泡沫陶瓷過濾器用聚氨酯網狀海綿的應用研究

王霞

摘 要：本文簡單介紹了聚氨酯泡沫海綿的分類，闡述了泡沫陶瓷過濾器用聚氨酯海綿載體的性能指標要求。對比了氧化鋯、碳化硅和氧化鋁泡沫陶瓷過濾器分別所需聚氨酯海綿性能指標；通過試驗發現，不同材質的泡沫陶瓷過濾器所需聚氨酯海綿的強度、彈性、比重、熔點等指標性能也不一樣。其中，氧化鋯材質泡沫陶瓷過濾器對聚氨酯海綿強度和彈性要求最高，其次碳化硅質、氧化鋁質泡沫陶瓷過濾器。試驗還發現，聚氨酯海綿性能對泡沫陶瓷產品收縮、通孔率和強度有較大影響，其中通孔率影響最大。

關健詞：泡沫陶瓷；網狀海綿；多孔；性能對比

1 前言

泡沫陶瓷過濾器（簡稱泡沫陶瓷CFF）是一種具有三維空間網架結構的高氣孔率（70 ～ 90%）的多孔陶瓷體，由于其具有密度小、強度大、耐高溫、比表面積大、氣孔率大及過濾吸附性好等優點， 因此被廣泛地應用于冶金、化工、輕工、食品、環保、節能等領域[1-2]。泡沫陶瓷作為第三代過濾器材，在金屬熔煉鑄造生產中應用尤其廣泛。國內80 ～ 90%的泡沫陶瓷都應用于金屬熔體過濾凈化中，這也推動了國內金屬鑄造行業的快速發展，提升了鑄造的金屬制品成品率、機加工性能及理化性能。

泡沫陶瓷主體三大類主要有氧化鋯、碳化硅和氧化鋁泡沫陶瓷，其中氧化鋯泡沫陶瓷應用于高溫（1500℃以上）的鋼材和高溫合金的鑄造，碳化硅泡沫陶瓷應用于中溫（1200℃以上）的銅、鐵鑄造，氧化鋁泡沫陶瓷引用于低溫（700℃左右）的鋁及鋁合金等有色金屬的鑄造，不同材質的泡沫陶瓷應用領域不同?，F有泡沫陶瓷生產工藝大都采用有機泡沫浸漬上漿工藝，海綿前驅體的選擇對泡沫陶瓷性能的影響變得尤為重要。雖然關于泡沫陶瓷材料性能、工藝研究的文章很多，對泡沫陶瓷前驅體海綿改性研究的文章也有一些，如王哲等發表的“碳化硅基泡沫陶瓷載體的表面活化研究”[3]。但對聚氨酯海綿載體本身研究的文章較少，而海綿載體對泡沫陶瓷性能有著重要影響。

2 聚氨酯海綿分類

1937年德國Otto Bayer教授首先發現多異氰酸酯與多元醇化合物進行加聚反應可制得聚氨酯，并以此為基礎進入工業化應用，英美等國1945～1947年從德國獲得聚氨酯樹脂的制造技術于1950年相繼開始工業化。日本1955年從德國Bayer公司及美國DuPont公司引進聚氨酯工業化生產技術。20世紀50年代末我國聚氨酯工業開始起步，近十幾年發展較快。

聚氨酯（簡稱TPU）是由多異氰酸酯和聚醚多元醇或聚酯多元醇及小分子多元醇、多元胺或水等擴鏈劑或交聯劑等原料制成的聚合物。通過改變原料種類及組成，可以大幅度地改變產品形態及其性能，得到從柔軟到堅硬的最終產品。聚氨酯制品形態有軟質、半硬質及硬質泡沫塑料、彈性體、油漆涂料、膠粘劑、密封膠、合成革涂層樹脂、彈性纖維等，廣泛應用于汽車制造、冰箱制造、交通運輸、土木建筑、鞋類、合成革、織物、機電、石油化工、礦山機械、航空、醫療、農業等許多領域[4]。

聚氨酯海綿塑料泡沫隨著石油化工的快速發展，也正處在高速發展當中。聚氨酯塑料泡沫海綿所需的原材料多元醇、氰酸酯等都是石油化工煉制的副產品或副產品的衍生物。

2.1 開孔型和閉孔型聚氨酯海綿

聚氨酯海綿按照孔類型可分為開孔型和閉孔型。聚氨酯開孔型海綿具有三維網狀立體結構，其骨架和氣孔相互貫通，具有很高的氣孔率（70 ～ 90%），能夠有效起到保溫、隔熱、過濾等效果。因此，被廣泛用于冶金、石油、水利等領域。閉孔型聚氨酯海綿具有較高的強度和硬度，被廣泛用于建筑板材、保溫材料等領域。

