刚玉—莫来石纤维复合膜的制备

2016-06-11王跃超

江苏陶瓷 2016年3期

关键词：刚玉

王跃超

摘要本文选用刚玉微粉为骨料，加入高温莫来石纤维，通过无机粘结剂将刚玉骨料和莫来石纤维有效地粘结在一起，在高温下烧成制备出高孔隙率、低过滤压降的刚玉莫来石纤维复合膜，并研究骨料颗粒粒径、纤维加入量、纤维结构等对膜材料性能的影响。

关键词陶瓷纤维复合膜；刚玉；莫来石纤维；过滤压降

0 前言

陶瓷纤维复合材料通常具备了良好的抗热震性、较高的机械强度，同时又具有轻质、高气孔率等特点，因而引起国内外的普遍重视，并被相继研发出各种陶瓷纤维复合材料。如陶瓷纤维耐火材料、纤维增强陶瓷复合材料、陶瓷纤维复合过滤材料等。其中，陶瓷纤维复合过滤材料，是在多孔陶瓷支撑体表面复合一层由陶瓷连续长纤维缠绕形成的过滤层或由陶瓷短纤维通过高温粘结剂粘结形成的过滤层。

随着过滤、分离、净化技术的不断发展，尤其是热气体净化技术的不断发展，人们在不断研究过滤技术和过滤理论的同时，对新型过滤介质的研究开发也愈来愈重视。近年来，纤维复合过滤材料及纤维膜技术在过滤材料研究领域迅速兴起。陶瓷纤维复合膜就是在多孔陶瓷材料和陶瓷膜材料基础上通过纤维复合、纤维改性和涂层技术而制成的一种高性能陶瓷纤维复合膜过滤材料。

本文先以碳化硅为骨料，采用等静压成型制备出多孔碳化硅支撑体；再以刚玉微粉与莫来石短纤维为主要原料，采用浸渍提拉法在多孔碳化硅支撑体上制备刚玉—莫来石纤维复合膜，研究骨料颗粒粒径、纤維加入量、纤维结构等对膜材料性能的影响。

1 试验

1.1原料

碳化硅（纯度98%、D50=200 μm）、刚玉微粉（纯度98%、D50=20、50、80 μm三种）、莫来石纤维（Al2O3+SiO2含量>90%，纤维平均直径4μm，纤维长度分别为100 μm、150 μm、200 μm、300 μm四种）、苏州土（机选1号）、长石、碳酸钙、硅微粉、分散剂TXA-15、PVA。

1.2样品制作

1.2.1碳化硅支撑体的制备

将SiC颗粒、粘结剂、PVA和水按一定配比混合，采用等静压成型制成管状，然后将生坯干燥、烧成得到管状支撑体，再经过磨加工制成Φ60×Φ40×120（mm）的样品，烘干后备用。

1.2.2膜的制备

按设计配方配料，加入1% TXA-15分散剂和适量的水，超声分散5小时，采用浸渍提拉法在处理好的碳化硅支撑体上镀膜，同时采用注浆成型的方式制成试条（用于测试试样强度和气孔率），再在80 ℃下干燥2小时，然后在1 200 ℃下烧成。

1.3测试

⑴用SEM观察样品的断面和膜表面显微结构。

⑵采用GB/T 1965多孔陶瓷弯曲强度试验方法测量试样的抗折强度。

⑶采用GB/T 1966多孔陶瓷显气孔率试验方法测量试样的气孔率。

⑷采用GB/T 1967多孔陶瓷孔道直径试验方法测量试样的平均孔径。

⑸采用自制设备测试膜材料在1 m/min风速下的过滤压降。

2 结论与分析

2.1陶瓷纤维膜的显微结构特征

我们采用SEM观察其断面和表面的显微结构，分别得出图1和图2。

由图1中可看出，层片状的SiC颗粒相互交织堆积且颗粒间的烧结颈已经形成，因此支撑体强度较高，在整个材料中能够起到支撑作用，保证分离膜的机械强度；支撑体的孔隙主要来源于SiC颗粒之间的孔隙，但碳化硅颗粒的粒径较大且粒度大小不一，因此支撑体的孔径也相对较大且分布范围也较宽，用它来作分离层是不够的。

