多孔麥飯石陶瓷的制備與性能研究

王佳寧，王超會

多孔麥飯石陶瓷的制備與性能研究

王佳寧，王超會

（齊齊哈爾大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

以麥飯石和鉀長石為原材料，PVA為粘結(jié)劑，聚乙二醇為分散劑，聚乙烯海綿為載體，采用有機(jī)泡沫浸漬工藝，反復(fù)浸漬并擠出多余漿料，自然干燥和機(jī)器烘干的方法，制備了多孔麥飯石陶瓷．利用XRD，SEM等手段研究了燒結(jié)制品的晶相組成及顯微結(jié)構(gòu)，同時還對麥飯石陶瓷的孔隙率、強(qiáng)度等力學(xué)性能進(jìn)行了測試．結(jié)果表明，當(dāng)燒成溫度為1 150 ℃，保溫時間為2 h時，其強(qiáng)度、氣孔率都較佳．

麥飯石；有機(jī)泡沫浸漬法；氣孔率；強(qiáng)度

隨著社會和科技的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)對水質(zhì)的污染越來越嚴(yán)重，因此開始利用各種方法改善水質(zhì)．但目前應(yīng)用的大多數(shù)方法會使水中的礦物質(zhì)微量元素大大減少，長期飲用這種純凈水，會對人體造成損害．麥飯石是由原巖經(jīng)侵蝕、風(fēng)化作用而形成的具有活性的礦物，由斜長石、石英、白云母、高嶺石等多種礦復(fù)合而成，結(jié)構(gòu)疏松，有層狀、脈狀和透鏡狀等形態(tài)，是自然界的一種非金屬礦．我國麥飯石資源儲量豐富，遍布全國各地，黑龍江碾子山、天津薊縣、山東青島和泰安、遼寧阜新、陜西戶縣等地均具有大量礦藏．麥飯石所含的常量元素有K，Na，Ca，Mg等，稀土元素有La，Ce，Pr，Nd，Eu，Sm，Gd等，微量元素有Ga，Ge，Se，Sr，Li，V，Zn，Cr，Ni，Nb，Ta等[1-3]，這些元素可以溶解在水質(zhì)環(huán)境中被人體吸收，促進(jìn)人體新陳代謝，減緩衰老，提高免疫力．天然麥飯石在水質(zhì)環(huán)境中具有吸附性、離子交換等特點(diǎn)，并且具有溶出性、礦化性[4]．麥飯石除了可以吸附水中的雜質(zhì)離子外，還可以調(diào)節(jié)水的酸堿度，這是因?yàn)辂滐埵泻屑s10%的Al2O3，Al是兩性元素，在偏酸性的水中以顯堿性的[Al（OH）]2+存在，在偏堿性的水中以顯酸性的[Al（OH）3O]-存在，所以能平衡水質(zhì)的酸堿度，使水呈中性，而且Si也是兩性元素，對調(diào)節(jié)酸堿度、改善水質(zhì)也有一定的幫助[5]．但麥飯石的狀態(tài)為巖石狀，如果將麥飯石直接放入水中，由于長期在水中浸泡，其表面極易滋生細(xì)菌和浮游生物，從而影響水的質(zhì)量[6]，并不能起到預(yù)期的效果．而且，麥飯石對水的礦化作用與麥飯石的粒度大小有關(guān)，粒子越小，微量元素越容易在水中溶出，礦化效果越好．為了提高麥飯石在水中的吸附性和礦化性，利用其制成多孔麥飯石陶瓷材料．本文采用有機(jī)泡沫浸漬法制備多孔麥飯石陶瓷，進(jìn)而研究陶瓷的各種物理性能變化．使用麥飯石制成的陶瓷具有高氣孔率、強(qiáng)度好、耐高溫等優(yōu)良性能，可用于過濾及催化劑載體等．

1　實(shí)驗(yàn)方法

以麥飯石原粉和鉀長石原粉為原料，焦磷酸鈉、PVA、磷酸三丁酯為添加劑制備漿料，采用聚乙烯海綿做泡沫體，去除泡沫之間原有的孔膜和壁膜[7]，并對泡沫體進(jìn)行水解和改性處理，然后開始浸漬，浸漬后的泡沫體在室溫下干燥養(yǎng)護(hù)24 h，然后在干燥箱中70 ℃干燥24 h，將干燥后的坯體燒制，最終得到多孔麥飯石陶瓷．用阿基米德法測定陶瓷的氣孔率，采用TG/DTA-6200型熱分析儀（德國耐馳公司）對多孔麥飯石陶瓷進(jìn)行熱分析，采用X′Pert-PRO MPD全自動X射線衍射儀（荷蘭帕納科公司）對樣品進(jìn)行晶相分析，采用S-4700型掃描電鏡（日本日立公司）觀測陶瓷的形貌．

