平板陶瓷支撐體的制備與表征

　　摘 要： 采用平均粒徑10 μm和5 μm的氧化鋁粉為主要原料，通過顆粒級配，制備出孔徑分布較窄的陶瓷支撐體，并研究顆粒級配對陶瓷支撐體相關性能的影響。研究表明：隨著5 μm氧化鋁粉比重增大，陶瓷支撐體孔隙率減小，抗壓強度增大，平均孔徑減小，氣體通量減小;當10 μm氧化鋁粉與5 μm氧化鋁粉質量比為1：1時，所得陶瓷支撐體孔徑分布最窄，孔隙率為43.5%，抗壓強度為25.8 MPa，平均孔徑為0.6 μm，氣體通量為21.9 m3/(m2·h)(△P=0.1 bar)。

　　本文源自工業技術創新 2020年5期《工業技術創新》是工業和信息化部主管、中國電子信息產業發展研究院主辦的國家級科技學術類期刊。本刊主要面向工業技術創新領域的有關工業主管部門、工業企業、科研創新的學術交流平臺、技術創新成果的宣傳轉化園地和戰略政策研究的理論探討陣地。辦刊宗旨是：推動工業技術創新，促進工業轉型升級，服務創新國家建設。

　　關鍵詞： 陶瓷支撐體;氧化鋁粉;顆粒級配;孔隙率;孔徑分布;氣體通量

　　引言

　　20世紀80年代，陶瓷過濾膜開始實現工業化應用。陶瓷過濾膜因其化學穩定性好、耐腐蝕性能優異、力學性能優良、易洗滌再生等優點而逐漸被工業界所接受，在化工、食品、環保等眾多領域得到廣泛應用[1-3]。陶瓷過濾膜是一種多孔梯度材料，在結構上包括分離層、過渡層及支撐體三部分。支撐體作為陶瓷過濾膜的基底材料，是保障陶瓷過濾膜機械性能的關鍵。因此，制備具有優異機械性能和滲透性能的陶瓷支撐體，是制備具有優異性能的陶瓷過濾膜的前提條件。

　　目前，陶瓷支撐體多以類球形氧化鋁(Al2O3)為主料。在生產過程中，采用蜂窩陶瓷擠出成型方式制備生坯，經高溫煅燒后，即可獲得具有孔道結構的陶瓷支撐體[4]。在高溫作用下，顆粒間形成頸部連接，使支撐體具有一定的機械強度。根據粉末燒結理論，物質的擴散除受溫度影響外，還與粉體顆粒的形貌和大小相關[5]，因此顆粒的形狀、粒徑及粒度分布直接影響陶瓷支撐體的孔道結構及氣孔率。

　　關于粉體的平均粒徑及粒徑分布[6-9]，成型方法[10]，成型過程中所用粘結劑和造孔劑的種類、用量，燒結工藝[11]等對支撐體性能的影響，目前均有報道。但是，通過對商品化平板陶瓷過濾膜及現有文獻的綜合分析，發現由于所用原料不同，現有支撐體孔徑沒有受到有效控制，孔徑分布較寬，為提高過濾精度和分離層強度，往往在支撐體和分離層間引入過渡層。但過渡層的存在增加了膜層的厚度，增大了過濾過程中的阻力，水處理成本增高;同時，引入過渡層使得平板陶瓷過濾膜的制備工序復雜化，致使缺陷率增加，生產周期延長，生產能耗增大，產品成本提高。

　　本文采用不同粒徑分布的兩種氧化鋁粉體進行顆粒級配，輔以適量的粘結劑和造孔劑，通過蜂窩陶瓷擠出成型工藝制備孔徑分布均一的平板陶瓷支撐體。該平板陶瓷支撐體可直接用于分離層的涂覆，省去了過渡層，降低了陶瓷過濾膜的生產成本。此外，研究顆粒級配對陶瓷支撐體孔隙率、孔徑大小、孔徑分布、氣體通量及抗壓強度的影響。

