烧结温度对氧化硅微孔陶瓷灌水器性能的影响

蒲文辉，张新燕,，朱德兰,，张 林

(1. 西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100； 2. 西北农林科技大学 中国旱区节水农业研究院，陕西 杨凌 712100)

渗灌起源于地下浸润灌溉，是当今世界先进的农业节水灌溉技术之一[1]。中国早在两千多年前人们就利用陶罐渗水灌溉作物[2]。几百年前，河南济源农民曾在地面以下埋设由透水瓦片扣合而成的“透水道”进行农业灌溉[3]。与塑料(橡胶)渗灌系统相比，陶瓷应用也具有较好的灌水效果，且减少环境污染。在约旦等干旱和半干旱地区利用陶罐灌溉的方式仍被广泛应用[4,5]，其主要应用形式为地下灌溉[6,7]，无压灌溉[8,9]，负压灌溉[10,11]等。

近年来随着科技进一步发展，陶瓷材料在生产生活中应用越来越广泛，促使微孔陶瓷的制备工艺进一步提高，微孔陶瓷的孔隙率、孔径可以得到较好地控制，并逐步被用于细菌过滤、废水处理等领域[11-13]。国内外学者对利用微孔陶瓷制作灌水器做了初步探索[14,15]。Naik研究发现，加入树脂对陶罐渗水速率的影响较小，而加入木屑烧灼后可有效增加陶罐的渗水速率[16]。Usman认为提高烧结温度会使陶罐的开口孔隙率降低[17]。Bainbridge的研究也得出了相同的结论，并认为烧结温度过高所引起的开口孔隙率的降低直接影响渗水陶罐的渗水速率[18]。蔡耀辉[19,20]等以黏土作为主要原料，以硅藻土为造孔剂，结合硫酸钙等，通过合理控制烧结温度，制出了具有较高孔隙率并且水力性能较好的硅藻土、黏土基微孔陶瓷灌水器。

本文研究以石英砂为主要原料通过控制烧结温度制备出3种烧结温度下的氧化硅微孔陶瓷灌水器，研究了烧结温度对灌水器结构及水力性能的影响，以期为微孔陶瓷灌水器的进一步深入研究和推广应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 氧化硅微孔陶瓷灌水器的制备

氧化硅微孔陶瓷灌水器的主要原料为石英砂配以滑石粉、碳酸钙、硅溶胶，其中石英砂构成灌水器的骨架成分，滑石粉为性能改良剂，碳酸钙和糊精为造孔剂，硅溶胶为黏结剂。将各固体原料按照滑石粉掺量20%[21]充分混合加入适量硅溶胶置于搅拌器中搅拌均匀，再倒入模具中在12 MPa的压力下压制成圆柱体罐状胚体。制成的胚体在阴凉通风处阴干数天，而后置于炉中烧制5 h，烧结温度分别控制在1 200、1 250、1 300 ℃，取出冷却即成。图1所示为制备的灌水器。成型后的微孔陶瓷灌水器高68.2 mm，外径38.4 mm，内径20.0 mm，内腔渗流面积为2 827 mm2。

图1 氧化硅微孔陶瓷灌水器Fig.1 Porous ceramic irrigation emitter

1.2 结构性能指标测试

采用排水法测定氧化硅微孔陶瓷灌水器的密度和开口孔隙率[22,23]：

(2)

式中：ρ为微孔陶瓷试样的密度，g/cm3；n为开口孔隙率，%；ρw为水的密度，g/cm3；ma为试样在干燥状态下空气中的质量，g；mf为试样在水中浮重，g；mws为试样吸水饱和状态下的质量，g。

利用激光光谱元素分析仪(J200，美国)和X射线衍射仪(XRD，BRUKER, D8 ADVANCE A25，德国)对微孔陶瓷进行物相成分分析，扫描范围为10°～80°，扫描速度为0.1 °/s。利用扫描电子显微镜(SEM，S4800，Hitachi，日本)进行微观结构分析。

1.3 水力性能试验

制备的灌水器进水口插入D20-PVC管，用AB胶黏接，并在PVC管上接入接头，连接输水管道，置于水力性能测试平台上，如图2所示。试验装置主要由供水装置、压力自动变频箱、流量采集器组成。其水泵额定扬程为40 m；压力表量程0.4 MPa，精度0.01 MPa；流量采用质量传感器称重法测取，电脑自动读取数据。试验中设置了回水管道及阀门用以调控进口压力。

