吕新雨 闫 洪 艾凡荣

(南昌大学材料加工工程系 南昌 330029)

粉煤灰泡沫陶瓷浆料的稳定机制*

吕新雨 闫 洪 艾凡荣

(南昌大学材料加工工程系 南昌 330029)

通过不同组分浆料的沉降实验，研究了固含量、分散剂(淀粉、硅酸钠、柠檬酸三铵)对浆料稳定性能的影响。实验过程中测量了1#～12#浆料浑浊液和上清液的高度，进而得到浆料的相对沉降高度(RSH)值。通过测量10#、13#、14#浆料在沉降过程中上清液高度的变化，研究了13#、14#浆料的稳定性。实验结果分析发现，在含硅酸钠的悬浮浆料中，随着浆料中固含量的增加，淀粉作为分散剂对浆料的稳定性能的影响减小;在不含硅酸钠的浆料中，这一规律只在3#～6#的浆料中出现;淀粉、柠檬酸三铵作分散剂可显著提高浆料的稳定性。硅酸钠对浆料的分散效果较差，保证素坯在低温强度的状态下，应尽量减少硅酸钠的用量。

沉降实验 分散剂 浆料稳定性能

前言

据绿色和平2010年的调查报告显示［1］，2009年中国的粉煤灰产量达到3.75亿t，相当于城市生活垃圾的2倍多;其体积达到4.24亿m3，相当于每2min填满一个标准游泳池，每天填满一个水立方。如此大量的的固体废弃物的堆积不仅占用大量的空间，而且还污染环境，对人类的身体健康构成威胁。目前，我国的粉煤灰的利用率还很低，因此研究粉煤灰的综合利用技术显得极为迫切。由于我国粉煤灰产量巨大，它的成本很低，其组成成分与粘土的组成成分接近，稍加调整就可将粉煤灰应用于陶瓷领域。泡沫陶瓷作为近年来发展较快的新型材料，因其具有三维空间网状结构，密度小，比表面积大，孔径可控且分布均匀等特点，可应用于多个领域。粉煤灰泡沫陶瓷的制备方法有很多种，其中泡沫浸渍法对设备的的要求较低，易于实现，使用该方法研究便于新技术的推广。使用泡沫浸渍法时，最大的难点是浆料的制备。笔者对浆料中的固含量、分散剂两大重要的变量进行了研究，希望获得粘度低、分散性能好、稳定性能好、固含量高的浆料［2］。对浓度较低的悬浮液，用相对沉降高度(Relative Sedimentation Height，RSH)值［3］表示分散剂对粉体的分散效果，当固含量相同时，较小的RSH值表明沉降速度较快，其稳定性较差;反之亦然。RSH是指浑浊悬浮体高度(指上清液与浑浊悬浮层的分界线，包括稳定浆料和沉降层)与悬浮体总高度之比。笔者通过浆料的RSH值和上清液的高度来研究浆料的稳定性。

1 实验

1.1 实验用材料

实验所采用的粉煤灰为云南微珠商贸有限公司提供的亚微米级实心微珠;硅酸钠、可溶性淀粉、柠檬酸三铵为化学分析纯。粉煤灰的化学成分组成如表1所示。

表1 粉煤灰的化学成分组成(质量/%)Tab.1 Chemical composition of fly ash(%)

1.2 实验过程

首先按照表2中的组分要求，配制含有规定量的硅酸钠、淀粉水溶液，最后将20 g粉煤灰倒入溶液中搅拌均匀，然后将配置好的浆料倒入做好标记的试管，将其垂直放置在试管架上静置48 h，测量出沉降面上下两部分的高度，计算出相对沉降高度RSH值，并测量10#、12#、13#浆料在不同时间的上清液高度，以此衡量浆料的沉降速度。所用固含量的计算公式为：

式中：SL——固含量;

Vs——浆料中固体颗粒的体积，在此主要包括陶瓷粉体体积和淀粉的体积;

VL——水的体积。

表2 各浆料的组分Tab.2 Composition of each slurry

2 实验结果与讨论

2.1 固含量对浆料稳定性能的影响

将1#～12#浆料沉降24 h以后，分别测量各浆料的上清液与浑浊液高度，将测量的结果计算后得到各浆料的相对沉降高度，并计算出固含量相同的相邻编号浆料相对沉降高度的偏差，如图1所示。