2.2 硬質型和軟質型聚氨酯海綿

聚氨酯海綿按照材質的硬度可分為硬質型和軟質型。硬質型聚氨酯海綿塑料主要用于家用電器隔熱層、屋墻面保溫防水噴涂泡沫、管道保溫材料、建筑板材、冷藏車及冷庫隔熱材等；軟質型聚氨酯海綿主要用于家具及交通工具各種墊材、隔音材料等。

3 泡沫陶瓷用聚氨酯海綿載體要求

泡沫陶瓷所用的軟質聚氨酯多孔網狀海綿，是由甲苯二異氰酸酯、聚醚多元醇、胺催化劑等化工原料發泡而成閉孔的海綿泡體，再用乙炔、氫氣和氧氣按比例將其除去表面膜層，開孔制成三維貫通網狀結構的多孔海綿。開孔型聚氨酯海綿是泡沫陶瓷前驅體所需要的聚氨酯海綿類型，除了具有三維網狀立體的貫通網孔之外，不同材質的泡沫陶瓷對聚氨酯海綿載體的要求也不一樣，詳見表1。

3.1 氧化鋯泡沫陶瓷對聚氨酯海綿性能的要求

氧化鋯泡沫陶瓷作為高溫型泡沫陶瓷，主要應用在鑄鋼和高溫合金等高溫金屬熔體過濾方面，其整體用量不大，國內生產此類泡沫陶瓷的廠家較少。氧化鋯泡沫陶瓷生產的技術難點主要有聚氨酯泡沫海綿載體質量、氧化鋯燒結溫度控制以及氧化鋯晶相轉變導致的體積膨脹[5]。其中氧化鋯燒結溫度和氧化鋯晶相轉變是工藝上存在的問題，聚氨酯泡沫海綿載體的選擇是原材料質量問題。

氧化鋯粉體真密度為5.7 g/cm3，比重較大。由部分穩定氧化鋯粉及添加劑組成的陶瓷漿料具有比重大和流動性好等特點，在泡沫陶瓷上漿工藝中，需要聚氨酯海綿載體具有漿料吸附性能好、通孔率好、海綿網線粗、彈性好以及拉伸強度高等特性。開孔型聚氨酯海綿密度只有0.03 ～ 0.05 g/cm3，海綿本身彈性不高，強度也較難滿足氧化鋯泡沫陶瓷制作工藝要求。導致了國內海綿廠家生產的多孔海綿由于海綿彈性不高、強度不夠，不能夠滿足氧化鋯泡沫陶瓷的生產，生產中易出現坍塌、變形、收縮大等缺陷。

3.2 碳化硅泡沫陶瓷對聚氨酯海綿性能的要求

碳化硅泡沫陶瓷屬于中溫型泡沫陶瓷，主要用在鑄鐵和鑄銅等中溫金屬熔體過濾。相比氧化鋯泡沫陶瓷，國內生產碳化硅泡沫陶瓷廠家要多。

碳化硅微粉的密度為3.2 g/cm3，堆積密度為1.2 ～ 1.6 g/cm3。碳化硅泡沫陶瓷所選用的碳化硅粉料為黑色β-SiC，采用二次掛漿工藝，燒結采用Al2O3-SiO2 結合碳化硅燒結的方法[6]。雖然碳化硅比重較氧化鋯小，但是其漿料重量對聚氨酯海綿載體依然要求有高彈性模量、高強度以及均勻的網孔分布。

3.3 氧化鋁泡沫陶瓷對聚氨酯海綿性能的要求

氧化鋁泡沫陶瓷屬于低溫型泡沫陶瓷，主要應用于鋁及鋁合金等有色金屬熔體的過濾，是國內生產產量最大的一類泡沫陶瓷。同時，由于鋁液鑄造的多為鑄棒工藝，其泡沫陶瓷過濾器尺寸相比氧化鋯和碳化硅要大。因為所過濾的鋁液比重較輕，其對氧化鋁泡沫陶瓷過濾器強度等性能要求也就相對較低。國內氧化鋁泡沫陶瓷研究時間早，生產工藝成熟，加之工藝要求不是很高，目前國內廠家生產的產品質量都較為穩定。

氧化鋁泡沫陶瓷的主要原料為α-氧化鋁、高嶺土、硅微粉、長石以及磷酸二氫鋁，α-氧化鋁組分占到80%以上，漿料比重為2.3 ～ 2.6 g/cm3，比重較輕，對聚氨酯海綿的彈性、強度要求較低。

