勃母石溶胶结合氧化铝-莫来石多孔陶瓷的制备

2021-04-13孙煦东

耐火材料 2021年2期

孙煦东李婕

内蒙古建筑职业技术学院内蒙古呼和浩特010070

莫来石多孔陶瓷具有抗热震性好，高温蠕变小，低热导率和低热膨胀率，抗化学腐蚀性好等特点［1］，广泛应用于保温隔热、耐火材料、环境生物、化学催化剂载体等领域［2-4］。

李和祯等［5］通过 La2O3的掺杂生成了La1.66Al23.08O37.04相，有助于提高莫来石陶瓷的强度。杨孟孟等［6］通过添加淀粉和AlF3原位生成莫来石晶须，制备了自锁结构的多孔陶瓷。石宇恒等［7］以聚苯乙烯泡沫球为造孔剂，采用振动浇注成型，当聚苯乙烯泡沫球加入量为浆料总体积的50%时，1 400℃的高温抗折强度高达2.64 MPa。王少阳等［8］研究了以核桃壳粉为造孔剂，结合氧化铝溶胶浸渍法制备了多孔氧化铝陶瓷（PACs）。

纳米级勃姆石溶胶作为一种分散均匀稳定的胶体可应用于发泡法中，前期能够使料浆中的颗粒在体系中均匀分散，保持料浆的稳定性，不会使料浆发生团聚沉淀。此外，勃姆石（γ-AlOOH）是γ-Al2O3的前驱体，受热分解后可完全转化为α-Al2O3参与合成莫来石，起到改善多孔陶瓷耐压强度的作用。

基于以上研究现状，在本研究中，拟采用发泡法制备勃母石溶胶结合氧化铝-莫来石多孔陶瓷，确定发泡剂（SDS）和勃母石溶胶的最优掺量，探究了烧制温度对氧化铝-莫来石多孔陶瓷显微结构的影响。

1 试验

1.1 原料

本试验以α-Al2O3微粉（w（Al2O3）=99.5%，d50=0.5μm）和SiO2微粉（w（SiO2）=99%，d50=0.4 μm）为原料，聚丙烯酰胺作为分散剂，十二烷基硫酸钠（SDS）作为发泡剂，CaSO4作为固化剂，勃姆石（γ-AlOOH）溶胶（胶体粒径约为20 nm）作为结合剂。

1.2 试样制备

本研究中各组分配比（w）拟定为：去离子水15%，聚丙烯酰胺1%，SiO2微粉12%，α-Al2O3微粉72%。按比例称量，机械搅拌15 min，放入球磨罐中湿法球磨12 h，转速为200 r·min-1，获得具有一定流动性的浆料。随后，将勃姆石溶胶按设定掺量（w）1%、2%、4%、5%、6%、8%（外加）加入，同时将发泡剂（SDS）按设定掺量（w）1%、1.5%、2%、2.5%、3%、5%（外加）加入到球磨好的料浆中，然后加入0.95%（w）的CaSO4，使料浆进行20 min酯化反应。将酯化反应好的料浆再次搅拌均匀后注入到模具中，使其在室温条件下放置12 h，然后经110℃干燥24 h后脱模制得陶瓷坯体。最后，采用GXL-05型高温烧结炉分别于1 300、1 350、1 400、1 450、1 500、1 600℃保温2 h烧制，升温速率为5℃·min-1。

1.3 试样表征

使用XRD-7000S/L型X射线衍射仪（XRD）分析经1 350、1 400、1 450、1 500℃烧制试样的物相组成；使用Hitachi-SU8010型冷场发射扫描电子显微镜（FESEM）观察经1 400、1 450、1 500、1 600℃烧制试样的微观形貌；依据GB/T 1966—1996测定试样的显气孔率和体积密度；依据GB/T 4740—1999测定试样的耐压强度；使用TPMBE型平板导热仪，依据GB/T 10294—2008测定试样的热导率（测试热面温度为300℃）。

2 结果与讨论

2.1 最优勃母石溶胶掺量的确定

发泡剂（SDS）的掺量为3.0%（w）、烧制温度为1 400℃时，勃姆石溶胶掺量对试样显气孔率和耐压强度的影响如图1所示。由图1可知，试样的显气孔率随着勃母石溶胶掺量的增加逐渐减小，耐压强度逐渐增大。勃母石溶胶掺量（w）从1%增加到8%，显气孔率下降了6.7%，耐压强度升高了84%。在发泡剂（SDS）掺量一定的条件下，由于勃母石加热分解产生的Al2O3能够和体系中的SiO2反应生成莫来石相，致使试样结构致密化，耐压强度增大。当勃母石溶胶掺量为5%（w）时，显气孔率为82.7%，耐压强度为5.7 MPa，性能较好。