2　結(jié)果與討論

2.1　海綿泡沫體的TG-DTA分析

聚合物受熱后，化學(xué)鏈?zhǔn)艿狡茐陌l(fā)生斷裂，從而使聚合物發(fā)生解聚反應(yīng)，產(chǎn)生氣體、聚合物殘?jiān)退槠＞d泡沫體的TG-DTA曲線見圖1．由圖1可見，海綿體在300，390 ℃左右出現(xiàn)2個明顯的放熱峰，說明海綿泡沫體在300 ℃已開始分解，產(chǎn)生大量熱量．340 ℃出現(xiàn)較小的放熱峰．420 ℃以后不再有變化，放熱結(jié)束．由TG曲線可以看出，海綿泡沫體從200 ℃開始失重，200~240 ℃之間失重較緩慢，240~400 ℃失重明顯加快，失重速度達(dá)到最大，400 ℃之后，質(zhì)量變化趨于平穩(wěn)，說明400 ℃左右海綿泡沫體已經(jīng)完全分解．

圖1　海綿泡沫體的TG-DTA曲線

海綿泡沫體在氧化分解過程中會產(chǎn)生大量氣體，這些氣體在逸出過程中對陶瓷坯體產(chǎn)生應(yīng)力，從而導(dǎo)致坯體破壞乃至塌陷[8]．因此，200~400 ℃范圍內(nèi)應(yīng)緩慢升溫，保證海綿泡沫體在分解過程中不導(dǎo)致坯體的破壞．所以室溫200~400 ℃范圍內(nèi)以3~4 ℃/min的速率緩慢升溫，400 ~500 ℃范圍內(nèi)以5℃/min的速率升溫，500~1 150 ℃范圍內(nèi)以7 ℃/min的速率升溫，最終在1 150 ℃保溫煅燒2 h，以使陶瓷制品獲得足夠的強(qiáng)度．

2.2　XRD對燒結(jié)前后粉體的物相分析

組成麥飯石的主要礦物有石英、長石、白云母等．麥飯石陶瓷燒結(jié)前后的XRD圖譜見圖2．由圖2可見，該圖譜中存在多個衍射峰，與對應(yīng)晶相衍射峰一致，這些衍射峰尖銳，說明麥飯石結(jié)晶度好，晶體結(jié)構(gòu)完整[9]．對比觀察1 150 ℃燒結(jié)前后的XRD譜圖可知，燒結(jié)前后晶型發(fā)生轉(zhuǎn)變，石英在1 150 ℃時轉(zhuǎn)變?yōu)轺[石英，且轉(zhuǎn)變后體積膨脹約16%左右．自然界中，各種礦石所含的石英一般均為低溫石英，高溫石英較少，鱗石英則更少．燒結(jié)后得到的鱗石英具有特殊的結(jié)構(gòu)，它的矛頭雙晶互相交錯，形成結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)，能獲得堅(jiān)硬的骨架，同時它不易溶于液相，使制得的多孔麥飯石陶瓷不因液相的出現(xiàn)而發(fā)生變形，增加了陶瓷的強(qiáng)度．

圖2　多孔麥飯石陶瓷XRD圖譜

2.3　多孔麥飯石陶瓷的孔徑和孔徑分布

天然麥飯石的SEM圖見圖3a，由圖3a可見，天然生長的麥飯石表面無明顯的孔隙，導(dǎo)致其在水中的吸附性并不是很好．燒結(jié)后的多孔麥飯石陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)見圖3b和圖3c．由圖3b和圖3c可見，試樣中的氣孔大多數(shù)呈圓形，且分布較均勻，所占比例很大，使陶瓷具有很大的比表面積和很好的吸附性．而且微孔也很發(fā)達(dá)，以三維交錯的網(wǎng)狀孔道貫穿其中．陶瓷孔徑尺寸大致可分為2個系列：一部分為接近毫米級孔徑，約0.3~1 mm，肉眼可見（見圖3b）；另一部分為微米級孔徑，大約分布在1~100 μm之間．這2種孔徑皆是由海綿泡沫體氧化揮發(fā)和致孔劑炭化后留下的（也有部分是顆粒堆積形成的），而致使孔徑大小不一的原因是泡沫浸漬過程中漿料分布不均，但不同的孔徑可以較好地形成孔徑梯度分布，相對于孔隙很小甚至無孔隙的天然麥飯石而言更有利于生產(chǎn)使用[10]．

