鎂渣制造多孔陶瓷濾球的氣孔率調(diào)控研究

高利寧

（榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程系，陜西 榆林 719000）

多孔陶瓷是指經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)和特殊成型工藝制備，孔洞較多的一種無機非金屬材料，在耐高溫、堿腐蝕、耐酸方面的優(yōu)勢較大，同時自身具有比表面積大、開口孔隙率高、孔結(jié)構(gòu)可控等優(yōu)質(zhì)特點，所以在吸附、過濾分散、分離、滲透換熱、吸聲、隔熱、隔音、傳感、載體以及生物醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域都有著非常廣泛的應(yīng)用。我國在以固廢為原料的制備研究中，針對多孔陶瓷領(lǐng)域開展了積極的研究工作。本文將粉煤灰、鎂渣等為原材料，制備鎂渣基多孔陶瓷,并對多孔陶瓷的理化特性和實際孔隙參數(shù)展開分析，研究原料最終配比、添加劑制備工藝等因素的變化對多孔陶瓷的實際性能產(chǎn)生的影響。

1 實驗過程

此次實驗的主要原料為鎂工業(yè)廢渣，通過添加適量高溫成孔劑石墨、低溫成孔劑煤粉以及白云石這三種不同類型的成孔劑來調(diào)控多孔陶瓷濾球氣孔率。試驗期間選用阿基米德原理中的靜力稱重法對樣品實際顯氣孔率(Pa)、吸水率(Wa)、以及體積密度（D）進行相關(guān)測試[1]。選擇英國生產(chǎn)的INSTRON8800壓力測試機對樣品的實際壓碎強度進行檢測。選擇日本生產(chǎn)的DMAX- I型X-ray衍射儀對樣品組成進行檢測，同時再利用日本生產(chǎn)的JSM-5610LV型掃描電鏡對實驗樣品的顯微結(jié)構(gòu)予以研究。本次實驗中應(yīng)用到的主要化學(xué)組成結(jié)構(gòu)詳情見表1和表2。

圖1 樣品制備工藝具體流程圖

表1 化學(xué)原料成分表

表2 系列實驗配方組成表

1100℃期間，A-1氣孔率數(shù)值為56.81%；如果燒成溫度1140℃，此時A-1中的氣孔率標準為44.12%，超出未添加煤粉之前的樣品A-0實際氣孔率標準為36.24%。煤粉成分主要是碳元素，在300℃～600℃時會發(fā)生燃燒現(xiàn)象，屬低溫成孔劑，此時氧化反應(yīng)表示：C+O2=CO2、C+CO2=2C0、2C+O2=2CO。伴隨著溫度的持續(xù)升高，此反應(yīng)會釋放氣體，在濾球坯體內(nèi)部形成氣孔。并且燒成溫度超過標準時，配料結(jié)構(gòu)中的硅酸鹽因其低共熔點的原因會促進液相燒結(jié)，導(dǎo)致液相生成量超標，氣孔堵塞并造成氣孔率持續(xù)下降[2]。

由表3內(nèi)容可知，吸水率實時變化趨勢會和顯氣孔率變化呈現(xiàn)出基本一致的發(fā)展趨勢，體積密度的實時變化趨勢則會與顯氣孔率變化發(fā)展趨勢大致相反[3]。說明該系列濾球結(jié)構(gòu)中的成氣孔均大多為開氣孔，更加有助于過濾性能的實現(xiàn)。

表3 系列樣品最終的Wa、Pa、D測試結(jié)果

表4 1100℃燒成部分的樣品性能

2 分析實驗結(jié)果并討論

2.1 不同成孔劑對樣品氣孔率的理論影響

表3是燒成樣品的氣孔率Pa、吸水率Wa、體積密度D的測試結(jié)果。

由表3可見，樣品A-2、A-3、A-4中添加的石墨量分別是10%、15%、20%，在其燒成溫度標準為1100℃期間，添加的石墨量越高，其自身的氣孔率越高。此時材料的燒成溫度標準為1140℃，A-2、A-3、A-4產(chǎn)生的氣孔率均會有所降低，數(shù)值分別為35.32%、37.12%、32.89%，這些數(shù)據(jù)說明溫度越高時，液相量生成量越大，氣孔堵塞，氣孔率逐漸降低[4]。

