张仕昭 李树岭 赵浩峰 王巧玲 刘妍慧 潘子云 王玲

摘 要：多孔陶瓷是一种含孔洞的无机非金属过滤材料，常用于液体的过滤。主要制作方法有添加造孔剂法、发泡法、有机泡沫浸渍法和溶胶—凝胶法。本文利用发泡剂和模板来制备多孔陶瓷，通过添加不同发泡剂，来寻找各个原料的最佳配比，从而制备出高效的多孔陶瓷。

关键词：多孔陶瓷；无机非金属过滤材料；发泡法；有机泡沫浸渍法

1 引言

当今社会，工业发展迅速，水污染越来越严重，多孔陶瓷在废水净化方面，有很好的效果。多孔陶瓷是一种含有较多孔洞的无机非金属材料，具有化学稳定性好、耐热性好的优点，在废水过滤方面得到广泛的应用[1]。

有机泡沫浸渍法是制备多孔陶瓷的有效工艺[2]，其工艺简单、操作方便、制造成本低，具有良好的发展前景[3]。有资料显示，以长石作为陶瓷结合剂，可以降低陶瓷的烧结温度[4]。因此，本文以粘土为基体，长石为主要添加剂，探讨不同发泡剂对陶瓷玻璃化制备的影响。

2 实验材料及方法

实验采用粘土、氟化钙、碳酸钠、质量分数为5%的氢氧化钠水溶液以及长石粉、PVC、聚苯乙烯、碳粉、淀粉、硼砂等为材料。其中，长石粉、氟化钙作为陶瓷结合剂，可以降低陶瓷烧制温度。碳酸钠作为陶瓷添加剂，可以促进陶瓷玻璃化结构形成。有资料显示PVC、聚苯乙烯、淀粉、碳粉具有很好的发泡效果[5]，受热挥发而形成多孔结构，因此，将其为发泡剂，并对发泡效果进行比较。硼砂用于降低熔点，并提高多孔材料的强度[6]。实验材料按照一定比例配置：长石3～10%，PVC（聚苯乙烯）4～20%，碳粉2～6%，碳酸钠2～6%，硼砂3%，其余为粘土。

将原材料按照以上配方称量，混合均匀，再加入20滴蒸馏水，配置成泥浆，将使用2%氢氧化钠洗净的模板浸入泥浆中，反复挤压，待泥浆充满模板后取出。同样的方法，每组做三个试样，分别加热到1100℃、999℃和750℃烧结。

实验流程为：按配方配料——将配料混合均匀——将粉料成型——烧结完成。

3 实验结果及讨论

3.1 玻璃化的产生

图1为使用聚苯乙烯作为发泡剂的多孔陶瓷图片，其主要原料是粘土、长石、聚苯乙烯和PVC。图2为使用碳酸钠作为发泡剂的多孔陶瓷图片，其主要原料为粘土、长石、碳酸钠、硼砂和PVC。由图片可知，图1孔洞较小，没有玻璃化产生；图2孔洞较大。有玻璃化产生。实验结果显示，图1陶瓷的熔点在950～1050℃之间，图2陶瓷的熔点在750～800℃之间。经比较得知，硼砂可以降低陶瓷熔点。

得到玻璃化结构的原因是：（1）碳酸钠本身是制备玻璃的原材料。当烧结温度超过碳酸钠的熔点，碳酸钠分解产生二氧化碳，而粘土本身含有二氧化硅，多种杂质混合形成低共融物，当温度升高，共融物融化，出现液相，形成硅酸盐和游离二氧化硅等透明烧结物。温度继续升高，则形成玻璃态的多孔陶瓷；（2）从热力学角度分析，玻璃态具有较高的内能，属于亚稳态结构，且玻璃和晶体的内能相差不大，析出动力小，能够在常温下保存。另外，碳酸根离子体积较大，不易调整结构，因此不易形成空间排布统一的晶体，而是形成亚稳态的玻璃体；（3）从微观角度分析，陶瓷内部含有离子键和共价键，可以形成sp电子杂化轨道，构成σ键和π键。它既有离子键的特点，又有共价键的特点，易于形成玻璃态。有资料显示，玻璃化结构之所以强度较高，是因为玻璃化结构中Si4+和O2-离子构成的四面体无序排列，形成了无周期反复的结构单元[7]。

图3是陶瓷熔点随长石粉百分含量变化曲线，由图可知，随着长石的百分含量增加，陶瓷的熔点下降。

图4是陶瓷相对强度随硼砂含量变化曲线，陶瓷的相对强度是指陶瓷实际强度相对于理论的强度。由图4可知，随着硼砂含量增加，陶瓷的强度也增大。

3.2 发泡剂效果的比较

由实验结果可知，聚苯乙烯的发泡效果优于聚氯乙烯，这是因为在受热过程中，聚苯乙烯热膨胀体积高于聚氯乙烯。聚苯乙烯的发泡效果也优于碳粉，使用Materials Studio 7.0对碳粉进行布局数分析。结果见图5、图6。图5是使用聚氯乙烯作为发泡剂的多孔陶瓷微观形貌图，图6是使用聚苯乙烯作为发泡剂的多孔陶瓷微观形貌图。比较两图可知，聚苯乙烯发泡效果更好。图7是使用碳粉作为发泡剂的实验样品微观形貌图。碳粉中含有少量离子键，这是阻碍碳原子受热膨胀的原因。

图8是在999℃烧结的样品微观形貌图，图9是在750℃烧结的样品微观形貌图。由实验可知，实验的两个试样，在999℃烧结的试样孔隙明显少于在750℃烧结的试样孔隙。这是由于温度过高，导致陶瓷融化，粘土溶液覆盖住孔隙，降低其孔隙率。

4 结论

（1）聚苯乙烯的发泡效果优于聚氯乙烯和碳粉，因为其受热膨胀体积大。

（2）碳酸钠不仅能够作为发泡剂，还能促进多孔陶瓷玻璃化的生成，提高强度。

（3）多孔陶瓷气孔率上升，陶瓷强度下降。

参考文献

[1] 陈士冰，王世峰，辛旭亮，等.多孔陶瓷过滤材料的研究进展[J].山

东轻工业学院学报，2009，23（2）：17～20.

[2] 朱新文，江东亮.有机泡沫浸渍工艺—一种经济实用的多孔陶

瓷制备工艺[J].硅酸盐通报，2000（3）：45～51.

[3] 刘珩，安黛宗，萧劲东.多孔陶瓷的制备和应用研究进展[J].江苏

陶瓷，2003，36（4）：9～12.

[4] 张锐. SiC多孔陶瓷的气孔率和强度[J]. 金刚石与磨料磨具工

程， 2005，（2）：38～40.

[5] 付春伟，刘立强，于平坤，等.造孔剂种类对粉煤灰多孔陶瓷性能

的影响研究[J].粉煤灰综合应用，2011，（2）：12～19.

[6] 李文虎.三元硼化物金属陶瓷的研究进展[J].粉末冶金工业，

2008，18（4）：36～39.

[7] 周玉.陶瓷材料学[M].北京：科学出版社，2004.

[8] 薛明俊，刘智恩，沈凯. 钛酸铝多孔陶瓷的研制[J]. 中国陶瓷，

1995， 31（2）： 17～20.