造孔劑種類對粉煤灰多孔陶瓷性能的影響研究

1、2011 NO. 2粉 煤 灰 綜 合 利 用FLY AS H COMPREHENSIVE UTILIZATI ON專 題 研 究造孔劑種類對粉煤灰多孔陶瓷性能的影響研究Research on th e E ffec t of Pore form i ng Agen t on Proper ties of Fly Ash Porou s Cera m ics付春偉 , 劉立強 , 于平坤 , 張國瑩 , 張淑國(山東建筑大學材料科學與工程學院 , 濟南 250101摘 要 :以工業(yè)廢棄物粉煤灰為主要原料 , 采用添加造孔劑法 , 分 別以淀粉和 煤粉為造 孔劑 , 模壓成型 , 在 1000

2、固 相燒結(jié)制備粉煤灰多孔 陶瓷 , 用 SE M 測試分析手段表征不 同條件下 粉煤灰 多孔陶瓷 的微觀 結(jié)構(gòu)變 化 , 研 究了造 孔劑種 類及用量對顯氣孔率、 抗彎強度、 吸水率、 體積密度、 耐酸堿性能的影響。 關鍵詞 :粉煤灰 ; 多孔陶瓷 ; 造孔劑 ; 結(jié) 構(gòu)與性能中圖分類號 :X 773 文獻標識碼 :A 文章編號 :1005 8249(2011 02 0012 05Fu Chunw e, i L i u L i q i ang , Y u P i ngkun , Zhang G uoy i ng , Zhang ShuguoAbstrac t :Fl y ash porous

3、cera m i cs are prepared from w aste fl y as h by addi ng pore for m i ng agent and mo l d i ng comp ress i on at 1000s i n t eri ng te mp erature . Coal po w ders and starch are u sed as pore for m i ng m ateri als . U si ng SEM testi ng m et hod the m icrostru cture change of fly as h porous cera

4、m ics under d i ff eren t cond i ti on s are c h aracteriz ed . The affects of t h e pore type and dosage on apparen t porosity , b end i ng strengt h , w ater ab s orp ti on , bu l k dens it y and aci d properti es are st udyed .K ey word s :fly as h, porous cera m ics , pore f or m i ng agen t , s

5、 tructure and prop erties收稿日期 :2011 02 09多孔陶瓷是一種含有較多孔洞的材料 , 它利用材 料中孔洞的結(jié)構(gòu)和大的比表面積 , 結(jié)合材料本身的材 質(zhì) , 來達到所需要的熱、 電、 磁、 光等物理及化學性能 , 可用作過濾、 分離、 分散、 滲透、 隔熱、 換熱、 吸聲、 隔音 ,吸附、 載體、 反應、 傳感以及生物等用途的材料 1。 隨著社會的發(fā)展 , 多孔陶瓷材料的作用日益突出 , 應用領域不斷擴大 , 特別是在環(huán)保和節(jié)能領域已獲得 了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益 , 然而商業(yè)化的多孔陶 瓷主要以高純度的 S i O 2、 A l 2O 3、 S i C 、

6、莫來石等為主要 原料 , 這些材料價格相對較高 , 且制備工藝復雜 , 限制 了多孔陶瓷在許多方面的推廣和應用。利用固體廢棄物粉煤灰制備多孔陶瓷的研究已有報道 , 1998年陳冀宇 2用粉煤灰、 火山灰、 碳粉等原料在 非氧化氣氛下燒結(jié)制備泡沫陶瓷 , 燒結(jié)溫度在 1000 1300 之間 , 粉煤灰摻量在 5%40%之間 , 抗折強度為 2. 47. 2MPa , 表觀密度為 0. 30. 7g /cm 3, 抗散裂特性良好。 2000年何涌 3以粉煤灰為原料制備多孔材料 , 孔隙率為 36%61%, 該材料可作為一種消音和隔熱材 料用于高速公路和城鄉(xiāng)建設 , 從而大量消耗粉煤灰以達到保護環(huán)

