干壓成型制備氧化鋁多孔支撐體影響因素的研究

2022-02-09 06:33:46王躍超邱永斌張弘毅劉成寶許小靜

江蘇陶瓷 2022年6期

王躍超邱永斌張弘毅劉成寶許小靜

(1江蘇省陶瓷研究所有限公司，宜興214221;2江蘇水處理技術與材料協同創新中心，蘇州科技大學，蘇州 215009）

0 前言

在無機膜材料中，膜層通常具有較高的氣孔率、分布均勻的細孔徑，但厚度較薄，強度相對低，易破損，因此通常會將膜層附在具有較高機械強度的支撐體上使用，支撐體則具有高的機械強度、較好的化學穩定性及相對均勻的孔徑分布。氧化鋁多孔支撐體，由于其原料易于獲得，制備工藝成熟，是最常用的支撐體材料之一，它具備了氧化鋁材料的耐高溫、耐腐蝕、機械強度高、電絕緣性好等諸多特點[1-4]，作為支撐體材料，可以為膜層提供足夠的機械強度及足夠的過濾孔隙，廣泛應用于氣體和液體過濾、凈化分離、化工催化等眾多領域[5]。

干壓成型是多孔陶瓷材料最常用的成型方法之一，可以用來成型板狀、片狀、環狀的多孔陶瓷支撐體。其優點是設備投入成本低、模具易于更換、合格率高、成型速度快，支撐體的密度可調、孔隙率可調，適合大批量工業化生產[6]；缺點是可制備的支撐體形狀單一，坯體強度差，坯體內部致密性不一致，制備出的支撐體內部孔隙率不一致，孔徑分布范圍較寬。

本文以氧化鋁為骨料，加入適量的無機粘結劑，通過噴霧造粒制成原料，采用干壓成型制備氧化鋁多孔支撐體材料，研究無機粘結劑加入量、成型壓力及燒成溫度等工藝參數對支撐體材料性能的影響。

1 實驗

1.1 原料

以氧化鋁（純度99.5%、D50=3μm）為骨料，蘇州土、碳酸鈣、滑石等為燒結助劑，聚丙烯酸胺為分散劑，聚乙烯醇（PVA）為成型結合劑、乳化石蠟為成型潤滑劑。

1.2 材料的制備

1.2.1 無機粘結劑的制備

將蘇州土、滑石、碳酸鈣等燒結助劑通過球磨磨細并混勻，制成無機粘結劑。

1.2.2 噴霧造粒法制備原料

將氧化鋁、無機粘結劑按比例加入到球磨機中，加入適量的聚丙烯酸胺和水球磨6小時，再加入聚乙烯醇和乳化石蠟，球磨混合5～10分鐘后進行噴霧造粒，制成造粒料。

1.2.3 干壓成型

將原料投入到金屬模具中，通過液壓成型機干壓成型制成支撐體毛坯。

1.2.4 燒成

將支撐體毛坯在不同的燒成溫度下進行燒成，保溫2小時。

1.3 測試

（1）用掃描電子顯微鏡觀察樣品的斷面顯微結構。

（2）采用GB/T 1965多孔陶瓷彎曲強度試驗方法測量試樣的抗折強度。

（3）采用GB/T 1966多孔陶瓷顯氣孔率、容重試驗方法測量試樣的顯氣孔率與體積密度。

（4）采用GB/T 1967多孔陶瓷孔道直徑試驗方法測量試樣的平均孔徑。

（5）采用HG/T 3210耐酸陶瓷材料性能試驗方法測試試樣的耐酸度。

2 結果與分析

2.1 無機粘結劑加入量的影響

以氧化鋁粉為骨料，分別加入不同比例的無機粘結劑制成原料，50 MPa干壓成型，在1 400 ℃下燒成，燒成后測試支撐體材料的燒成收縮、抗折強度、顯氣孔率及耐酸度（見圖1-4）。

