多孔麦饭石陶瓷的制备与性能研究

王佳宁，王超会

多孔麦饭石陶瓷的制备与性能研究

王佳宁，王超会

（齐齐哈尔大学 材料科学与工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006）

以麦饭石和钾长石为原材料，PVA为粘结剂，聚乙二醇为分散剂，聚乙烯海绵为载体，采用有机泡沫浸渍工艺，反复浸渍并挤出多余浆料，自然干燥和机器烘干的方法，制备了多孔麦饭石陶瓷．利用XRD，SEM等手段研究了烧结制品的晶相组成及显微结构，同时还对麦饭石陶瓷的孔隙率、强度等力学性能进行了测试．结果表明，当烧成温度为1 150 ℃，保温时间为2 h时，其强度、气孔率都较佳．

麦饭石；有机泡沫浸渍法；气孔率；强度

随着社会和科技的发展，工业生产对水质的污染越来越严重，因此开始利用各种方法改善水质．但目前应用的大多数方法会使水中的矿物质微量元素大大减少，长期饮用这种纯净水，会对人体造成损害．麦饭石是由原岩经侵蚀、风化作用而形成的具有活性的矿物，由斜长石、石英、白云母、高岭石等多种矿复合而成，结构疏松，有层状、脉状和透镜状等形态，是自然界的一种非金属矿．我国麦饭石资源储量丰富，遍布全国各地，黑龙江碾子山、天津蓟县、山东青岛和泰安、辽宁阜新、陕西户县等地均具有大量矿藏．麦饭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]，这些元素可以溶解在水质环境中被人体吸收，促进人体新陈代谢，减缓衰老，提高免疫力．天然麦饭石在水质环境中具有吸附性、离子交换等特点，并且具有溶出性、矿化性[4]．麦饭石除了可以吸附水中的杂质离子外，还可以调节水的酸碱度，这是因为麦饭石中含有约10%的Al2O3，Al是两性元素，在偏酸性的水中以显碱性的[Al（OH）]2+存在，在偏碱性的水中以显酸性的[Al（OH）3O]-存在，所以能平衡水质的酸碱度，使水呈中性，而且Si也是两性元素，对调节酸碱度、改善水质也有一定的帮助[5]．但麦饭石的状态为岩石状，如果将麦饭石直接放入水中，由于长期在水中浸泡，其表面极易滋生细菌和浮游生物，从而影响水的质量[6]，并不能起到预期的效果．而且，麦饭石对水的矿化作用与麦饭石的粒度大小有关，粒子越小，微量元素越容易在水中溶出，矿化效果越好．为了提高麦饭石在水中的吸附性和矿化性，利用其制成多孔麦饭石陶瓷材料．本文采用有机泡沫浸渍法制备多孔麦饭石陶瓷，进而研究陶瓷的各种物理性能变化．使用麦饭石制成的陶瓷具有高气孔率、强度好、耐高温等优良性能，可用于过滤及催化剂载体等．

1　实验方法

以麦饭石原粉和钾长石原粉为原料，焦磷酸钠、PVA、磷酸三丁酯为添加剂制备浆料，采用聚乙烯海绵做泡沫体，去除泡沫之间原有的孔膜和壁膜[7]，并对泡沫体进行水解和改性处理，然后开始浸渍，浸渍后的泡沫体在室温下干燥养护24 h，然后在干燥箱中70 ℃干燥24 h，将干燥后的坯体烧制，最终得到多孔麦饭石陶瓷．用阿基米德法测定陶瓷的气孔率，采用TG/DTA-6200型热分析仪（德国耐驰公司）对多孔麦饭石陶瓷进行热分析，采用X′Pert-PRO MPD全自动X射线衍射仪（荷兰帕纳科公司）对样品进行晶相分析，采用S-4700型扫描电镜（日本日立公司）观测陶瓷的形貌．

2　结果与讨论

2.1　海绵泡沫体的TG-DTA分析

聚合物受热后，化学链受到破坏发生断裂，从而使聚合物发生解聚反应，产生气体、聚合物残渣和碎片．海绵泡沫体的TG-DTA曲线见图1．由图1可见，海绵体在300，390 ℃左右出现2个明显的放热峰，说明海绵泡沫体在300 ℃已开始分解，产生大量热量．340 ℃出现较小的放热峰．420 ℃以后不再有变化，放热结束．由TG曲线可以看出，海绵泡沫体从200 ℃开始失重，200~240 ℃之间失重较缓慢，240~400 ℃失重明显加快，失重速度达到最大，400 ℃之后，质量变化趋于平稳，说明400 ℃左右海绵泡沫体已经完全分解．

图1　海绵泡沫体的TG-DTA曲线

海绵泡沫体在氧化分解过程中会产生大量气体，这些气体在逸出过程中对陶瓷坯体产生应力，从而导致坯体破坏乃至塌陷[8]．因此，200~400 ℃范围内应缓慢升温，保证海绵泡沫体在分解过程中不导致坯体的破坏．所以室温200~400 ℃范围内以3~4 ℃/min的速率缓慢升温，400 ~500 ℃范围内以5℃/min的速率升温，500~1 150 ℃范围内以7 ℃/min的速率升温，最终在1 150 ℃保温煅烧2 h，以使陶瓷制品获得足够的强度．