7、境的目的。 2006年任祥軍4以粉煤灰為主要原料 , 采用模壓成型和擠壓成型工藝 , 燒結(jié)制備多孔陶 瓷過濾膜 , 當造孔劑添加量 20%、 燒成溫度 1250 時 , 樣品的孔隙率為 51. 2%, 抗折強度達 64MPa , 可以滿足 高溫氣 固 分離過濾介質(zhì)的要求。宋超5采用反應結(jié)合技術 , 以粉煤灰、 碳酸鈣、 金屬鋁粉等原材料 , 在造孔劑 添加量為 10%, 1300 燒結(jié)溫度下制備了抗壓強度為56. 676. 3MPa , 孔徑 80mm 150n m 左右的多孔陶瓷。 2008年熊林6以粉煤灰、 膨潤土、 PA 試劑、 氣煤為原料制備粉煤灰多孔陶瓷 , 當造孔劑用量 35%,

8、成型壓力 10. 2MPa , 燒成溫度 1180 , 保溫時間為 60m i n 時制得 了抗折強度 9. 37M Pa , 氣孔率 41. 52%, 吸水率 36. 38%, 體積密度 1. 14g /cm 3, 耐酸值 96. 15%, 耐堿值 94. 77%, 熱振性能達到 900 的粉煤灰基多孔陶瓷。上述文章以粉煤灰為主要原料 , 采用添加造孔劑 法制備粉煤灰多孔陶瓷 , 對粉煤灰的利用有積極的促 進作用 , 但并未對造孔劑的種類對多孔陶瓷的性能影 響進行深入研究 , 本文分別用淀粉和煤粉作為造孔劑 制備粉煤灰多孔陶瓷 , 并對其相關性能進行比較分析 , 為造孔劑的選擇和相關的研究提

9、供依據(jù)。粉 煤 灰 綜 合 利 用FLY ASH COMPREHENSIVE UTILIZATI ON2011 NO. 2專 題 研 究1 原材料 、 試驗方案1. 1 原材料本試驗所用的原料有粉煤灰、 膨潤土 (粘結(jié)劑 、 淀粉、 煤粉 , 粉煤灰取自山東建筑大學動力中心 , 其化 學組成如表 1。表 1 粉煤灰化學組成S i O 2A l 2O 3C a O Fe 2O 3LO I 50. 0826. 2415. 216. 062. 411. 2 試驗方案的確定本試驗采用添加造孔劑法制備粉煤灰多孔陶瓷 , 原理是利用造孔劑在坯體中占據(jù)一定的空間 , 經(jīng)過燒 結(jié) , 造孔劑發(fā)生反應變成氣體逸

10、出 , 使其占據(jù)的體積成為氣孔。不同的造孔劑反應的溫度和時間各不相同 , 故要對造孔劑在燒結(jié)過程中的變化進行研究 , 以便制 定合適的升溫制度。本文對淀粉和煤粉進行了差熱和 熱重分析 , 結(jié)果如圖 1。 (a 淀粉的DTA -TG分析圖 (b 煤粉的 DTA-TG 分析圖 圖 1 造孔劑的 DTA 分析圖從圖 1(a 可以看出 , 在 300 時淀粉的 DTA 曲線 有明顯的吸熱峰 , 峰形尖銳 , 說明反應劇烈 , 放出大量的熱。此時從 TG 曲線上可以看出 , 淀 粉的重量幾乎 呈直線下降 , 說明此時淀粉分解。當溫度升高時反應 繼續(xù)進行 , 在 340 和 480 有兩個放熱峰 , 此時