圖1 粘結劑加入量對支撐體燒成收縮的影響

圖2 粘結劑加入量對支撐體抗折強度的影響

圖3 粘結劑加入量對支撐體顯氣孔率的影響

圖4 粘結劑加入量對支撐體耐酸度的影響

從圖1-4中可以看出，隨著無機粘結劑加入量的增大，支撐體燒成收縮變大、抗折強度提高、顯氣孔率下降、耐酸度降低。分析原因如下：在支撐體材料內部，骨料氧化鋁的燒結溫度很高，而無機粘結劑在此溫度下能較好地燒結，通過加入無機粘結劑在高溫時與氧化鋁顆粒間發生反應，燒成結束后在無機粘結劑的作用下在氧化鋁顆粒間形成了較好的粘連。因此，無機粘結劑加入量越大，支撐體材料的燒結性能越好，燒成收縮越大；無機粘結劑加入量越大，氧化鋁顆粒間的粘連作用越明顯，材料的抗折強度越高。由于無機粘結劑通常分布在骨料顆粒間的孔隙中，隨著其含量的增加，會占據更多氧化鋁顆粒堆積形成的孔隙，導致支撐體材料顯氣孔率的下降；同時，氧化鋁骨料顆粒間距在無機粘結劑的作用下被拉近，導致骨料顆粒間的空隙變小，支撐體材料顯氣孔率下降。隨著無機粘結劑加入量的增大，支撐體內部鈣、鎂等堿性氧化物含量提高，導致了支撐體耐酸度的下降。最終得出在支撐體材料中無機粘結劑加入量的提高利于材料抗折強度的提高，但不利于材料的顯氣孔率及耐腐蝕性能。

2.2 成型壓力對材料性能的影響

以氧化鋁粉為骨料，加入10%的無機粘結劑制成原料，在不同的壓力下干壓成型，在1 400 ℃下燒成，燒成后測試支撐體材料的抗折強度、體積密度、顯氣孔率及平均孔徑（見圖5-8）。

圖5 成型壓力對支撐體抗折強度的影響

從圖5-8中可以看出隨著成型壓力的提高，材料的抗折強度提高、體積密度變大、顯氣孔率下降、平均孔徑變小。為此，我們用掃描電鏡觀察了20 MPa、40 MPa、60 MPa三種不同壓力下成型支撐體材料的斷面形貌（見圖9）。

圖9 不同壓力下成型支撐體斷面SEM圖

圖6 成型壓力對支撐體體積密度的影響

圖7 成型壓力對支撐體顯氣孔率的影響

圖8 成型壓力對支撐體平均孔徑的影響

從圖9中可以看出，20 MPa壓力成型支撐體的斷面圖（a）中可以看到，當成型壓力較低時，大部分造粒料顆粒未被壓碎，在材料內部呈球型，球型的造粒料顆粒在支撐體內部堆積形成了較大的空隙，使得支撐體體積密度較小、顯氣孔率較高、平均孔徑較大。隨著成型壓力的提高，坯體內部造粒料顆粒逐漸被壓碎，造粒料堆積形成的空隙逐步消失，使得支撐體體積密度提高、顯氣孔率降低、平均孔徑變小、材料的抗折強度提高；同時，成型壓力的提高導致骨料顆粒堆積的緊密程度提高，導致顆粒堆積形成的孔道變窄，使得支撐體平均孔徑降低、顯氣孔率下降，體積密度和抗折強度提高。最終得出干壓成型制備多孔氧化鋁支撐體時，成型壓力的提高會導致材料體積密度與抗折強度的提高、平均孔徑變小、顯氣孔率下降。低的成型壓力無法在成型時破碎坯體內部的造粒料顆粒，因此，低的成型壓力可以獲得較高的顯氣孔率，但不利于支撐體材料孔徑的控制。

2.3 燒成溫度的影響

以氧化鋁粉為骨料，加入10%的無機粘結劑制成原料，50 MPa的壓力下干壓成型，在不同的溫度下燒成，燒成后測試支撐體材料的抗折強度、顯氣孔率及平均孔徑及耐酸度（見圖10-13）。

圖10 燒成溫度對支撐體抗折強度的影響

從圖10-13中可以看出隨著燒成溫度的提高，支撐體材料的抗折強度和耐酸度提高、顯氣孔率降低、平均孔徑變小。分析原因：隨著燒成溫度的提高，無機粘結劑之間及無機粘結劑與氧化鋁骨料之間的燒結程度提高，骨料顆粒間的連接強度提高，支撐體的抗折強度提高；無機粘結劑與氧化鋁顆粒間燒結程度的提高，導致了支撐體材料耐酸性能的提高；伴隨著燒成溫度的提高，在無機粘結劑的作用下，氧化鋁骨料顆粒間的距離被拉近，顆粒堆積形成的空隙變小，導致支撐體顯氣孔率下降，平均孔徑變小。

圖12 燒成溫度對支撐體平均孔徑的影響

圖13 燒成溫度對支撐體耐酸度的影響

從圖11-12中也可以看出：平均孔徑和顯氣孔率的變化不是特別明顯。分析原因：在此溫度范圍內制備多孔氧化鋁支撐體時，支撐體內部的微孔結構主要取決于骨料顆粒大小和骨料顆粒間的堆積方式，因此，在原料相同及成型壓力相同的情況下，骨料氧化鋁粒徑大小相同，骨料堆積的緊密程度也基本相同，最終導致了支撐體的平均孔徑和顯氣孔率受溫度影響較小。最終得出燒成溫度的提高會導致支撐體的抗折強度及耐腐蝕性能提高、孔徑變小、顯氣孔率下降。