2.2　XRD对烧结前后粉体的物相分析

组成麦饭石的主要矿物有石英、长石、白云母等．麦饭石陶瓷烧结前后的XRD图谱见图2．由图2可见，该图谱中存在多个衍射峰，与对应晶相衍射峰一致，这些衍射峰尖锐，说明麦饭石结晶度好，晶体结构完整[9]．对比观察1 150 ℃烧结前后的XRD谱图可知，烧结前后晶型发生转变，石英在1 150 ℃时转变为鳞石英，且转变后体积膨胀约16%左右．自然界中，各种矿石所含的石英一般均为低温石英，高温石英较少，鱗石英则更少．烧结后得到的鳞石英具有特殊的结构，它的矛头双晶互相交错，形成结晶网络，能获得坚硬的骨架，同时它不易溶于液相，使制得的多孔麦饭石陶瓷不因液相的出现而发生变形，增加了陶瓷的强度．

图2　多孔麦饭石陶瓷XRD图谱

2.3　多孔麦饭石陶瓷的孔径和孔径分布

天然麦饭石的SEM图见图3a，由图3a可见，天然生长的麦饭石表面无明显的孔隙，导致其在水中的吸附性并不是很好．烧结后的多孔麦饭石陶瓷的微观结构见图3b和图3c．由图3b和图3c可见，试样中的气孔大多数呈圆形，且分布较均匀，所占比例很大，使陶瓷具有很大的比表面积和很好的吸附性．而且微孔也很发达，以三维交错的网状孔道贯穿其中．陶瓷孔径尺寸大致可分为2个系列：一部分为接近毫米级孔径，约0.3~1 mm，肉眼可见（见图3b）；另一部分为微米级孔径，大约分布在1~100 μm之间．这2种孔径皆是由海绵泡沫体氧化挥发和致孔剂炭化后留下的（也有部分是颗粒堆积形成的），而致使孔径大小不一的原因是泡沫浸渍过程中浆料分布不均，但不同的孔径可以较好地形成孔径梯度分布，相对于孔隙很小甚至无孔隙的天然麦饭石而言更有利于生产使用[10]．

图3　不同孔径系列的多孔麦饭石陶瓷断面SEM图

2.4　陶瓷强度

陶瓷强度与烧成温度的关系见表1．由表1可见，随着烧成温度的升高，多孔陶瓷的强度增加，造成这种现象的根本原因与陶瓷的气孔率有关．因为钾长石约在1 150 ℃附近开始熔融，所以在1 100 ℃的烧成温度下结合剂处于固体状态，只在钾长石与麦饭石接触的部分区域出现液相，陶瓷体内不存在晶界玻璃相的粘性流动，有机泡沫体氧化挥发气体沿坯体内残留气孔通道向表面扩散，形成较多的开口气孔．此温度下的坯体不致密，易形成贯通气孔，表现出较高的气孔率，骨料颗粒没有粘结在一起，在坯体内呈现分散状态，所以强度较低．此时陶瓷气孔率为74.49%，而强度只有1.35 MPa．当温度升高到1 150 ℃时，陶瓷结合剂熔融，坯体内出现晶界玻璃相的粘性流动，填充了部分气孔通道，闭口气孔增加，显气孔减少，降低了气孔率[11]．此时陶瓷的气孔率降低到43.71%，强度增加到10.36 MPa．

表1　不同烧成温度下麦饭石陶瓷的显气孔率和坯体密度及陶瓷强度的变化

随着气孔率的下降，麦饭石陶瓷抗压强度增加．这是因为随着气孔率的增加，陶瓷材料承受载荷的横截面积减小，所以会使抗压强度下降．由此可以推论出：煅烧温度越高，气孔率越低，相应的陶瓷强度随之增大．

3　结论

（1）多孔麦饭石陶瓷中大量的气孔使陶瓷具有优良的吸附性，且浸渍过程中浆料的分布不均匀造成孔径尺寸不均匀．

（2）麦饭石陶瓷的强度随着气孔率的降低而相应增大，而气孔率随烧成温度的升高而降低，所以陶瓷强度随烧成温度的升高而增大．烧成温度对陶瓷的强度和气孔率都有直接影响．

本文采用有机浸渍法制备了多孔麦饭石陶瓷．最终确定烧成温度为1 150 ℃，室温~400 ℃范围的升温速率为3~4 ℃/min，400 ~500 ℃范围的升温速率为5℃/min，500~1 150 ℃范围的升温速率为7 ℃/min，保温时间为2 h．由XRD图谱可见，麦饭石复合矿物主要由石英、长石、白云母等构成，并且烧结前后晶型发生变化．制备的陶瓷呈现不同的孔径梯度分布，孔径是强度变化的根本原因，当烧成温度为1 150 ℃时，气孔率适中，强度最高．

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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

黑龙江省教育厅基本科研项目（135309512）

王佳宁（1996-），女，黑龙江齐齐哈尔人，在读硕士研究生，从事材料加工工程研究．E-mail：w155qiqijn@126.com

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