制備提供應(yīng)用基礎(chǔ)研究。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與制備

在前期研究基礎(chǔ)上，選擇3組堇青石顆粒級(jí)配進(jìn)行組合實(shí)驗(yàn)，其顆粒組成范圍分別為：粒徑在180～120μm之間（定義為粗顆粒），粒徑120～96μm之間（定義為中顆粒），粒徑在96～75μm之間（定義為細(xì)顆粒）。三種顆粒在配方中的比例設(shè)計(jì)如下：

(1)固定粗顆粒量為50 wt.%，中/細(xì)顆粒添加量比例分別為： 40/10、32.5/17.5、25/25、17.5 /32.5、10/40，并分別定義為配方A1、A2、A3、A4和A5；

(2)固定中顆粒量為50 wt.%，粗/細(xì)顆粒添加量比例分別為： 40/10、32.5/17.5、25/25、17.5 /32.5、10/40，并分別定義為配方B1、B2、B3、B4和B5；

(3)固定細(xì)顆粒添加量50 wt.%，粗/中顆粒添加量比例分別為： 40/10、32.5/17.5、25/25、17.5/32.5、10/40，并分別定義為配方C1、C2、C3、C4和C5；

配方中堇青石(稱為熟料，下同)的量為80 wt.%、高嶺土、滑石和氧化鋁(稱為生料，下同)的量占20wt.%，且三種料的比例約為3∶3∶1。把上述原料混合均勻，采用半干壓成型，試樣經(jīng)干燥后，經(jīng)1300 ℃、保溫30 min燒成，保溫結(jié)束后自然冷卻。

1.2 試樣性能測(cè)試表征

采用煮沸法檢測(cè)試樣的氣孔率；采用西安力創(chuàng)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(OVW2-25-2MD) 檢測(cè)試樣的抗折強(qiáng)度；采用JSM—6700場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察試樣的顯微結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 生料的DSC和XRD分析

圖1為對(duì)配方中添加的生料（即蘇州土、燒滑石和氧化鋁的混和料，下同）的DSC分析。從圖中可以看出，在600 ℃之前出現(xiàn)2個(gè)吸熱峰，且伴隨著明顯的失重，主要是由于原料中吸附水和蘇州土的結(jié)構(gòu)水失去所造成的。在1000 ℃、1276 ℃出現(xiàn)放熱峰，說(shuō)明生料之間發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，結(jié)合圖2的XRD圖譜可知，生料之間反應(yīng)生成了大量堇青石和少量的尖晶石，這證實(shí)了配方中添加生料在1300 ℃條件下能夠合成堇青石。因此，在配方中添加生料，一方面由于生料之間的反應(yīng)可以促進(jìn)坯體的燒結(jié)，降低燒結(jié)溫度，另一方面，由于生料之間發(fā)生反應(yīng)，原位生成堇青石，可以降低材料的熱膨脹系數(shù)，提高其熱穩(wěn)定性。

2.2 顆粒級(jí)配與氣孔率的關(guān)系

圖1 生料的DSC曲線Fig.1 DSC curve of raw material

圖2 生料熱處理后的XRD圖譜（1300 ℃×30 min）Fig.2 XRD pattern of raw material after heat treatment

堇青石粒徑對(duì)試樣性能的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出，A、B和C三個(gè)配方系列的試樣均具有較高的氣孔率，在42～46%之間，可以滿足高溫含塵氣體過(guò)濾用材料氣孔率(＞40%)的要求。此外，從圖3(a)中還可以看出，在粗顆粒的量不變條件下，隨著中/細(xì)顆粒比例減小（即細(xì)顆粒量在增加），試樣的孔隙率先以緩慢的速率下降，隨后趨于平緩，保持在約42.8%；同樣，從圖3(b)、圖3(c)可以看出，在中顆粒或細(xì)顆粒的量不變條件下，隨著在粗/細(xì)顆粒比例的減小（即細(xì)顆粒量增加）或粗/中顆粒比例的減小（即中顆粒量增加），試樣的氣孔率均表現(xiàn)出先以緩慢的速率下降，隨后趨于一個(gè)穩(wěn)定值；值得注意的是，在三個(gè)配方系列中，B配方系列具有最大的氣孔率，且氣孔率分布范圍較窄，在45～46%之間。

隨著堇青石顆粒級(jí)配的變化，試樣氣孔率變化的原因?yàn)轭w粒堆積和填充的結(jié)果。三個(gè)配方系列中，通過(guò)粗、中和細(xì)顆粒之間的堆積和填充，一方面可以形成具有較高氣孔率(42～46%)，同時(shí)也使得試樣具有較高強(qiáng)度，前期研究表明，試樣的平均抗折強(qiáng)度可達(dá)20 MPa以上，關(guān)于工藝因素對(duì)試樣強(qiáng)度的影響規(guī)律，將在其它文獻(xiàn)中詳細(xì)報(bào)道；此外，對(duì)于B配方系列中，由于中、粗顆粒（主要是中顆粒）堆積形成的空隙，被細(xì)顆粒填充相對(duì)于A、C配方系列的較少，從而試樣表現(xiàn)為具有最高的孔隙率。