圖3　不同孔徑系列的多孔麥飯石陶瓷斷面SEM圖

2.4　陶瓷強(qiáng)度

陶瓷強(qiáng)度與燒成溫度的關(guān)系見表1．由表1可見，隨著燒成溫度的升高，多孔陶瓷的強(qiáng)度增加，造成這種現(xiàn)象的根本原因與陶瓷的氣孔率有關(guān)．因?yàn)殁涢L石約在1 150 ℃附近開始熔融，所以在1 100 ℃的燒成溫度下結(jié)合劑處于固體狀態(tài)，只在鉀長石與麥飯石接觸的部分區(qū)域出現(xiàn)液相，陶瓷體內(nèi)不存在晶界玻璃相的粘性流動，有機(jī)泡沫體氧化揮發(fā)氣體沿坯體內(nèi)殘留氣孔通道向表面擴(kuò)散，形成較多的開口氣孔．此溫度下的坯體不致密，易形成貫通氣孔，表現(xiàn)出較高的氣孔率，骨料顆粒沒有粘結(jié)在一起，在坯體內(nèi)呈現(xiàn)分散狀態(tài)，所以強(qiáng)度較低．此時陶瓷氣孔率為74.49%，而強(qiáng)度只有1.35 MPa．當(dāng)溫度升高到1 150 ℃時，陶瓷結(jié)合劑熔融，坯體內(nèi)出現(xiàn)晶界玻璃相的粘性流動，填充了部分氣孔通道，閉口氣孔增加，顯氣孔減少，降低了氣孔率[11]．此時陶瓷的氣孔率降低到43.71%，強(qiáng)度增加到10.36 MPa．

表1　不同燒成溫度下麥飯石陶瓷的顯氣孔率和坯體密度及陶瓷強(qiáng)度的變化

隨著氣孔率的下降，麥飯石陶瓷抗壓強(qiáng)度增加．這是因?yàn)殡S著氣孔率的增加，陶瓷材料承受載荷的橫截面積減小，所以會使抗壓強(qiáng)度下降．由此可以推論出：煅燒溫度越高，氣孔率越低，相應(yīng)的陶瓷強(qiáng)度隨之增大．

3　結(jié)論

（1）多孔麥飯石陶瓷中大量的氣孔使陶瓷具有優(yōu)良的吸附性，且浸漬過程中漿料的分布不均勻造成孔徑尺寸不均勻．

（2）麥飯石陶瓷的強(qiáng)度隨著氣孔率的降低而相應(yīng)增大，而氣孔率隨燒成溫度的升高而降低，所以陶瓷強(qiáng)度隨燒成溫度的升高而增大．燒成溫度對陶瓷的強(qiáng)度和氣孔率都有直接影響．

本文采用有機(jī)浸漬法制備了多孔麥飯石陶瓷．最終確定燒成溫度為1 150 ℃，室溫~400 ℃范圍的升溫速率為3~4 ℃/min，400 ~500 ℃范圍的升溫速率為5℃/min，500~1 150 ℃范圍的升溫速率為7 ℃/min，保溫時間為2 h．由XRD圖譜可見，麥飯石復(fù)合礦物主要由石英、長石、白云母等構(gòu)成，并且燒結(jié)前后晶型發(fā)生變化．制備的陶瓷呈現(xiàn)不同的孔徑梯度分布，孔徑是強(qiáng)度變化的根本原因，當(dāng)燒成溫度為1 150 ℃時，氣孔率適中，強(qiáng)度最高．

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Study on preparation and properties of porous maerfan stone ceramics

WANG Jianing，WANG Chaohui

（School of Materials Science and Engineering，Qiqihar University，Qiqihar 161006，China）

Using maerfan stone and potassium feldspar as raw materials，PVA as the binder，polyethylene glycol as dispersant，polyethylene sponge as the carrier，using organic foam impregnation process，the excess slurry is repeatedly impregnated and extruded，natural drying and machine drying were used to prepare maerfan stone ceramics for improving water quality．The crystal phase composition and microstructure of the sintered product were studied by means of XRD and SEM．And the mechanical properties such as porosity and strength of maifanite ceramics were also tested．The results show that the strength and porosity are better when the firing temperature is 1 150 ℃ and the holding time is 2 h．

maerfan stone；organic foam impregnation method；porosity；strength

TQ11

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2020.09.007

1007-9831（2020）09-0029-04

2020-04-11

黑龍江省教育廳基本科研項(xiàng)目（135309512）

王佳寧（1996-），女，黑龍江齊齊哈爾人，在讀碩士研究生，從事材料加工工程研究．E-mail：w155qiqijn@126.com

王超會（1980-），男，黑龍江伊春人，教授，博士，從事多孔陶瓷及材料表面工程研究．E-mail：wch800209@126.com