一種莫來(lái)石晶須增強(qiáng)鈣長(zhǎng)石多孔陶瓷及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種復(fù)相多孔陶瓷，特別涉及一種莫來(lái)石晶須增強(qiáng)鈣長(zhǎng)石多孔陶瓷及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]多孔陶瓷因具有低密度、低熱導(dǎo)率、較高的強(qiáng)度及優(yōu)異的高溫性能而廣泛應(yīng)用于隔熱、催化劑載體及過(guò)濾等領(lǐng)域。用作多孔陶瓷基體的材料主要包括:剛玉、莫來(lái)石、堇青石、氧化鋯、鈣長(zhǎng)石及碳化硅等。其中，鈣長(zhǎng)石具有較高的熔點(diǎn)(1550°C)、較低的密度(2.74?2.76g/cm3)、較低的熱膨脹系數(shù)(4.82X 10 6K ')和較低的熱導(dǎo)率為(3.67W/(m.K))，而被認(rèn)為是優(yōu)異隔熱候選材料。但較低的使用溫度(1260°C)與較低的強(qiáng)度限制了其應(yīng)用。
[0003]莫來(lái)石的強(qiáng)度較高且熱導(dǎo)率較低，同時(shí)熔點(diǎn)可達(dá)1850°C，使用溫度可達(dá)1700°C，特別是熱膨脹系數(shù)能與鈣長(zhǎng)石相匹配，減少了二者復(fù)合時(shí)的熱應(yīng)力。研究表明，顆粒狀莫來(lái)石增強(qiáng)鈣長(zhǎng)石復(fù)合多孔陶瓷的確具有較高的強(qiáng)度，且隨著莫來(lái)石加入量的增加強(qiáng)度增加明顯；與此同時(shí)，材料的熱導(dǎo)率隨著莫來(lái)石加入量的增加而顯著提高。無(wú)法在獲得高強(qiáng)度的同時(shí)擁有低的熱導(dǎo)率。莫來(lái)石晶須是一種優(yōu)異的補(bǔ)強(qiáng)增韌材料，莫來(lái)石晶須作為增強(qiáng)相的引入可能改變上述情況。
[0004]莫來(lái)石晶須制備有多種方法，如溶膠凝膠法、粉末煅燒法、熔鹽法等。與液其他方法相比，粉末煅燒法工藝簡(jiǎn)單，易于操控。
[0005]在已有的多孔陶瓷制備方法中，泡沫注凝法是新近開(kāi)發(fā)的一種兼具發(fā)泡法和凝膠注模法優(yōu)點(diǎn)的工藝。本研究組在專利“一種結(jié)構(gòu)可控、性能可調(diào)的鈣長(zhǎng)石多孔陶瓷及其制備方法”(申請(qǐng)?zhí)?014 I 0362715.1)中報(bào)道了采用泡沫注凝工藝制備出了結(jié)構(gòu)可控且性能可調(diào)的多孔鈣長(zhǎng)石陶瓷。
[0006]采用粉末煅燒法制備出形態(tài)優(yōu)良的莫來(lái)石晶須，再結(jié)合泡沫注凝法制備出莫來(lái)石晶須增強(qiáng)的鈣長(zhǎng)石多孔陶瓷，希望獲得同時(shí)兼具高強(qiáng)度和低熱導(dǎo)率的優(yōu)質(zhì)多孔隔熱材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]基于現(xiàn)有問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種莫來(lái)石晶須增強(qiáng)鈣長(zhǎng)石多孔陶瓷及其制備方法，通過(guò)此方法制備出的材料被證實(shí)同時(shí)具有高強(qiáng)度和低熱導(dǎo)率。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述目的:本發(fā)明選用高純度的γ-Al2O3為鋁源、S12微粉為硅源、以AlF3.3Η20為催化劑制備莫來(lái)石晶須粉體；之后以自制的晶須粉體為增強(qiáng)相、a -Al2O3粉為鋁源、S12微粉為硅源、CaCO3粉作為鈣源，采用泡沫注凝法制備莫來(lái)石晶須增強(qiáng)的鈣長(zhǎng)石多孔陶瓷。