一种多孔陶瓷的制备方法与流程

本发明涉及领域一种多孔陶瓷的制备方法。

背景技术：

冶金工业产生的工业固体废物污染在世界范围内已成为一个日益严重的问题。在这些固体废物中，拜尔法浸出铝土矿生产氧化铝的副产物-赤泥和火电厂产生的粉煤灰大量积累，导致了许多环境问题，如水污染、空气污染、土壤碱化，以及人类和动物的安全和健康。在中国大约40％的粉煤灰已经能够被回收利用，在混凝土生产中作为水泥原料的补充。对于赤泥，直到现在，充填和堆垛仍是其最主要的处理手段。

近年来，大量的研究和开发工作致力于在为减少赤泥副产物的产出和增加赤泥的综合利用，包括减少排放、尽量提高利用水平和开发高价值产品。以赤泥为主要原料开发了多种新型材料，如固、液相污染物的土壤改良剂、水处理絮凝剂、回收金属(铁、铝、钛)、玻璃陶瓷和陶瓷等。显而易见，以赤泥为原料制备多孔陶瓷材料，变废为宝，也是实现赤泥高价值利用的有效途径之一。一方面，建筑行业对多孔陶瓷材料有着巨大的市场需求。多孔陶瓷的量产将明显减少可作为原料的废弃物总量，从而缓解环境问题。另一方面，多孔陶瓷是具有保温、隔音、防火、耐冻等多种功能的高附加值产品。多孔陶瓷材料的广泛应用将大大降低建筑的能耗，减少火灾的发生。淀粉是生产多孔陶瓷的常见造孔剂，在生产发泡陶瓷板时也常用碳化硅作为造孔剂剂。将淀粉和碳化硅为造孔剂，以粉煤灰和赤泥为主原料制备多孔陶瓷的研究工作，目前鲜有报道。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种多孔陶瓷制备方法，该多孔陶瓷具有更好的抗压强度、抗弯强度、耐酸性以及耐碱性。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种多孔陶瓷制备方法，包括以下步骤：

步骤一：将粉煤灰和赤泥原料在高能球磨机内球磨混合2～4小时备用，其球磨机转速设置为100～300r/min。

步骤二：使用20～40目的筛网，筛除粉煤灰和赤泥原料中的大颗粒备用。

步骤三：在备用料中加入质量分数为1％～15％的淀粉或碳化硅和3％的pva在高能球磨机内球磨混合1～2小时，其球磨机转速设置为100～200r/min。

步骤四：以1～10mpa的压力模压成型混合物；

步骤五：模压成型后样品在100～120℃的烘箱中干燥3～5小时。

步骤六：干燥后的样品在箱式电阻炉中以3～5℃/min的升温速度升至300～500℃，保温1～5小时，去除添加的有机粘合剂和固有的结构水。再升至500～1000℃，保温1～5小时，实现烧结。

本发明的有益效果是：

1、本发明制备的多孔陶瓷的孔隙率最大为63.01％，最大吸水率为9.1％。

2、本发明制备的多孔陶瓷抗压强度最大为8.5mpa，抗弯强度最大为5.8mpa。

3、本发明制备的多孔陶瓷具有良好的耐碱性(高于99.80％)和耐酸性(高于96.20％)。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。

图1为淀粉含量对样品孔隙率、密度和吸水率的影响图；

图2为淀粉含量对样品强度的影响图；

图3为淀粉含量对样品耐腐蚀性能的影响图；

图4为sic含量对样品孔隙率、密度和吸水率的影响；

图5为sic含量对样品强度的影响图；

图6为sic含量对样品耐腐蚀性能的影响。

具体实施方式

下面结合具体数据，对本发明进一步详细说明：

一、实施例使用的原材料

原材料主要为赤泥、粉煤灰，可溶性淀粉(c6h10o5)n(99.5％)和碳化硅(97.85％)。本实验使用粉煤灰和赤泥分别由合肥第二热电厂和中铝集团合肥分公司提供。可溶性淀粉和碳化硅由阿拉丁试剂公司提供。粉煤灰和赤泥的化学成分由x荧光光谱测得(xrf,rigaku,zsxprimusii)见表1。

表1.粉煤灰和赤泥的成分

二、实施例的性能表征

1、孔隙率(p)

由体积密度(ρ＝质量/样块体积)和粉末密度(ρ0，阿基米德排水法测原料粉体体积)计算总孔隙率(p)，见公式(1)：

p＝(1-ρ/ρ0)×100％(1)

2、吸水量(w)

以蒸馏水为液体介质，用浸水法测定其吸水率。样品在沸水中浸泡2小时，然后自然冷却至室温。根据干燥样品(m1)和浸渍样品(m2)的质量，通过式(2)计算样品的吸水量w：

w＝(m2-m1)/m1×100％(2)

3、弯曲强度和抗压强度

用50mm×8mm×8mm的试样，测量其弯曲强度。截取长度为10mm、截面面积为8mm×8mm的方形试样，并对其进行了抗压实验。在伺服万能材料试验机wy-5000a型力学试验机上，以1mm/min的速度对多孔陶瓷材料进行了弯曲强度和抗压强度试验。弯曲强度试验的支撑跨度为20mm。每个结果是通过计算五个测量值的平均值得到。