4 聚氨酯海綿對泡沫陶瓷性能影響

聚氨酯海綿作為生產泡沫陶瓷的原材料，對泡沫陶瓷性能有較大影響，其影響主要包括以下幾個方面。

4.1 產品收縮的影響

聚氨酯海綿載體的彈性和強度的大小對泡沫陶瓷的收縮有著直接影響，其中影響主要包括干燥過程和燒結過程兩部分。

4.1.1干燥過程中的收縮影響

目前，國內大多泡沫陶瓷廠家采用對輥上漿工藝，海綿經過對輥機壓縮及漿料附著后發生一定量的尺寸延伸，逆網上漿和順網上漿的兩邊延伸度不一樣，延伸率在1 ～ 3%。上漿過后海綿的回彈性決定了干燥后坯體的最終尺寸。對于彈性好、強度高的海綿，坯體延伸尺寸小，漿料分布均勻無盲孔，兩邊及厚度尺寸容易控制。對于彈性差、強度低或是不能滿足大比重漿料（如氧化鋯漿料）上漿的海綿，在上漿后坯體就會出現尺寸延伸大，厚度不能回彈或是回彈不均一，掛漿效果差等缺陷。

4.1.2燒成過程中的收縮影響

干燥后的坯體由于粘結劑的作用具有一定的強度，坯體經過表面噴漿、二次干燥后進入窯內燒結。聚氨酯海綿在干燥過程中并沒有揮發掉，而是在燒結過程中的200 ～ 600℃中熔解、滲出表面和氧化揮發。聚氨酯海綿本身被陶瓷漿料包裹，熱量通過陶瓷漿料傳遞進去，形成一個無氧燃燒過程，造成海綿的熔解、滲出，最后氧化揮發，強度高和彈性好的海綿能夠使坯體收縮緩慢。當然，對于不同材質的泡沫陶瓷制定的燒結溫度和燒結制度不一樣。

4.2 產品通孔率的影響

由于采用聚氨酯海綿作為泡沫陶瓷生產載體，聚氨酯海綿本身通孔率的大小就決定了生產出泡沫陶瓷通孔率的大小。要獲得高的產品通孔率，就要選擇同樣高的通孔率聚氨酯海綿，并且要求海綿網孔均勻、無盲孔、網線分布清晰等。因此，海綿通孔率和網孔質量的好壞，對泡沫陶瓷過濾器通孔率及網孔質量有著直接影響。比如要生產82%通孔率的泡沫陶瓷，就需要選擇85%以上通孔率的聚氨酯海綿，且要求網孔均勻。

4.3 產品強度的影響

聚氨酯海綿性能對產品強度也有著較大影響，主要表現為對坯體干燥后強度的影響和燒結過程中海綿揮發時坯體強度的影響。

4.3.1干燥后坯體強度的影響

干燥后坯體強度的大小對最終產品的影響主要表現為噴漿操作對坯體損傷的大小。干燥坯體強度越高，操作對其損傷程度越小，燒結后產品的強度也就越高。相反，產品強度越低。聚氨酯海綿強度越高、彈性越好，上漿后坯體具備的強度也就越高。

4.3.2燒結時坯體強度的影響

聚氨酯海綿在燒結揮發時，坯體強度越高、海綿揮發越緩慢，其受損程度就越小，生產出的產品強度也就越高。當然，其主要影響產品強度的因素還是陶瓷漿料材質、配方及燒結制度的影響。

5 結論

泡沫陶瓷用聚氨酯海綿載體具有三維網狀的立體結構，聚氨酯海綿的密度、熔點、強度、彈性等性能對泡沫陶瓷過濾器的產品質量有直接影響，具體包括如下兩點：

（1）不同材質的泡沫陶瓷對聚氨酯海綿性能要求也不一樣，其中氧化鋯質泡沫陶瓷對聚氨酯海綿載體性能要求最高，它要求聚氨酯海綿密度大于0.045 g/cm3、通孔率大于85%、熔點180 ～ 200℃、彈性好以及拉伸強度大于12 KPa；而碳化硅質泡沫陶瓷對聚氨酯海綿性能要求相對較低；氧化鋁質泡沫陶瓷對聚氨酯海綿性能要求最低。

（2）聚氨酯海綿的彈性、通孔率、強度對泡沫陶瓷產品最終的收縮、通孔率、強度影響較大，其中通孔率受海綿影響最大；海綿彈性好、通孔率高、強度高，對應的產品收縮越小、通孔率越高、強度越高；反之產品收縮大、通孔率低、強度低。

參考文獻

[1] 靳洪允. 泡沫陶瓷材料的研究進展[J]. 陶瓷科學與藝術， 2005， 39（4）：33-36.

[2] 王連星. 泡沫陶瓷的研究進展[J]. 耐火材料，1997，31 （1） ：55～58.

[3] 王哲，任鳳章，李鋒軍等.SiC基泡沫陶瓷載體的表面活化研究[J].材料熱處理學報，2006（4）：28～31.

[4] 齊貴亮. 泡沫塑料成型新技術[M]. 機械工業出版社， 2011.

[5] 陳漢添，吳基球.氧化鋯基泡沫陶瓷的工藝原理及性能表征[J].陶瓷，2006（6）：16～20.

[6] 曹大力，麥開華，馬雷等.碳化硅質泡沫陶瓷過濾器的研制[J].鑄造，2008，57（3）：294-296.