图1 固含量相同的两个相邻编号料浆的相对沉降高度的变化Fig.1 RSH variation between near No slurry

图1 中横坐标1的柱形图表示1#、2#浆料的RSH值变化的百分比;横坐标为2的表示3#、4#浆料的RSH值的偏差。以此类推，横坐标为6表示11#、12#浆料的RSH值偏差。由图1中柱形图的高度可知，随着固含量的增加，在含有硅酸钠的浆料中淀粉对浆料稳定性能的影响减小。这是由于随着固含量的增加，粉煤灰颗粒在悬浮液中所占的体积分数增大，对应浆料的粉煤灰浓度也增大，而在沉降实验各浆料中所用淀粉的质量一致，与增加的粉煤灰浓度相比，相当于降低单位体积粉料中分散剂的浓度。在固含量增加的同时，浆料的粘度也增加，浆料中分散剂微粒的布朗运动速度降低，不利于分散剂充分吸附在粉煤灰颗粒表面形成稳定的双电层结构，浆料中颗粒间的距离减小，不利于团聚颗粒与水(分散剂)的结合，所以固含量高的浆料加入的分散剂不足，效果不明显。因此，在固相含量相对较高的 5#，6#，11#，12#浆料，分散剂的量加入不能太少，否则分散效果不明显。应当特别指出的是，以硅酸钠、淀粉作为分散剂时，加入量过多会增加浆料的粘度。考虑到重力对浆料稳定性能的影响，加入分散剂的同时并延长浆料的研磨时间会对浆料稳定性能起到重大作用。

图2 浆料上清液高度与时间的变化关系Fig.2 Slurry supernatant height variation with time

2.2 分散剂对浆料稳定性能的影响

通常在悬浮体系中加入一定量的分散剂，可使分散体系更加稳定［4］。

2.2.1 硅酸钠对浆料稳定性能的影响

将1#～6#未加硅酸钠的浆料与7#～12#浆料进行对比(如图2所示)发现，加入硅酸钠后浆料的稳定性能降低。在图3中主要表现为，未加硅酸钠的1#～6#浆料的相对沉降高度值明显高于7#～12#对应的浆料。这主要是由于加入硅酸钠用于配制浆料的水溶液的粘度增加，在粉煤灰颗粒未加入前不可避免地存在颗粒团聚，这些团聚的颗粒群在粘度较大的硅酸钠水溶液中很难充分分散开。未分散开的颗粒团聚体由于质量较大，很快就沉降到浆料的底部，并呈疏松的堆积，浆料下层沉积体积增加，RSH 值减小［5］。

2.2.2 淀粉对浆料稳定性能的影响

由图3可知，当淀粉为浆料单一变量时，加入淀粉的浆料与未加淀粉的浆料进行对比发现，加入淀粉后浆料的相对沉降高度RSH值明显增大。淀粉作为分散剂其分散机制为空间位阻机制，固体颗粒被分散剂吸附后，当彼此靠近时就会产生排斥能［6］。颗粒表面吸附淀粉微粒后，其稳定机理和静电稳定机制大不相同。这种情况下稳定的主要原因是淀粉胶粒吸附层，已不再是双电层的静电斥力。吸附的淀粉胶粒层将会对颗粒的稳定产生3 种影响［7］：

1)吸引带电胶粒后，颗粒之间的静电斥力Vr增大。

2)由于淀粉胶粒进入粉煤灰颗粒之间，这在一定程度上降低了颗粒间的引力势能Va。

3)粉煤灰颗粒吸附胶粒后还可能产生一种新的斥力势能Vs。系统的总的势能V应为：V=Va+Vr+Vs，因而势垒增加，使颗粒体系的稳定性能增加。

2.2.3 柠檬酸三铵对浆料稳定性能的影响

柠檬酸及其铵盐水溶液极易离解出三价离子，且容易被氧化物颗粒表面吸附，是一种合适的浆料分散剂。柠檬酸铵盐已用于Al2O3的分散。笔者用柠檬酸三铵对粉煤灰浆料分散，在10#浆料中加入2.5%、5.0%左右的柠檬酸三铵(即为表2中的13#，14#浆料)与10#浆料的稳定性进行对比。实验过程中测量了不同时间段浆料的上清液高度，如图2所示。

图3 1#～12#浆料的相对沉降高度Fig.3 No.1 ～12 slurry RSH

由图 3 可知，13#，10#，14#浆料的沉降速度依次增加，相应的浆料的稳定性依次降低。由此可知，13#浆料的稳定性能最好，14#浆料的稳定性能最差。13#浆料与10#浆料对比分散性提高可能是由于加入了分散剂，但再与14#对比发现，14#浆料加入的分散剂最多稳定性能却最差，不难推断柠檬酸三铵作为粉煤灰颗粒的分散剂存在一个最佳的加入量。