本發(fā)明開(kāi)發(fā)了粉末煅燒、泡沫注凝、微波干燥和無(wú)壓燒結(jié)相結(jié)合的制備方法。在泡沫注凝法中，采用去離子水為溶劑，丙烯酰胺(AM)為有機(jī)單體，N，N’-亞甲基雙丙烯酰胺(MBAM)為交聯(lián)劑，聚丙烯酸銨為分散劑，N，N，N’，N’ -四甲基乙二胺(TEMED)為催化劑，過(guò)硫酸銨(APS)為引發(fā)劑，十二烷基硫酸鈉為發(fā)泡劑，十二醇為穩(wěn)泡劑。該方法主要包括如下步驟:
[0009]I)制備莫來(lái)石晶須；
[0010]2)制備預(yù)混液；
[0011 ] 3)制備混合均勻的陶瓷漿料；
[0012]4)制備均勻發(fā)泡的陶瓷漿料；
[0013]5)多孔陶瓷坯體成型；
[0014]6)多孔陶瓷坯體干燥；
[0015]7)多孔陶瓷的燒結(jié)。
[0016]莫來(lái)石晶須的制備以γ-Α1203為鋁源，配料中S1jP γ-Al2O3的摩爾比為1:1.4，催化劑AlF3.3H20的加入量為混合粉體的1wt.%?；旌戏垠w以酒精為溶劑，利用滾筒球磨進(jìn)行混料24h，取出后于鼓風(fēng)干燥箱中干燥48h，對(duì)完全干燥的樣粉進(jìn)行過(guò)篩(120目)處理。之后將混合均勻的粉體自然堆積于氧化鋁坩禍中進(jìn)行煅燒。煅燒過(guò)程在馬弗爐中進(jìn)行，在120(TC保溫I小時(shí)后繼續(xù)升溫，最終煅燒溫度為1450°C，保溫6小時(shí)。升溫速度均為2°C/min。保溫結(jié)束后隨爐冷卻。制備的莫來(lái)石晶須的X射線衍射圖譜如附圖1所示，掃描電子顯微鏡照片如附圖2所示。
[0017]預(yù)混液中包含溶劑、有機(jī)單體、交聯(lián)劑和分散劑。溶劑含量隨固相含量的改變而改變，在添加晶須的混合粉體中溶劑含量為75νο1.% ο有機(jī)單體加入量由溶劑質(zhì)量決定，為溶劑加入量的1wt.%。交聯(lián)劑的加入量為有機(jī)單體加入量的1wt.%。分散劑加入量為混合粉體的0.5wt.%。制備預(yù)混液的攪拌時(shí)間為30分鐘，攪拌速度為2000轉(zhuǎn)/分鐘。
[0018]陶瓷漿料的固相含量控制在25vol.%，為了獲得純相鈣長(zhǎng)石，CaCO3, a -Al2O3和3102按照鈣長(zhǎng)石的化學(xué)計(jì)量摩爾比1:1:2配料。以不同配比的晶須含量配制晶須粉體與鈣長(zhǎng)石原料粉體混合，同時(shí)加入預(yù)混液，滴入氨水使PH值為8?10。滾筒球磨10小時(shí)以保證漿料的混合均勻。
[0019]為獲得一定的發(fā)泡體積，發(fā)泡劑的濃度控制在0.5或lg/L，穩(wěn)泡劑的加入量為發(fā)泡劑加入量的0.5wt.%。攪拌速度為3000轉(zhuǎn)/分鐘，攪拌時(shí)間為20分鐘或發(fā)泡體積增大至3倍。
[0020]引發(fā)劑加入量由單體加入量決定，而催化劑加入量由引發(fā)劑加入量及發(fā)泡體積決定。引發(fā)劑加入量為單體加入量的20wt.%，催化劑加入量為催化劑加入量的40wt.%。在發(fā)泡漿料中緩慢加入催化劑，而后再緩慢加入引發(fā)劑，加入的同時(shí)快速攪拌(攪拌速度為3000轉(zhuǎn)/分鐘)。引發(fā)劑加完后，攪拌3?5分鐘后將漿料注入模具。
[0021]注模后，模具于室溫放置，20?30分鐘后脫去模具，取出坯體。將坯體置于微波干燥器中干燥。采用循環(huán)干燥的方法，即微波作用一段時(shí)間后，靜置2?4分鐘后再次微波作用，而后循環(huán)至干燥終止。
[0022]燒結(jié)和排膠一起進(jìn)行。排膠溫度選取為600°C，保溫I小時(shí)。燒結(jié)溫度為1450°C，保溫時(shí)間為5小時(shí)。升溫速率為2°C/min。保溫結(jié)束后，隨爐自然冷卻降溫。