图2 试验装置示意图Fig. 2 Schematic diagram of test equipment

2 结果与分析

2.1 结构性能分析

2.1.1 密度与开口孔隙率

不同烧结温度下氧化硅微孔陶瓷灌水器的密度和开口孔隙率如表1所示。由表1可知，微孔陶瓷灌水器的密度随着烧结温度的增高而减小，3种烧结温度下的孔隙率分别为32%、31%、29%；1 200与1 300 ℃的密度减小减小了10.22%。

表1 氧化硅微孔陶瓷灌水器开口孔隙率、密度Tab.1 The density and porosity of emitter

注：T-1200、T-1250、T-1300表示烧结温度分别为1 200、1 250、1 300 ℃的微孔陶瓷灌水器。

开口孔隙率是影响灌水器渗流性能的主要指标之一。微孔陶瓷灌水器在烧制前充分风干，其孔隙主要来源于3个方面：石英砂颗粒间隙、糊精及CaCO3分解产生的CO2形成的孔隙。由于3个烧结温度下的灌水器原料配比相同，在不同烧结温度下发生相应的物理化学反应相近，使得灌水器孔隙率有较小范围的变化。

2.1.2 微孔陶瓷成分分析

微孔陶瓷灌水器出流是水流通过器壁上分布的微孔孔隙的渗流过程，陶瓷孔隙的渗流通道决定了灌水器的渗流效果。黏土基微孔陶瓷灌水器较长时间浸水易引发膨胀影响灌水器的工作效果，因此本试验已知灌水器原料的主要成分是二氧化硅(SiO2)，以及少量的碳酸钙，为了更准确地确定微孔陶瓷烧结前后所含成分变化情况以及烧结温度对微孔陶瓷成分的影响，在烧结前将原料按照相同比例混合搅拌均匀后，分别对烧结前后成分进行XRD衍射分析，得到如图3和图4所示图谱。从图3中可知，微孔陶瓷原料成分依次是二氧化硅(SiO2)，占比最大，少量的氧化铝(Al2O3)和碳酸钙(CaCO3)。

图3 原材料成分图谱Fig.3 Analysis of components of raw material

图4是3种烧结温度下制备的微孔陶瓷灌水器XRD衍射图谱，可见，微孔陶瓷烧结后的主要成分是二氧化硅(SiO2)和钙长石(CaAl2Si2O8)。不同烧结温度下成分组成及占比基本一致。

图4 微孔陶瓷成分分析Fig.4 Analysis of components of microporous ceramic

因此无论从灌水器各原料组成还是从烧结后微孔陶瓷所含成分，都可以确定其不含任何遇水溶胀，或与水反应的物质成分，保证氧化硅微孔陶瓷灌水器在常温下长期灌水过程中不因自身材料发生物理膨胀或化学反应引起孔隙堵塞而影响使用。

2.1.3 微观形貌分析

针对3种氧化硅微孔陶瓷灌水器进行了微观形貌分析，观测微孔陶瓷孔隙特征。如图5所示为在不同烧结温度下的微孔陶瓷放大倍数为5 000 倍的微观结构。其孔隙孔径分布在5～300 μm范围内，且随着烧结温度的增高，孔隙增大，孔隙的分布范围增大，均匀性降低。氧化硅微孔陶瓷灌水器制备时原料充分混合压实，胚体阴干后置于炉中在高温下烧灼发生复杂的物理化学反应，其中硅溶胶含有大量非晶态SiO2，非晶态的SiO2没有固定的熔点，在烧结过程中发生软化，拉近颗粒间的间距。随着温度的升高糊精在较低温度下开始逐渐分解生成孔隙。当温度进一步升高时CaCO3开始分解生成CO2和无孔CaO层，CO2挥发继续产生一部分孔隙。而无孔CaO层则与石英砂中所含有的SiO2和石英砂中含有的少量的氧化铝(Al2O3)及无孔氧化钙(CaO)反应生成钙长石(CaAl2Si2O8)，CaAl2Si2O8与SiO2及未反应的无孔CaO紧密结合，构成了灌水器的骨架。但是滑石粉在1 200 ℃时性能稳定，当温度达到1 250 ℃时开始变性而结块，在1 300 ℃时因变性而完全结块[23,24]。结块后的滑石粉是一种致密的结构，紧紧的包裹骨架并填充了部分原先形成的均匀孔隙，当温度逐渐降低时材料收缩，产生温度应力而形成一部分较大的孔隙，孔隙的大小和均匀性破坏，微孔陶瓷密度和强度受到一定影响。图5(a)是1 200 ℃烧结温度条件下制成的T-1200微孔陶瓷结构，此时滑石粉性能稳定，因而形成的孔隙一般分布在5～40 μm范围内，较为均匀；图5(b)为T-1250微孔陶瓷结构，由于烧结温度升高滑石粉逐渐结块，可以观察到相同放大倍数下孔隙与骨架受到影响，孔隙的均匀性逐渐受到破坏，分布范围增大，在5～100 μm范围内。而当温度进一步升高到1 300 ℃时，滑石粉完全变性而结块，孔隙的均匀性受到了极大的破坏，受温度应力等的影响，孔隙的不均匀性越发明显，孔隙分布在5～300 μm范围内，并且以较大孔隙为主，如图5(c)所示为T-1300微孔陶瓷结构。