圖3 堇青石顆粒級(jí)配與試樣氣孔率之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between cordierite particle gradation and sample porosity(a) Batch formula series A (b) Batch formula series B (c) Batch formula series C

圖4 試樣斷面的SEM照片F(xiàn)ig.4 Cross-section SEM images of the samples(a) Batch formula A3 (b) Batch formula B3 (c) Batch formula C3

圖4為A3、B3和C3系列配方所制備試樣的SEM照片。從圖中可以看出，試樣內(nèi)均含有大量氣孔，且孔徑大小較均勻。其次，從圖中還可以看出，堇青石粗顆粒堆積的空隙部分被細(xì)顆粒所填充。此外，對(duì)比圖4(a)、(b) 和(c)可以發(fā)現(xiàn)，B3比A3、C3試樣具有更多的氣孔，這也證實(shí)了B系列試樣具有較高氣孔率的原因。

3 結(jié) 論

(1)利用堇青石的三組顆粒級(jí)配組合和輔以適量的蘇州土、燒滑石和氧化鋁等生料，在1300 ℃、保溫30 min條件下，可以獲得氣孔率在42～46%、抗折強(qiáng)度大于20 MPa和孔徑分布較均勻的堇青石質(zhì)陶瓷材料；

(2)粗、中和細(xì)三組顆粒之間的堆積和填充是導(dǎo)致材料具有良好性能的，且中顆粒的添加量對(duì)材料的氣孔率影響最顯著。

[1] VAN DER HAM A G J. Proposal for a regenerative high-temperature process for gas cleanup with calcined limestone.[J] Eng. Chem. Res.， 1996， 35(5)： 1487-1495.

[2] 方為茂， 陳為梅. 微濾陶瓷膜結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及參數(shù)測(cè)定[J]. 過(guò)濾與分離， 1999，(1)：16-19.

FANG Weimao， CHEN Weimei， Journal of Filtration & Separation， 1999，(1)：16～19.

[3] 姬宏杰，楊家寬，肖波.陶瓷高溫除塵技術(shù)的研究進(jìn)展.[J]工業(yè)安全與環(huán)保，2003，29(2)：17-18.

JI Hongjei， YANG Jiakuan， XIAO Bo， Gongye Anquan Yu Huangbao， 2003，29(2)：17-18.

[4] 楊德武， 徐守東， 李維宏， 等. 多孔道陶瓷膜的阻力和再生研究[J]. 過(guò)濾和分離， 1999， (1)： 13-15.

YANG Dewu， XU Shoudong， LI Weihong， et al.，Journal of Filtration & Separation， 1999， (1) ：13-15.

[5] BELL D M， MERBEL G A. Fabrication of ultralow thermal expansion cordierite structure.[J] US Patent 2002/0010073， 2002.2.24.

[6] ZENG Y， ZHANG S， GROVES F R， et al. High temperature gas desulphurization with elemental sulfur production.[J] Chem. Eng. Sci.， 1999， 54： 3007-3017.

[7] 喬新民. 壁流式蜂窩陶瓷過(guò)濾器的開(kāi)發(fā)應(yīng)用[J]. 江蘇陶瓷，2001，34 (2)：22-23.

QIAO Xinming， Jiangsu Ceramics， 2001，34 (2)：22-23.

[8] 白佳海， 郭露村. 超低熱膨脹堇青石質(zhì)蜂窩陶瓷[J]. 中國(guó)陶瓷工業(yè)， 2004，11(4)：39-42.

BEI Jiahai， GUO Lucun， China Ceramic Industry，2004，11(4)：39-42.

Infuence of Particle Gradation on Porosity of Cordierite-Based Ceramic Material

ZHANG Jungui, ZHOU Jian’er, LI Jun, LI Jiake, WANG Delin
(Key Laboratory of Jiangxi Province for Advanced Ceramic Materials, School of Material Science and Engineering, Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen 333001, Jiangxi, China)

Cordierite-based porous material was prepared by using cordierite, alumina, kaolin and steatite, etc. as raw materials. Effects of cordierite particle gradation (namely big, medium and small in particle size) on the porosity of the cordierite-based material were studied. Bending strength and microstructure of the material were examined by means of SEM and material testing machine, etc. The results show that porous ceramic materials with the porosity of more than 40% and the bending strength of more than 20 MPa may be obtained from cordierite mixtures with reasonable proportions of three particle sizes that were calcined at 1300 °C and held for 30 min, and the adding amount of medium-sized particles played a more important role in increasing the porosity of the material than others.

cordierite; particle gradation; porosity; microstructure

TQ174.75

A

1000-2278(2014)01-0022-04

2012-11-11。

2012-11-20。

國(guó)家支撐計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：2011BAC11B08)；江西省科技廳科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(編號(hào)：2010DQ1302000)

張軍貴(1990-)，男，碩士研究生。

周健兒(1952-), 博士, 教授。

Received date:2012-11-11. Revised date:2012-11-20.

Correspondent author:ZHOU Jian'er(1952-),male,Ph.D., Professor.

E-mail: LP0518@126.com