表3內(nèi)容表明，A系列的各個實驗樣品實際氣孔率會伴隨石墨和煤粉添加量的逐漸增加而上升，并且兩者之間的增大趨勢相同。但是，在白云石添加量不斷增加的過程中，會有部分反?，F(xiàn)象發(fā)生，這主要與其自身組成結(jié)構(gòu)有關(guān)。白云石材料的成分主要為MgCO3和CaCO3，該材料在燒成期間會產(chǎn)生分解反應(yīng)，進而釋放出大量CO2氣體形成氣孔。處于高溫環(huán)境下會分解出CaOMgO助溶劑，有利于陶瓷實驗樣品強度的加強。由表3內(nèi)容可以看到，將白云石作為成孔劑的實驗樣品的氣孔率以及吸水率數(shù)值均會比較低，主要原因是高溫環(huán)境下MgO、CaO兩者與配料結(jié)構(gòu)中的SiO2反應(yīng)生成硅酸鹽玻璃相，進而填充部分已經(jīng)形成的孔，最后導(dǎo)致氣孔率持續(xù)降低[5]。

2.2 不同成孔劑對樣品氣孔率的實際影響

成孔劑種類同樣會對樣品強度造成影響，尚未加成孔劑的實驗樣品A-0的實際抗壓碎強度數(shù)值為13.32MPa；采用煤粉作為成孔劑的實驗樣品A-1，其自身抗壓碎強度數(shù)值為12.98MPa；石墨成孔劑的實驗樣品A-4自身的抗壓碎強度數(shù)值為34.21MPa；白云石成孔劑的實驗樣品A-6自身的實際抗壓碎強度數(shù)值為10.01MPa。最終測試結(jié)果表明成孔劑種類會對實驗樣品的實際抗壓碎強度造成影響，影響順序為：石墨>煤粉>白云石?？傮w發(fā)展趨勢和此前的氣孔率相反，氣孔率越高，此時的抗壓碎強度就越低；上述樣品氣孔率和自身強度都可以達到水處理或者廢氣處理提出的要求標準[6]。

2.3 樣品結(jié)構(gòu)分析

A-1樣品斷面及其未添加成孔劑的實驗樣品A-0進行對比，添加30%左右的煤粉，此時A-1氣孔則更顯細小，分布也會更加均勻；晶體在此時則會呈現(xiàn)出板條狀或者針棒狀開始交織生長，此后玻璃會與之相粘接。與并未添加成孔劑的實驗樣品A-0相對比，在添加20%白云石的A-3實驗樣品中則會有顆粒生成，并且氣孔疏松，位置分布較均勻。

3 結(jié)語

綜上所述，①調(diào)控鎂渣多孔陶瓷顯氣孔率的時間結(jié)果表明，樣品顯氣孔率與最終成孔劑種類或者添加量有著密切的關(guān)聯(lián)；氣孔會隨石墨和煤粉的添加量增加而不斷增大，會白云石添加量不斷增加而減小。②添加成孔劑以后的最佳實驗樣品為：劑石墨添加量數(shù)值為20%的高溫成孔實驗，燒成溫度標準為1100℃，此時樣品的實際顯氣孔率數(shù)值為56.17%，樣品吸水率數(shù)值為43.76%，實驗樣品體積密度數(shù)值為1.28g/cm3，樣品抗壓碎強度數(shù)值為34.21MPa，實驗樣品耐酸性數(shù)值為99.59%，樣品此時的耐堿性為99.81%。③實驗樣品耐堿性和耐酸性主要受到配料的組成或者樣品的微觀組成結(jié)構(gòu)影響，以上這些樣實驗樣品氣孔率以及強度及耐堿耐酸性都可以達到水處理或者廢氣處理的要求標準。