　　1 實驗

　　1.1 實驗材料及儀器

　　1.1.1 實驗材料

　　(1)主料：平均粒徑10 μm氧化鋁粉體和平均粒徑5 μm氧化鋁粉體;

　　(2)粘結劑：羥丙基甲基纖維素;

　　(3)造孔劑：玉米淀粉;

　　(4)燒結助劑：水洗高嶺土;

　　(5)增塑劑：甘油。

　　1.1.2 實驗儀器

　　(1)Master Sizer 3000激光粒度測試儀;

　　(2)JHT10臺式雙運動混合機;

　　(3)NHJ-50捏合機;

　　(4)TL-150真空練泥機;

　　(5)WHJ-15T液壓擠出機;

　　(6)101-1A型電熱鼓風干燥機;

　　(7)KSS-1750型高溫爐;

　　(8)XM-50KN電子萬能材料試驗機;

　　(9)TM3030場發掃描電子顯微鏡(SEM);

　　(10)3H-2000PB泡壓法濾膜孔徑分析儀。

　　1.2 陶瓷支撐體的制備

　　稱取總質量為20 kg的氧化鋁粉(10 μm氧化鋁粉與5 μm氧化鋁粉的質量比分別取1：0、1：1、1：2、0：1)，外加一定量的粘結劑、造孔劑、燒結助劑后充分混合均勻，再將混合好的粉料轉入捏合機中，加入適量增塑劑和水捏合成泥料。再將泥料粗煉、陳腐、精煉、擠出成型、微波定型、暖風干燥、切割整形、吹灰、煅燒(1 350℃，保溫2 h)，制得厚度為6 mm、寬度為100 mm的中空平板狀陶瓷支撐體。

　　1.3 陶瓷支撐體性能的表征

　　采用激光粒度測試儀測定原料的平均粒徑及分布，結果如圖1所示。采用SEM觀察樣品的形貌和微觀結構;按照GB/T 1966-1996[12]標準，采用阿基米德原理測定陶瓷支撐體的孔隙率和吸水率;通過電子萬能材料試驗機表征陶瓷支撐體的抗壓強度;采用泡壓法濾膜孔徑分析儀測試陶瓷支撐體的平均孔徑及孔徑分布、氣體滲透率和氣體通量。依據泡壓法的原理，陶瓷支撐體的孔徑與壓力的關系如Washburn公式：

　　2 結果與討論

　　2.1 顆粒級配對陶瓷支撐體孔隙率的影響

　　圖2顯示了顆粒級配對陶瓷支撐體孔隙率的影響。例如，當10 μm氧化鋁粉與5 μm氧化鋁粉質量比為1：1時，所得陶瓷支撐體的孔隙率為43.5%。可以看出：隨著平均粒徑5 μm氧化鋁粉的質量百分比增大，陶瓷支撐體的孔隙率減小，但降低幅度不大，因此顆粒級配對陶瓷支撐體的氣體通量影響較小。這一結果驗證了Lee等[13]的研究結論。Lee等認為：在相同的煅燒條件下，小顆粒會部分填充到大顆粒堆積形成的孔道中，導致陶瓷支撐體中總的孔體積減小，孔隙率降低。

　　2.2 顆粒級配對陶瓷支撐體抗壓強度的影響

　　圖3為顆粒級配對陶瓷支撐體抗壓強度的影響。例如，當10 μm氧化鋁粉與5 μm氧化鋁粉質量比為1：1時，所得陶瓷支撐體的抗壓強度為25.8 MPa。可以看出，在相同煅燒溫度下，隨著5 μm氧化鋁粉的質量百分比增大，陶瓷支撐體的抗壓強度逐漸增大，這是由于細粉活性遠高于粗粉活性，促進了燒結，加強了顆粒之間的頸部連接[14]，提高了陶瓷支撐體的力學性能。

