堇青石多孔陶瓷的制备方法及应用


来源:中国粉体网   山川

[导读]  堇青石多孔陶瓷如何制备?有何应用?

中国粉体网讯  多孔陶瓷具有很多优异的性能,如耐高温、耐化学腐蚀和较高的气孔率等,被广泛应用于过滤与分离、催化剂载体以及污染防控等领域,其中多孔堇青石陶瓷因其极低的热膨胀系数和优异的抗热冲击性能使其能在较为恶劣的工况下使用,而成为常见的催化剂载体材料。


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堇青石质多孔陶瓷的性质


堇青石是一种可呈无色、蓝色、淡蓝色、灰蓝色和烟蓝的硅酸盐矿物,化学组成式为2MgO·2Al2O3·5SiO2(即含13.7%MgO、34.9%Al2O3和51.4%SiO2(质量分数)),熔点1460℃,具有较低的热膨胀系数、良好的化学稳定性和介电性能。


堇青石晶体的热膨胀呈现各向异性,在c轴方向是负值,在a轴方向是正值,这样在c轴方向呈现负的膨胀,整体显示非常小的热膨胀。因此,利用堇青石制备多孔陶瓷既具有堇青石的较低热膨胀系数,良好的化学稳定性、介电性能等性质,又具有多孔陶瓷低密度、高渗透率、抗腐蚀、耐高温、隔热良好等性能。


堇青石质多孔陶瓷的制备方法


堇青石多孔陶瓷最主要的特征是其多孔特性,其制备的关键和难点就是其多孔结构的形成。根据多孔陶瓷材料的具体使用场所和性能要求,目前已有的堇青石多孔陶瓷的制备工艺有颗粒堆积法、发泡法、挤压成型法、添加造孔剂法、有机泡沫体浸渍法、溶胶-凝胶法、凝胶注模法等。



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1、添加造孔剂法制备堇青石多孔陶瓷


引入相应造孔剂制备堇青石多孔陶瓷是一种工艺简单的制备方法,其制备工艺指的是在陶瓷坯料中添加适量的造孔剂,由于造孔剂在坯体中占据一定的空间,烧结后造孔剂离开基体而在坯体内部形成气孔,获得堇青石多孔陶瓷。在堇青石多孔陶瓷的制备过程中,常用的造孔剂有:石墨、淀粉、聚苯乙烯微球、炭黑、聚丙烯塑料颗粒、木屑、米糠等。


添加造孔剂法制备多孔陶瓷的优点为:制备工艺过程简单,容易操控,可制得形状复杂及各种气孔结构的多孔陶瓷。缺点为:混料过程中难以保证造孔剂在坯料中的分布均匀性,故制品的气孔分布均匀性较差,显气孔率较低,难以保证制品性能的稳定性。


2、挤压成型法制备堇青石多孔陶瓷


挤压成型法制备堇青石多孔陶瓷的工艺特点是依靠事先设计好的多孔金属磨具来成孔。一般是将制备好的可塑性坯泥放入挤压成型机通过具有蜂窝网格结构的磨具进行成型,经干燥、烧成即可获得具有一定孔隙率和孔径分布的堇青石多孔陶瓷。


挤压成型法制备多孔陶瓷的优点为:可根据制品的实际应用场所精确设计孔隙率、孔径大小以及成孔形状等,最常见的孔型设计为正方形、三角形等;孔隙率均匀;易大批量生产。缺点为:不能制备出比较复杂的孔径结构和孔径较小的堇青石多孔陶瓷;对挤压成型坯泥质量的要求较高;对挤压成型所用金属模具的精度要求较高。


3、发泡法制备堇青石多孔陶瓷


发泡法制备多孔陶瓷材料是在陶瓷制备过程中添加一定量的发泡剂,常用的发泡剂为有机发泡剂和无机发泡剂两种。在坯料处理过程中发泡剂会形成一定量的挥发性气体,产生一定量的泡沫,经过干燥、烧成可获得具有一定孔隙率的多孔陶瓷材料。


发泡法制备多孔陶瓷材料与传统陶瓷的制备工艺相比,多了一个干燥前的发泡过程,所以理论上在坯料的干燥温度范围内能产生气体的物质均可作为发泡剂使用。


4、有机泡沫浸渍法制备堇青石多孔陶瓷


有机泡沫浸渍法是将制备好的陶瓷浆料均匀涂覆在有机泡沫网状体上,干燥处理后,在一定温度下将有机泡沫体烧掉,从而获得具有一定孔隙率和孔径分布的多孔陶瓷材料。为了保证制品的质量,所采用的有机泡沫网状体必须有一定的亲水性和足够的回弹性,即可保证其与陶瓷料浆的结合强度,且在多余浆料挤出后网状体还可恢复原来的形状。由于有机泡沫网状体的三维网状骨架结构,制得的多孔陶瓷材料具有完全连通的开孔结构,且气孔率较高。


5、颗粒堆积法制备堇青石多孔陶瓷


颗粒堆积法(也称为骨料堆积法/固态烧结法)是以微细的陶瓷粉体为主要原料,利用微细粉体比表面积大,即烧结推动力大,易于烧结的特点,在一定烧成温度下生成一定液相并将粉料相互连接起来。为了保证制品的烧成速率,一般需在原料中加入一定的助溶剂和黏结剂,这种方法制备的多孔陶瓷的气孔率较低,因此,利用这种方法制备堇青石多孔陶瓷的研究较少。颗粒堆积法制备多孔陶瓷的优点为:制备工艺简单;缺点为:制品的气孔率较低,且强度较低。


堇青石质多孔陶瓷的应用


1、催化剂载体材料


催化剂载体能够提高催化剂的使用效率,主要作用机理是在催化反应中使得催化剂有恰当的形状和较好的机械强度,从而使微量的催化剂能够均匀地分散。目前,汽车使用最多的是蜂窝状堇青石质多孔陶瓷载体,其具有薄壁、开孔率高、机械强度大、热稳定性好、耐冲击等优点。


2、过滤分离材料


利用多孔陶瓷孔径相互贯通及尺寸分布均匀等特点,可实现气体和液体的过滤和分离。


3、耐火材料


堇青石由于具有低热膨胀率及强抗热震性,因此可用作耐火材料。


4、电子器件材料


堇青石由于具有良好的介电性能,因此可用作电子器件材料。


参考来源:

[1]刘晓旭,刘晓文.堇青石质多孔陶瓷的制备与应用现状

[2]张会.堇青石多孔陶瓷的制备及研究进展

[3]段俊杰等.多孔堇青石的制备


(中国粉体网编辑整理/山川)


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作者:山川

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