11、發(fā)生 放熱反應 , 即淀粉分解生成的碳發(fā)生燃燒 , 其峰行較平 穩(wěn) , 放熱相對緩和 , TG 曲線表明物質(zhì)重量不斷減少 , 說 明淀粉分解生成的炭逐漸燃燒變?yōu)槎趸坚尫?。圖 中 DTA 和 TG 曲線表明 , 造孔劑在 500 左右反應完 畢。由圖 1(b 可以看出 , 煤粉在 340 537 有明 顯的放熱峰 , 煤粉燃燒發(fā)生放熱反應 , 其中在 449 峰 行尖銳 , 說 明碳燃燒 劇烈、 速度 快。從 TG 曲線上 看 出 , 在此溫度上失重最為明顯 , 在 550 以后重量變化 很小 , 反應基本完成。為了使造孔劑能充分反應 , 在淀粉和煤粉的吸熱 和放熱區(qū)間需要緩慢加熱 , 本文

12、根據(jù)淀粉和煤粉吸熱 放熱區(qū)間的不同 , 采用了不同的燒結(jié)制度如圖 2。(a淀粉造孔劑燒結(jié)制度曲線(b 煤粉造孔劑燒結(jié)制度曲線圖 2 粉煤灰多孔陶瓷燒結(jié)制度曲線2011 NO. 2粉 煤 灰 綜 合 利 用FLY AS H COMPREHENSIVE UTILIZATI ON專 題 研 究1. 3試驗流程 圖 3 粉煤灰多孔陶瓷制備試樣流程圖(1 配料 :將粉煤 灰、 膨潤土、 淀粉 或煤粉按一定 比例混合配料。 (2 混勻 :將配料用 KXM Y I SP L 行 星式球磨機干法球磨 2h , 料球比為 1:2。 (3 成型 :將 混合均勻的配料加入一定量的水 , 在 F W 4A 型壓片機

13、上壓制成型 , 成型壓力為 30M Pa 。 (4 干燥 :將壓制成 型的試樣在合適的溫度和濕度下放置一段時間。 (5 燒結(jié) :將試樣放入 SX3 6 17型快速升溫爐 , 按圖 2的 燒結(jié)制度進行燒結(jié)。 2 結(jié)果與討論 2. 1 微觀結(jié)構(gòu)分析用 J M S 5600LV 型掃描電鏡 (SE M 觀察多孔陶瓷 試樣的斷口形貌 , 對試樣的處理方法為 :將試樣 (造孔 劑含量 30% 用蒸餾水清洗 , 烘干 , 對表面進行噴金處 理。結(jié)果如圖 4和圖 5。 圖 4 多孔陶瓷試樣斷口 SEM 圖片50 圖 5 多孔陶瓷試樣斷口 SEM 圖片 500由圖 4可看出 , 以淀粉和煤粉為造孔劑制備的多

14、孔陶瓷 , 微孔發(fā)達 , 遍布試樣表面 , 具有很高的比表面 積 , 氣孔與氣孔之間的整體連通性比較強 , 進一步放大至 500倍 , 在圖 5中可以看出微孔分布不規(guī)則 , 以三維交錯的網(wǎng)狀孔道貫穿其中 , 孔徑大小從 0. 5 m 70 m 呈梯度分布 , 許多小孔分布在大孔上使大孔之間連通。 比較兩種造孔劑形成的孔隙 , 以煤粉制備的多孔 陶瓷其孔徑大都大于淀粉的 , 這是由于淀粉粒度小且 粒徑分布均勻 , 而煤粉粒度大且粒徑分布不均 , 相同質(zhì) 量的造孔劑 , 淀粉的體積分數(shù)多于煤粉 , 故形成的孔徑 小于煤粉。 2. 2造孔劑含量與顯氣孔率的關系圖 6 造孔劑含量與顯氣孔率的關系采用