图1 勃母石溶胶掺量对试样性能的影响Fig.1 Influence of bobolite sol addition on properties of samples

2.2 最优发泡剂（SDS）掺量的确定

勃姆石溶胶的掺量（w）为5%、烧制温度为1 400℃时，发泡剂（SDS）的掺量对试样显气孔率和耐压强度的影响如图2所示。

图2 发泡剂（SDS）掺量对试样性能的影响Fig.2 Effect of foaming agent（SDS）addition on sample performance

由图2可知，试样的显气孔率随着发泡剂（SDS）掺量的增加先增加后减小，耐压强度先减小后增加。当发泡剂掺量较小时，显气孔率较小而耐压强度较大。随着发泡剂掺量的增加，发泡作用愈发明显，导致显气孔率大幅增加而耐压强度随之减小。当发泡剂掺量为2.5%（w）时，显气孔率达最大，为82.7%；而耐压强度最小，为5.7 MPa。

2.3 最优烧制温度的确定

根据前面试验得出的最优条件，以发泡剂（SDS）的掺量为2.5%（w）、勃姆石溶胶的掺量为5%（w），探究烧制温度对试样显气孔率和耐压强度的影响，结果如图3所示。由图3可知，试样的耐压强度随着烧制温度升高先增大后减小，而显气孔率却一直下降。因为，当烧制温度达1 300℃时，发泡剂产生的气体量已达最大值。当烧制温度高于1 450℃时，材料发生过烧现象，反而导致耐压强度降低。因此，确定最优烧制温度为1 450℃。

图3 不同温度烧后试样的性能Fig.3 Properties of samples fired at different temperatures

2.4 不同烧制温度对物相的影响

以发泡剂（SDS）的掺量为2.5%（w）、勃姆石溶胶的掺量为5%（w），对不同烧制温度制备试样的物相组成进行分析，结果如图4所示。

图4 不同烧制温度制备试样的XRD图谱Fig.4 XRD of samples prepared at different temperatures

由图4可知，在所测的多孔陶瓷试样中均存在刚玉相，而方石英相只存在于1 350℃烧制的试样中。由于勃母石（γ-AlOOH）溶胶是γ-Al2O3的前驱体，当勃母石被加热至1 100 ℃时，γ-AlOOH 转变为γ-Al2O3。γ-Al2O3不稳定，随着温度继续升高，大部分γ-Al2O3会转化成α-Al2O3刚玉相。温度升至1 350℃时，γ-Al2O3相已全部转化为单一的α-Al2O3刚玉相。这也正是本研究选勃母石溶胶作为结合剂的原由，它前期可以起到稳定料浆的作用，热解后为单一的α-Al2O3，参与莫来石生成反应，没有任何杂质引入体系。烧制温度为1 350℃时，莫来石基本未形成。当烧制温度升至1 400℃时，体系中的α-Al2O3刚玉相与方石英相发生原位反应生成莫来石相，说明勃姆石的存在对莫来石相的生成起到一定的促进作用。烧制温度继续升高，试样中的方石英相逐渐消失。在1 450和1 500℃烧制的试样中，物相由刚玉相和莫来石相组成。

2.5 不同烧制温度对显微形貌的影响

图5为发泡剂（SDS）掺量为2.5%（w）、勃姆石溶胶掺量为5%（w）时，经1 400、1 450、1 500、1 600℃烧制后试样的SEM照片。

由图5（a）可知：当烧制温度为1 400℃时，试样表面发泡现象严重，发泡剂产生的气体量已达最大值。在表面张力作用下，高压气体逸出体系时会形成孔径较小的气孔，但发泡效果不理想。由图5（b）可知：当烧制温度为1 450℃时，粉料基质反应进行的均匀、彻底，发泡剂（SDS）发生氧化反应分解释放出气体，形成尺寸适中且分布均匀的闭气孔，此时发泡效果最为理想。当烧制温度达1 600 ℃时（见图5（d）），材料体系内的压力持续增大到极限状态，导致大部分闭孔气泡破裂，发泡孔径明显变大，此时发泡过度。