图5 T-1200、T-1250、T-1300 SEM照片Fig.5 SEM micrographs of T-1200、T-1250、T-1300

2.2 水力性能分析

如图6所示为氧化硅微孔陶瓷灌水器渗流效果图，从图6中可以清晰地看到，灌水开始，水流进入灌水器内腔，并从整个外壁开始渗水，如同冒汗一样，具有良好的渗流效果。

图6 灌水器渗流效果图Fig.6 Effect diagram of the irrigation emitter

图7(a)是T-1200、T-1250、T-1300这3种氧化硅微孔陶瓷灌水器在0.2 m的恒压水头下持续灌水3 600 min时渗流量随时间变化情况。从图7(a)中可以看出，灌水初期，灌水器渗流量随灌水时间的增大而增大，之后基本保持稳定。灌水80 min后，灌水器T-1200、T-1250、T-1300的渗流量分别达到1.0、1.2、1.4 L/h，直到灌水结束，3 600 min后渗流量差值均没有超过0.2 L/h。可知灌水器具有稳定的渗流效果，且随着烧结温度的增加，渗流量略有增加。由前可知，烧结温度不影响灌水器组成成分，烧结后灌水器成分的化学性能稳定，在持续灌水过程中各成分与水接触时不发生吸水溶胀性，因此灌水器渗流稳定。烧结温度较低时，微孔陶瓷内部孔隙分布较均匀，孔径较小，水流外渗受微孔毛细作用明显。但随着烧结温度的升高，微孔陶瓷烧结过程中因材料变性孔径范围增大，孔隙的不均匀性增强，导致灌水器渗流量增大。因此在烧结温度较低时，灌水器虽有较大的开口孔隙率，但并没有达到最大渗流量，可见灌水器的渗流效果是由各种因素共同作用的结果。

图7 灌水器水力性能测试Fig.7 Hydraulic performance test of emitter

图7(b)所示为灌水器在不同进口压力下的压力流量关系[21]。从图7(b)中可以看出，灌水器渗流量随进口压力的增大而增大，在相同进口压力时，随着烧结温度的提高，渗流量增大。在1.0 m的进口压力时，T-1200灌水器渗流量为5.56 L/h，T-1250灌水器渗流量为10.63 L/h，T-1300灌水器则达到17.94 L/h，分别增加了0.91、2.23倍。同样的，在2.0 m水头下，3种灌水器渗流量分别增加了0.92、2.25倍，可见烧结温度提高所引起的孔隙均匀性及孔隙大小的变化对灌水器渗流量具有较大的影响。根据灌水器压力流量基本公式对T-1200、T-1250及T-1300这3种灌水器渗流量曲线进行拟合：

q=khx

(1)

式中：q为灌水器渗流量，L/h；h为压力水头，m；k为灌水器流量系数；x为灌水器流态指数。

可得x=1，k值分别为4.30、11.6和20.84，即随着烧结温度的提高，灌水器流量系数增大。

3 结 语

研究了以石英砂为主要原料，通过控制烧结温度，制备出3种氧化硅微孔陶瓷灌水器。通过测试微孔陶瓷的开口孔隙率和密度，对灌水器成分、微观形貌进行分析，进行了灌水器水力性能初步研究，得出以下结果。

(1)烧结温度不影响氧化硅微孔陶瓷灌水器组成成分，不同温度下制备的微孔陶瓷灌水器主要成分均为SiO2和CaAl2Si2O8，遇水稳定。

(2)氧化硅微孔陶瓷灌水器的密度、开口孔隙率、孔隙分布等结构性能受烧结温度影响。随着烧结温度的提高，微孔陶瓷密度、开口孔隙率均有减小，孔隙孔径变大，且分布越不均匀。

(3)不同烧结温度下的氧化硅微孔陶瓷灌水器均有稳定的渗流效果，且渗流量随烧结温度的提高而增加，流量系数增大。

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