15、GB /T1966 1996煮沸法測定多孔陶瓷的顯 氣孔率。當造孔劑添加量為零時 , 試樣仍有一定的氣 孔率 , 這是因為粉煤灰本身具有一定的孔隙 , 且燒結(jié)時 還可以通過本身顆粒的堆積以及本身未反應完全的炭 燃燒來形成氣孔。隨著造孔劑含量的提高 , 多孔陶瓷的氣孔率逐漸 增大 , 如圖 6所示。造孔劑在燒結(jié)過程中 , 在高溫時燃 盡 , 留下空隙 , 形成孔道。隨著造孔劑含量的提高 , 其 燃燼后留在坯體中的空隙總體積也增加 , 使氣孔率提 高。顯氣孔率和造孔劑含量 之間存在很好的 線性關 系 , 且與造孔劑的種類無關。當造孔劑含量相同時 , 以淀粉為造孔劑制備的多 孔陶瓷其顯氣孔率稍高于煤

16、粉的。決定顯氣孔率的因 素是孔隙間的連通程度 , 孔隙之間連通程度越高 , 與外 界相通的孔隙就越多 , 顯氣孔率也就越大。由圖 6可以看出 , 以煤粉為造孔劑制備的多孔陶瓷孔隙連通性 差于淀粉的 , 故顯氣孔率比以淀粉為造孔劑制備的多 孔陶瓷的差。專 題 研 究2. 3 顯氣孔率與抗彎強度的關系使用萬能實驗機用三點彎曲法測定多孔陶瓷的抗 彎強度 (GB /T1965 1996, 做顯氣孔率與抗彎強度的 關系曲線如圖 7。由圖 7可看到 , 多孔陶瓷的抗彎強 度隨顯氣孔率的增加而逐漸降低。由于多孔陶瓷材料 的斷裂源主要來自孔隙 , 氣孔的存在明顯的降低了載 荷作用的橫截面積 , 在一定負荷作用

17、下 , 氣孔率不斷增 大時 , 固體材料上承擔的應力就越 大 , 越容易 發(fā)生斷 裂 ,因此抗彎強度隨顯氣孔率的上升而下降。 圖 7 顯氣孔率與抗彎強度的關系根據(jù) R. W. R ice 7對多孔陶瓷強度的分析 , 抗彎 強度與氣孔率之間呈現(xiàn)一種指數(shù)規(guī)律 , 其函數(shù)關系可以通過公式 (1 來描述 := 0e bp(1其中 0是氣孔率為零時的材料強度 , b 是一個與 多孔陶瓷孔結(jié)構(gòu)和組成有關的常數(shù)。將圖 7中的測試 數(shù)據(jù)按上述公式進行非線性擬合 , 分別得到淀粉和煤 粉做造孔劑時的擬合公式 (2 、 (3 。淀粉 : =54. 60e 0. 047p (2 煤粉 : =40. 18e0. 03

18、2p (3根據(jù)上述擬合公式我們可以對粉煤灰基多孔陶瓷 在一定氣孔范圍內(nèi)的強度進行預測 , 反過來 , 也可以根 據(jù)應用環(huán)境對多孔陶瓷強度的要求 , 選擇合適的氣孔 范圍。2. 4 造孔劑含量與吸水率 、 體積密度 、 耐酸堿性的關系采用 GB /T1966 1996煮沸法測定多孔陶瓷的體 積密度、 吸水率 , 采用 GB /T1970 1996煮沸法測定多 孔陶瓷的耐酸、 耐堿腐蝕性能 , 做以淀粉和煤粉為造孔 劑時 , 所制得粉煤灰多孔陶瓷的性能結(jié)果如表 2、 3。多孔陶瓷具有吸水性主要 是由于內(nèi)部的 孔隙結(jié)構(gòu)。多孔陶瓷的顆粒表面及內(nèi)部有分布均勻的孔隙結(jié) 構(gòu) , 這些孔隙結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生類似毛孔的

