镁渣制造多孔陶瓷滤球的气孔率调控研究

高利宁

（榆林职业技术学院机电工程系，陕西 榆林 719000）

多孔陶瓷是指经过高温烧结和特殊成型工艺制备，孔洞较多的一种无机非金属材料，在耐高温、碱腐蚀、耐酸方面的优势较大，同时自身具有比表面积大、开口孔隙率高、孔结构可控等优质特点，所以在吸附、过滤分散、分离、渗透换热、吸声、隔热、隔音、传感、载体以及生物医学等诸多领域都有着非常广泛的应用。我国在以固废为原料的制备研究中，针对多孔陶瓷领域开展了积极的研究工作。本文将粉煤灰、镁渣等为原材料，制备镁渣基多孔陶瓷,并对多孔陶瓷的理化特性和实际孔隙参数展开分析，研究原料最终配比、添加剂制备工艺等因素的变化对多孔陶瓷的实际性能产生的影响。

1 实验过程

此次实验的主要原料为镁工业废渣，通过添加适量高温成孔剂石墨、低温成孔剂煤粉以及白云石这三种不同类型的成孔剂来调控多孔陶瓷滤球气孔率。试验期间选用阿基米德原理中的静力称重法对样品实际显气孔率(Pa)、吸水率(Wa)、以及体积密度（D）进行相关测试[1]。选择英国生产的INSTRON8800压力测试机对样品的实际压碎强度进行检测。选择日本生产的DMAX- I型X-ray衍射仪对样品组成进行检测，同时再利用日本生产的JSM-5610LV型扫描电镜对实验样品的显微结构予以研究。本次实验中应用到的主要化学组成结构详情见表1和表2。

图1 样品制备工艺具体流程图

表1 化学原料成分表

表2 系列实验配方组成表

1100℃期间，A-1气孔率数值为56.81%；如果烧成温度1140℃，此时A-1中的气孔率标准为44.12%，超出未添加煤粉之前的样品A-0实际气孔率标准为36.24%。煤粉成分主要是碳元素，在300℃～600℃时会发生燃烧现象，属低温成孔剂，此时氧化反应表示：C+O2=CO2、C+CO2=2C0、2C+O2=2CO。伴随着温度的持续升高，此反应会释放气体，在滤球坯体内部形成气孔。并且烧成温度超过标准时，配料结构中的硅酸盐因其低共熔点的原因会促进液相烧结，导致液相生成量超标，气孔堵塞并造成气孔率持续下降[2]。

由表3内容可知，吸水率实时变化趋势会和显气孔率变化呈现出基本一致的发展趋势，体积密度的实时变化趋势则会与显气孔率变化发展趋势大致相反[3]。说明该系列滤球结构中的成气孔均大多为开气孔，更加有助于过滤性能的实现。

表3 系列样品最终的Wa、Pa、D测试结果

表4 1100℃烧成部分的样品性能

2 分析实验结果并讨论

2.1 不同成孔剂对样品气孔率的理论影响

表3是烧成样品的气孔率Pa、吸水率Wa、体积密度D的测试结果。

由表3可见，样品A-2、A-3、A-4中添加的石墨量分别是10%、15%、20%，在其烧成温度标准为1100℃期间，添加的石墨量越高，其自身的气孔率越高。此时材料的烧成温度标准为1140℃，A-2、A-3、A-4产生的气孔率均会有所降低，数值分别为35.32%、37.12%、32.89%，这些数据说明温度越高时，液相量生成量越大，气孔堵塞，气孔率逐渐降低[4]。

表3内容表明，A系列的各个实验样品实际气孔率会伴随石墨和煤粉添加量的逐渐增加而上升，并且两者之间的增大趋势相同。但是，在白云石添加量不断增加的过程中，会有部分反常现象发生，这主要与其自身组成结构有关。白云石材料的成分主要为MgCO3和CaCO3，该材料在烧成期间会产生分解反应，进而释放出大量CO2气体形成气孔。处于高温环境下会分解出CaOMgO助溶剂，有利于陶瓷实验样品强度的加强。由表3内容可以看到，将白云石作为成孔剂的实验样品的气孔率以及吸水率数值均会比较低，主要原因是高温环境下MgO、CaO两者与配料结构中的SiO2反应生成硅酸盐玻璃相，进而填充部分已经形成的孔，最后导致气孔率持续降低[5]。

2.2 不同成孔剂对样品气孔率的实际影响

成孔剂种类同样会对样品强度造成影响，尚未加成孔剂的实验样品A-0的实际抗压碎强度数值为13.32MPa；采用煤粉作为成孔剂的实验样品A-1，其自身抗压碎强度数值为12.98MPa；石墨成孔剂的实验样品A-4自身的抗压碎强度数值为34.21MPa；白云石成孔剂的实验样品A-6自身的实际抗压碎强度数值为10.01MPa。最终测试结果表明成孔剂种类会对实验样品的实际抗压碎强度造成影响，影响顺序为：石墨>煤粉>白云石。总体发展趋势和此前的气孔率相反，气孔率越高，此时的抗压碎强度就越低；上述样品气孔率和自身强度都可以达到水处理或者废气处理提出的要求标准[6]。

2.3 样品结构分析

A-1样品断面及其未添加成孔剂的实验样品A-0进行对比，添加30%左右的煤粉，此时A-1气孔则更显细小，分布也会更加均匀；晶体在此时则会呈现出板条状或者针棒状开始交织生长，此后玻璃会与之相粘接。与并未添加成孔剂的实验样品A-0相对比，在添加20%白云石的A-3实验样品中则会有颗粒生成，并且气孔疏松，位置分布较均匀。

3 结语

综上所述，①调控镁渣多孔陶瓷显气孔率的时间结果表明，样品显气孔率与最终成孔剂种类或者添加量有着密切的关联；气孔会随石墨和煤粉的添加量增加而不断增大，会白云石添加量不断增加而减小。②添加成孔剂以后的最佳实验样品为：剂石墨添加量数值为20%的高温成孔实验，烧成温度标准为1100℃，此时样品的实际显气孔率数值为56.17%，样品吸水率数值为43.76%，实验样品体积密度数值为1.28g/cm3，样品抗压碎强度数值为34.21MPa，实验样品耐酸性数值为99.59%，样品此时的耐碱性为99.81%。③实验样品耐碱性和耐酸性主要受到配料的组成或者样品的微观组成结构影响，以上这些样实验样品气孔率以及强度及耐碱耐酸性都可以达到水处理或者废气处理的要求标准。