4、耐酸、耐碱性能

采用浸渍法对大块多孔陶瓷的耐酸、耐碱性能进行了测定，其公式如下：

rac＝mac/m0(3)

ral＝mal/m0(4)

其中rac、ral分别为泡沫体陶瓷的耐酸、耐碱性能；mac和m0分别为0.01mol/l盐酸浸泡前后的样品质量，mal和m0分别为0.01mol/l氢氧化钠溶液浸泡前后的样品质量。

三、具体实施例1

1、样品制备

实例例中样品按如下步骤制备：

步骤一：将粉煤灰和赤泥原料(质量比6:4)在高能球磨机内球磨混合4小时备用，其球磨机转速设置为300r/min。

步骤二：使用40目的筛网，筛除粉煤灰和赤泥原料中的大颗粒备用。

步骤三：在备用料中加入质量分数为1％、3％、5％、10％、15％的淀粉和3％的pva在高能球磨机内球磨混合1小时，其球磨机转速设置为100r/min。

步骤四：以8mpa的压力模压成型混合物，制成圆片样品(直径30mm)和条形样品50mm×8mm×8mm。

步骤五：模压成型后样品在120℃的烘箱中干燥5小时。

步骤六：干燥后的样品在箱式电阻炉中以5℃/min的升温速度升至500℃，保温1小时，去除添加的有机粘合剂和固有的结构水，再升至1000℃，保温2小时，实现烧结。

2、淀粉含量对多孔陶瓷性能的影响

淀粉含量与孔隙率、密度、吸水率性能的关系如图1所示。从图1可以看出，随着淀粉含量从1％增加到15％，孔隙率从40.82％增加到60.76％。同时，相对于孔隙率的变化，密度的变化趋势相反。随着淀粉添加量的增加，密度从0.81g/cm³下降到0.59g/cm³。当烧结温度升高时，淀粉碳化燃烧，不含水分。剩余的碳与来自空气的o2反应生成co2。淀粉反应产生的气体在烧结样品中被液相包裹，导致烧结样品中形成闭合孔洞。

显然，孔隙率的增加是导致多孔陶瓷材料吸水率增加的主要原因。随着孔隙率的增大，样品的吸水率从5.5％提高到9.0％。吸水率的变化是多孔材料在实际使用中的一个重要性质，由于样品的化学成分相似，吸水率的变化应与孔隙率直接相关，特别是与多孔陶瓷的开孔数相关。

此外，试样的孔隙率的增加导致抗折强度和抗压强度降低，抗压强度从6.0mpa降低到4.2mpa，抗弯强度从3.8mpa降低到2.3mpa，如图2所示。这很容易理解，单位体积孔隙数的增加意味着样品在弯曲或压缩载荷作用下实际承载面积的减少，故抗压强度和弯折轻度下降。

图3列出了以淀粉为造孔剂的烧结样品的耐酸/碱性能。所有样品均具有良好的耐碱性(高于99.85％)和耐酸性(高于98.20％)。与耐碱性相比，耐酸性较差这应归因于样品中碱金属和碱土金属含量较高。

四、具体实施例2

1、样品制备

实例例中样品按如下步骤制备：

步骤一：将粉煤灰和赤泥原料(质量比6:4)在高能球磨机内球磨混合4小时备用，其球磨机转速设置为300r/min。

步骤二：使用40目的筛网，筛除粉煤灰和赤泥原料中的大颗粒备用。

步骤三：在备用料中加入质量分数为1％、3％、5％、10％、15％的碳化硅和3％的pva在高能球磨机内球磨混合1小时，其球磨机转速设置为100r/min。

步骤四：以8mpa的压力模压成型混合物，制成圆片样品(直径30mm)和条形样品50mm×8mm×8mm。

步骤五：模压成型后样品在120℃的烘箱中干燥5小时。

步骤六：干燥后的样品在箱式电阻炉中以5℃/min的升温速度升至500℃，保温1小时，去除添加的有机粘合剂和固有的结构水。再升至1000℃，保温2h，实现烧结。

2、碳化硅含量对多孔陶瓷性能的影响

添加sic的烧结试样的样品类似规律性变化趋势如图4所示。随着sic添加量从1％增加到15％，孔隙率从45.87％增加到63.01％，密度从0.96g/cm3下降到0.79g/cm3，吸水率由3.16％升至9.17％。

样品强度如图5所示，抗弯强度由5.82mpa降至3.20mpa，抗压强度由8.58mpa降至6.25mpa。以sic为造孔剂的试样，其抗弯强度和抗压强度均高于淀粉添加发泡试样，这可能是由于样品的孔隙结构不同造成的。

图6显示了以sic为造孔剂的烧结样品的耐酸/碱性能。所有样品均具有良好的耐碱性(高于99.80％)和耐酸性(高于96.20％)。与淀粉造孔剂相比，耐酸性较差，这应归因于sic样品高的孔隙率带来的更大的反应面积。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。