19、效應 , 有一定的吸 水性 , 故多孔陶瓷氣孔率越高 , 吸水性越強。由表 2和 表 3可以看出 , 隨著造孔劑含量的提高 , 多孔陶瓷的吸 水率不斷增加 , 變化趨勢與顯氣孔率隨造孔劑含量改 變的變化趨勢相同。多孔陶瓷的體積密度隨著造孔劑用量的提高而減 小 , 這是因為造孔劑含量的提高使多孔陶瓷孔隙增多 , 從而使體積密度下降 , 變化趨勢與顯氣孔率隨造孔劑 含量改變的變化趨勢相反。隨著造孔劑用量的提高 , 陶瓷孔隙逐漸增多 , 多孔 陶瓷的耐酸堿性逐漸減小 , 其中耐堿性要好于耐酸性。表 2 不同含量造孔劑 (淀粉 的性能結(jié)果造孔劑含量/%吸水率 /%體積密度 /g/cm 3耐酸性 /%耐

20、堿性 /%1027. 301. 2696. 9397. 082030. 561. 1695. 9495. 973043. 020. 9793. 7694. 524049. 250. 9293. 2094. 02表 3 不同含量造孔劑 (煤粉 的性能結(jié)果造孔劑含量/%吸水率 /%體積密度 /g/cm 3耐酸性 /%耐堿性 /%1025. 971. 3197. 0297. 242031. 721. 1495. 8496. 123040. 281. 0394. 0295. 134042. 450. 9693. 6994. 423 結(jié)語(1 以淀粉和煤粉為造孔劑制備的多孔陶瓷微孔 發(fā)達 , 整體連通性

21、強 , 孔徑大小從 0. 5 m 70 m 呈梯度分布 , 以煤粉為造孔劑制備的多孔陶瓷的孔徑較淀 粉的大。(2 隨著造孔劑用量的提高 , 顯氣 孔率和吸水率 呈線性增大 , 體積密度、 耐酸堿性呈線性降低 , 造孔劑 含量相同時 , 陶瓷耐堿性高于耐酸性 , 淀粉為造孔劑制 備的多孔陶瓷的顯氣孔率高于煤粉的。(3 制備的多孔陶瓷抗彎強度與氣孔率之間呈現(xiàn) 指數(shù)衰減規(guī)律。(下轉(zhuǎn)第 19頁 試 驗 與 應 用將表 6中的數(shù)據(jù)和 GB175 2007中 " 普通 硅酸鹽 水泥 " 和 " 其它硅酸鹽水泥 " 強度等級要求值比較 , 當 再生粉料 1摻量為 10

22、%時 , 水泥的強度仍然可以達到 普通硅酸鹽水泥 42. 5強度等級的要求 , 再生粉料 1摻 量達到 25%時 , 水泥的強度可以達到其它硅酸鹽水泥 32. 5強度等級的要求 ; 如果摻入再生粉料 2, 則摻量為 25%時 , 其水泥的強度滿足其它硅酸鹽水泥 32. 5強度 等級的要求?？傊?, 可以將在生粉料作為非活性混合材料摻入 水泥中 , 摻入試驗研究的最大摻量 , 即 25%時 , 仍然可 使水泥的強度滿足 32. 5強度等級的要求。3 結(jié)論(1 從再生細骨料中篩出的再生粉料顆粒細度接 近甚至超過水泥的細度 , 但是由于其顆粒級配較差 , 使 其標準稠度用水量較高。(2 將再生粉料摻

23、入水泥中以后 , 會使水泥的標 準稠度用水量增大 , 但不會影響水泥的凝結(jié)時間和安 定性。(3 由于再生粉料活性非常差 , 所 以可將其作為 惰性混合材料使用。將其摻入水泥中后 , 使水泥的強 度下降。(4 當再生粉料 1摻量為 10%時 , 水泥的強度仍 然滿足普通水泥 42. 5強度等級的要求 ; 兩種再生粉料 摻量為 25%時 , 配制水泥的強度可以達到其它硅酸鹽 水泥 32. 5強度等級的要求。參 考 文 獻1 趙俊 , 建筑垃圾的減量化與資源化 J .粉煤灰 . 2001, 2:36 2 吳賢國等 , 建筑施工廢料 的數(shù)量、 組成 與產(chǎn)生原 因分析 J.武 漢理工大學學報 . 2000, 5:96983 杜婷