　　圖4顯示了四種氧化鋁顆粒級配制得陶瓷支撐體的表面微觀結構。可以看到，大顆粒間主要依靠小顆粒粉體擴散形成頸部連接，隨著小顆粒粉體的增多，顆粒之間的接觸點或接觸面增多，連接頸部的面積增大，有助于顆粒度燒結。在高溫燒結的過程中，顆粒之間結合得更緊密。這為陶瓷支撐體力學性能隨著小顆粒粉體含量的增大而增大提供了證據。

　　2.3 顆粒級配對陶瓷支撐體平均孔徑及孔徑分布的影響

　　圖5是顆粒級配對陶瓷支撐體平均孔徑的影響。例如，當10 μm氧化鋁粉與5 μm氧化鋁粉質量比為1：1時，所得陶瓷支撐體的平均孔徑為0.6 μm。可以看出，10 μm氧化鋁粉制得陶瓷支撐體的平均孔徑明顯大于5 μm氧化鋁粉的情形。根據等徑球體堆積理論：單一尺寸的原料，孔徑只與顆粒的大小有關，原料顆粒尺寸越大，陶瓷支撐體孔徑就越大[15]。隨著小顆粒粉體比重增大，陶瓷支撐體的平均孔徑逐漸減小，這是因為小顆粒填充了大顆粒之間的孔隙，促進了顆粒的有效堆積，小孔數量隨之增加[16]。因此，通過調控大小顆粒級配，可有效調配陶瓷支撐體的平均孔徑。

　　圖6顯示了顆粒級配對陶瓷支撐體孔徑分布的影響。從圖6a、6d可以看出，單組分粉體制得陶瓷支撐體孔徑分布較寬，且大顆粒粉體制得陶瓷支撐體的孔徑分布寬于小顆粒粉體的情形。當兩種粉體進行級配時，所得陶瓷支撐體的平均孔徑變小，且分布變窄。這是因為小顆粒填充了大顆粒之間的孔隙，從而縮小了陶瓷支撐體孔徑分布寬度。分析可知，選用更小級別的粉體進行顆粒級配，則可得到更小孔徑、更窄孔徑分布的陶瓷支撐體。

　　2.4 顆粒級配對陶瓷支撐體氣體通量的影響

　　圖7顯示了顆粒級配對陶瓷支撐體氣體通量的影響。例如，當10 μm氧化鋁粉與5 μm氧化鋁粉質量比為1：1時，所得陶瓷支撐體的氣體通量為21.9 m3/(m2·h)(△P=0.1 bar)。可以看出，陶瓷支撐體的氣體通量隨著小顆粒粉體比重的增加而減小，這與陶瓷支撐體孔隙率和平均孔徑的變化趨勢一致。陶瓷支撐體孔隙率的降低和平均孔徑的變小都增大了陶瓷支撐體的過濾阻力，因而陶瓷支撐體的氣體通量呈逐漸減小的趨勢。

　　3 結論

　　本文采用平均粒徑為10 μm和5 μm的氧化鋁粉進行顆粒級配，成功制備出孔徑分布窄的陶瓷支撐體。通過研究不同顆粒的級配對陶瓷支撐體相關性能的影響，得出以下結論：

　　(1)隨著5 μm氧化鋁粉體比重的增大，制得陶瓷支撐體的孔隙率逐漸減小，平均孔徑和氣體通量逐漸減小，而抗壓強度則逐漸增大。

　　(2)單一組分制得陶瓷支撐體的孔徑分布較寬，而進行顆粒級配所得陶瓷支撐體的孔徑分布變窄。

　　(3)在10 μm氧化鋁粉與5 μm氧化鋁粉質量比為1：0、1：1、1：2、0：1的情形中，質量比為1：1的孔徑分布最窄。通過多級顆粒級配，可獲得平均孔徑更小、孔徑分布更窄的多孔陶瓷支撐體。

　　基金項目

　　洛陽市科技重大專項(項目編號：1901008A)

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