[0023]與現(xiàn)有莫來(lái)石晶須制備方法相比，采用本發(fā)明的方法制備的莫來(lái)石晶須純度高、長(zhǎng)徑比大且容易分散。與現(xiàn)有材料相比，采用本發(fā)明的方法制備的材料中以鈣長(zhǎng)石/莫來(lái)石相為主，另外含極少量的剛玉相存在。與現(xiàn)有的制備技術(shù)相比，本發(fā)明涉及的泡沫注凝法同時(shí)兼具凝膠注模成型和機(jī)械發(fā)泡法的優(yōu)點(diǎn):凝膠注模成型坯體均勻、生坯強(qiáng)度較高且對(duì)模具要求較低，機(jī)械發(fā)泡法制備的氣孔以球形為主、氣孔率范圍寬且能獲得更高的氣孔率。與普通干燥工藝相比，微波干燥具有效率高、均勻性高等特點(diǎn)。無(wú)壓燒結(jié)對(duì)設(shè)備要求較低，簡(jiǎn)單易操作，且可以用于燒結(jié)形狀復(fù)雜的材料。綜合而言，本發(fā)明可獲得的有益效果如下:
[0024]I)所使用的各種原料均為市場(chǎng)上的常規(guī)產(chǎn)品，原料易得。
[0025]2)采用該方法制備的莫來(lái)石晶須形貌優(yōu)良，呈細(xì)長(zhǎng)針狀，長(zhǎng)徑比可達(dá)20，物相較純無(wú)雜相。同時(shí)成品率高，按配比可進(jìn)行較大批量制備。
[0026]3)該復(fù)相多孔陶瓷的制備方法，對(duì)設(shè)備無(wú)苛刻要求，操作簡(jiǎn)便易于掌握。
[0027]4)該工藝制備的復(fù)相多孔陶瓷物理性能優(yōu)異，在顯氣孔率高達(dá)90%的情況下，材料的真空熱導(dǎo)率可與純相鈣長(zhǎng)石多孔陶瓷相仿(0.045ff/(m.K))，同時(shí)抗壓強(qiáng)度可由相近氣孔率的純相鈣長(zhǎng)石多孔陶瓷的0.27MPa增加到1.1MPa0
[0028]為使本發(fā)明更容易理解，下面詳細(xì)闡述本發(fā)明鈣長(zhǎng)石多孔陶瓷及其制備方法的具體實(shí)施案例。
【附圖說(shuō)明】
:
[0029]圖1自制莫來(lái)石晶須的典型XRD圖譜；
[0030]圖2自制莫來(lái)石晶須的典型顯微結(jié)構(gòu)照片；
[0031]圖3實(shí)例I工藝制備的典型XRD圖譜；
[0032]圖4實(shí)例I工藝制備的典型顯微結(jié)構(gòu)照片；
[0033]圖5實(shí)例2工藝制備的典型XRD圖譜；
[0034]圖6實(shí)例2工藝制備的典型顯微結(jié)構(gòu)照片。
【具體實(shí)施方式】
[0035]實(shí)施例1
[0036]本發(fā)明莫來(lái)石晶須增強(qiáng)鈣長(zhǎng)石多孔陶瓷的制備方法的一個(gè)具體實(shí)例中，所用原料為莫來(lái)石晶須粉、a -A1203、CaOVFP S1 2，純度均為分析純，配料摩爾比為1:1:2，設(shè)計(jì)莫來(lái)石晶須含量為50wt.%。詳細(xì)制備步驟如下:
[0037]I)制備預(yù)混液；
[0038]陶瓷楽料固含量為25vol.%。稱量37.5g去尚子水注入燒杯，稱量3.75g丙稀酰胺粉體加入到上述燒杯中，稱量0.38g N, N’-亞甲基雙丙烯酰胺加入上述燒杯中，稱量分散劑聚丙烯酸銨0.19g置于上述燒杯中。然后采用JJ-1型精密增力電動(dòng)攪拌器機(jī)械攪拌制備預(yù)混液，攪拌速度為2000轉(zhuǎn)/分鐘，攪拌時(shí)間約30分鐘。
[0039]2)制備混合均勻的陶瓷漿料；
[0040]首先將上述混合均勻的預(yù)混液倒入裝有一定量瑪瑙球的球磨罐中；然后分別稱量莫來(lái)石晶須粉18.97g、7.07g S12,6.0lga -Al2O3和5.89g CaCO 3倒入上述球磨罐；滴入8?10滴氨水；最后密封球磨罐并置于轉(zhuǎn)速為80轉(zhuǎn)/分