由文献［8～9］可知，加入柠檬酸三铵分散剂后，分散剂电解出的离子增大了液体中的离子浓度，离子吸附在粉煤灰颗粒的表面，使颗粒表面的双电层厚度增加，静电稳定机制与空间位阻机制共同作用，加大颗粒之间的斥力，从而使吸附了分散剂的颗粒体系更加稳定。当分散剂加入量过多时，浆料中离子的浓度增加，有更多与固体表面离子符号相反的离子进入溶剂化层，同时双电层的厚度变薄，浆料的稳定性能变差，因而沉降速度较快。

根据DLVO理论，加入无机电解质柠檬酸三铵后，粉煤灰颗粒表面将吸附无机电解质颗粒，从而使颗粒表面的电位绝对值显著提高;又由下式可知，电位绝对值的增加将产生强大的双电层静电排斥作用［10］，进而实现体系的稳定。而且无机电解质的加入也能增强颗粒表面对水的润湿程度。

式中：K——常数;

e——介质的介电常数;

j0——颗粒表面的电势;

k——德拜常数;

H0——两球形颗粒表面间的最小距离;

r——颗粒半径。

3 结论

笔者研究了不同组分浆料的稳定性，并分析了各分散剂的分散机制。由实验结果分析可知：

1)在含硅酸钠的悬浮浆料中，随着浆料中固含量的增加，淀粉作为分散剂对其影响减小。在不含硅酸钠的浆料中，这一规律只在3#～6#的浆料中出现。

2)淀粉作为粉煤灰分散剂，分散效果较明显，分散机制以空间位阻机制为主。

3)硅酸钠作为粉煤灰的分散剂，效果不明显，浆料的稳定性能略有下降。为保证素坯在低温成形，应尽量降低硅酸钠的使用量。

4)加入适量的柠檬酸三铵可显著降低浆料的沉降速度，提高其分散性，稳定机制以静电稳定机制为主。

1 杨爱伦，江雍年，赵星敏，等.2010煤炭的真实成本粉煤灰调查报告.绿色和平，2010

2 刘宣勇，苏文强，钱端芬，等.陶瓷粉料在液体介质中的分散稳定机制.陶瓷工程，1999，33(1)：52 ～56

3 周峰.氧化铝/莫来石复合泡沫陶瓷的制备研究：［硕士学位论文］.长沙：中南大学，2009

4 盖国胜.分体工程.北京：清华大学出版社，2009

5 胡云香，周东祥，龚树平，等.用柠檬酸三铵分散和稳定BaTiO3水浆料.电子元器件与材料，2000，19(6)，12 ～16

6 李玉娇.硅酸钠水溶液特性研究.钻采工艺，2007，30(4)：116～118

7 李宁.分散剂对刚玉质浇注料基质浆体流变性能的影响：［硕士学位论文］.武汉：武汉科技大学，2009

8 于芳.ZrO2/Al2O3泡沫陶瓷过滤器的制备及性能研究：［硕士学位论文］.沈阳：沈阳理工大学，2007

9 熊林，刘小荣，倪佳敏.粉煤灰泡沫陶瓷水基浆料的性能.中南大学学报(自然科学版)，2008(4)：765～770

10 傅献彩，沈文霞，姚天扬，等.物理化学.北京：高等教育出版社，2007

Stable M echanism on Fly Ash Ceram ic Foam Slurry

Lv Xinyu，Yan Hong，Ai Fanrong(Department of Materials Processing Engineering，Nanchang University，Nanchang，330029)

Influence of solids loading，dispersants(include starch，sodium silicate)on stability of slurries were investigated by sedimentation experiments.In the experiments，height of turbid solution and supernatant in slurry(No.1 ～ 12)was measured.Then RSH were obtained through analyzing experiment data.Stability on No.13，14 slurry was investigated by observing variation of supernatant in No.10，13，14 slurry.The experiment results show，with the increase of solid loading，influence of starch on stability decreases in slurry which contains sodium silicate.In slurry existed no sodium silicate，this rule shows only in slurry No.3 ～6;starch，triammonium citrate as dispersant，stability increase remarkably;sodium silicate plays a negative role in dispersing solid particulate.Therefore，containmentof sodium silicate should be lowed on condition that enough strength of bisque at low teperature.

Sedimentation experiments;Dispersant;Stability of slurries

TQ174.6

A

1002－2872(2011)11－0009－03

国家自然科学基金资助项目(项目编号：51165032);江西省高等学校科技创新团队资助项目(项目编号：00008713);江西省教育厅资助项目(项目编号：GJJ11269)。

吕新雨(1984－)，硕士研究生;主要从事多孔陶瓷及基复合材料的相关研究。E－mail：lvxinyuabc@163.com