从图2中可以看出，在膜层中颗粒堆积较为松散，气孔较多，气孔主要来自于刚玉颗粒之间的孔隙、刚玉莫来石纤维之间的孔隙以及纤维与纤维之间的孔隙，从图中可以看出在纤维的附近所留下的孔隙更多，尤其在纤维相互桥架处留下了大片带状孔隙，这也就是加入纤维能够有效提高陶瓷膜孔隙率的原因。同时膜层以刚玉骨料堆积为主，刚玉骨料粒径较小且粒度大小均匀，因此，膜层孔径分布相对较窄，孔径较小且气孔率很高，膜层具有更高的分离效率和分离效果。

2.2骨料粒径对膜材料性能的影响

具体试验中：我们在相同质量不同粒径的刚玉粉（100wt%）中，外加10%（wt）相同的粘结剂和10%（wt）的莫来石纤维（150 μm），制备出不同骨料粒径的复合膜，再测试膜材料的平均孔径与过滤压降，得出图3。

从图3中可以看出，膜材料的平均孔径随骨料平均粒径的增大而变大，而膜过滤压降随着骨料粒径的增大而降低。

分析其原因：当骨料颗粒粒径较小时，颗粒之间的接触面积较大，颗粒堆积紧密程度也较紧密，因此膜材料孔径相应较小，此时气体通过膜材料的阻力较大，过滤压降较高。随着骨料粒径的变大，颗粒之间的接触面积减少，颗粒之间堆积程度变得松散，颗粒间的间隙变大，从而使得膜材料的孔径变大，而较大的孔径导致气体易从孔道内通过，导致膜过滤压降降低。

最终，我们得出结论：在刚玉-莫来石纤维复合膜材料中，增大膜材料中的刚玉骨料粒径，可以有效提高膜材料孔径，降低膜材料的压降。

2.3纤维加入量对材料性能的影响

在试验中，我们以50 μm左右的刚玉粉为骨料，加入不同比例的莫来石纤维（长度为150 μm、长径比L/D=37.5），在其他工艺条件相同的情况下，制备出不同纤维加入量的样品，烧成后，测试其抗折强度和气孔率，得出图4。

从图4中可以看出，在结合剂含量相同的情况下，随着材料中莫来石纤维含量的增加，材料的气孔率明显增大，而其抗折强度明显降低。

分析其原因：在试验的样品中，纤维与骨料之间基本上是以点接触为主，结合强度较弱，骨料起到骨架作用。当组分中纤维加入量少时，则纤维之间相互架桥作用不明显，形成材料的气孔率较低，材料强度较高。但随着纤维加入量的增大，组分中纤维所占的体积比明显增大，整体材料的堆积密度变小，粘结剂高温形成的相不足以填充陶瓷纤维及其它陶瓷骨料之间形成的孔隙，因此材料的气孔率会明显增大，同时强度也会随之降低。

因此，我们得出结论：在刚玉-莫来石纤维复合膜材料中，莫来石纤维的加入可以有效提高膜材料的气孔率，但是也会降低膜材料的强度，从试验中我们得出纤维的加入量在20%左右较为合适。

2.4纤维长径比对膜材料性能的影响

在试验中，我们以50 μm左右的刚玉粉为骨料，加入不同长径比的莫来石纤维，在其他工艺条件相同的情况下，制备出纤维长径比不同的样品，烧成后测试样品的孔径与气孔率，得出表1。

从表1中可以看出随着材料结构中纤维长径比的增大，材料的气孔率和孔径均有所增大。

分析其原因在膜材料中随着纤维长径比的增大，纤维之间的架桥作用更加明显，材料的致密性变差，纤维堆积形成孔隙变大；相反，随着纤维长度的减小，纤维之间的架桥作用减少，纤维形状更趋向于球形粒子，纤维之间会更多地趋向于平行排列，堆积密度变大，气孔率会降低，孔径变小。

因此，从提高材料气孔率方面来讲，应尽量提高纤维的长径比，但从控制材料孔径方面来看，需要合理控制纤维的长径比，以求获得需要的微孔性能。

3 总结

（1）在刚玉-莫来石纤维复合膜材料中，增大膜材料中的刚玉骨料粒径，可以有效提高膜材料孔径，降低膜材料的过滤压降。

（2）在刚玉-莫来石纤维复合膜材料中，莫来石纤维的加入可以有效提高膜材料的气孔率，但是也会降低膜材料的强度，从试验中我们得出纤维的加入量在20%左右较为合适。

（3）在刚玉-莫来石纤维复合膜材料中，提高莫来石纤维的长径比，有利于膜材料气孔率的提高，但不利于膜孔径的控制。

参考文献

[1]薛友祥，李拯，王耀明，吴建锋.陶瓷纤维复合微滤膜制备工艺及性能表征[M].硅酸盐通报.2004（03）：10-13.