CN105294146A

CN105294146A - 一种梯度多孔堇青石陶瓷的制备方法

Info

Publication number: CN105294146A
Application number: CN201510875347.5A
Authority: CN
Inventors: 郭伟; 刘甜甜; 许晓敏
Original assignee: Yangcheng Institute of Technology
Current assignee: Yangcheng Institute of Technology; Yancheng Institute of Technology
Priority date: 2015-12-03
Filing date: 2015-12-03
Publication date: 2016-02-03

Abstract

本发明公开了一种梯度多孔堇青石陶瓷的制备方法，包括以下步骤：1)将含镁化合物、含铝化合物、煤矸石与生物质粉混合，按质量份数计，各组分配比为含镁化合物7～28份、含铝化合物17～24份、煤矸石17～50份、生物质粉23～42份，再加入添加剂，混合均匀，加入适量5％(重量比)聚乙烯醇溶液，研磨造粒，过筛，得到混合料；2)选择不同的生物质粉，重复上述步骤，得到由不同生物质粉组成的混合料；3)将上述不同的混合料，依次分层装入模具内；装填后跳振；模压成型，得到混合坯体；4)将上述混合坯体在高温炉内进行烧结，随炉冷却，得到梯度多孔堇青石陶瓷。

Description

一种梯度多孔堇青石陶瓷的制备方法

技术领域

本发明属于陶瓷制备领域，涉及一种梯度多孔堇青石陶瓷的制备方法。

背景技术

随着工业的高速发展，大量的有害高温烟气被排放，造成了严重的环境污染和大量雾霾，不仅已经严重影响了人们的身心健康，而且还严重地制约了工业的进一步发展。因此，制备用于高温含尘气体净化的多孔材料对于环境保护、节约能源、实现社会的可持续发展具有十分重要的意义。

堇青石是一种硅酸盐矿物质，其理论组成为2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂，具有热膨胀系数低、抗热震性优异和化学稳定性较好等优异的性能，是适合用于高温含尘气体净化的多孔材料。目前对堇青石多孔陶瓷方面的研究，主要是针对孔隙率的提高而对孔径要求较少，更不用说形成及具有梯度多孔结构的堇青石陶瓷。该方面的研究还未见报道。

综上所述，目前关于梯度多孔堇青石陶瓷的制备存在两个问题：(1)关于梯度多孔的结构形成；(2)缺少对孔径大小及分布的研究。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种操作简单且易于工艺控制的一种梯度多孔堇青石陶瓷的制备方法。同时，在原有的制备堇青石多孔陶瓷的基础上，基于生物质材料(稻壳、秸秆等)的结构存在差异，制备出一种梯度多孔堇青石陶瓷。

技术方案：本发明提供了一种梯度多孔堇青石陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

1)将含镁化合物、含铝化合物、煤矸石与生物质粉混合，按质量份数计，各组分配比为含镁化合物7～28份、含铝化合物17～24份、煤矸石17～50份、生物质粉23～42份，再加入添加剂，混合均匀，加入适量5％(重量比)聚乙烯醇溶液，研磨造粒，过筛，得到混合料；

2)选择不同的生物质粉，重复上述步骤，得到由不同生物质粉组成的混合料；

3)将上述不同的混合料，依次分层装入模具内；装填后跳振；模压成型，得到混合坯体；

4)将上述混合坯体在高温炉内进行烧结，随炉冷却，得到梯度多孔堇青石陶瓷。

具体的，上述制备步骤中所述的含镁化合物为氧化镁或滑石；所述的含铝化合物为氧化铝或氢氧化铝。

所述的生物质粉是将棉秆、稻壳、玉米杆、稻杆或麦秆，浸泡于体积分数为10％的盐酸溶液中，直至完全浸透，再沸煮1h，最后用蒸馏水清洗，烘干，粉磨后得到。所述的生物质粉粒径小于2.0μm。

上述制备步骤中所述的添加剂选为晶种堇青石、TiO₂、LiO₂、La₂O₃、Nd₂O₃中的一种，按重量份数计，所述添加剂的用量为0～2份，优选2份。

本发明的特点在于，通过不同的生物质粉组成不同的混合料，然后将不同的混合料叠层装填，叠层的层数为2层或2层以上，优选2～5层。叠层的次序为：不同种混合料按其生物质粉碳硅比依次增加或生物质自身孔结构的依次增大来装填。不同种生物质粉碳硅比的测定，用烧失量法及定碳仪测定坯料C的质量，用X荧光光谱仪测定Si的质量。生物质自身孔结构，通过扫描电镜图和孔径分布分析，依次增大顺序为棉秆、稻壳、玉米杆、稻杆、麦秆。

以两层为例，可以是一层为含稻壳的混合料；另一层为含玉米秆的混合料。以三层结构为例，可以是上层含玉米秆的混合料，中层含稻杆的混合料，下层含麦秆的混合料。以四层结构为例，各层依次可为：含稻壳的混合料、含玉米秆的混合料、含稻杆的混合料、含麦秆的混合料。以五层结构为例，各层依次为：含棉秆的混合料、含稻壳的混合料、含玉米秆的混合料、含稻杆的混合料、含麦秆的混合料。

各层混合料的物料比(重量)，对于双层结构来说，物料比为(0.5～2)：1，优选1:1。对于三层结构来说，物料比为(0.5～2)：(0.5～2)：1，优选1:1:1。对于四层结构来说，物料比为(0.5～2)：(0.5～2):1:1，优选1:1:1:1。

所述的跳振为将模具固定于振实台上，上下振动，振动1～5个周期(一个周期为60次/分钟)，对于双层结构来说，3～4个周期较好；对于多层结构来说，2～3个周期较好。

所述的模压成型，施加压力为5～20MPa。

所述的烧结，升温至1250～1380℃进行烧结，保温2～5h。

有益效果：

(1)本发明研制出每层都具有梯度变化的互相贯通开口气孔结构，且相邻两层间形成过渡梯度层的梯度多孔堇青石陶瓷。

(2)本发明所用原料主要为农业废弃物废料，生产成本低廉。

(3)本发明的目的是通过一步成型低温烧结法，工艺简单，成本低廉的方法制备梯度多孔堇青石陶瓷。

具体实施方式：

以下参照具体的实施例来说明本发明。本领域技术人员能够理解，这些实施例仅用于说明本发明，其不以任何方式限制本发明的范围。

下述实施例中所用的原料、试剂材料等，如无特殊说明，均为市售购买产品。

在本具体实施方式中：生物质预处理后经球磨，其中位粒径小于2.0μm。以下实施例中不再赘述。

实施例1

原料制备：稻壳采用体积分数为10％的盐酸溶液浸泡至完全浸透再沸煮1h，最后用蒸馏水清洗，烘干后用行星磨对其粉磨3h，制备成稻壳粉；按上述方法用稻秆制得稻秆粉；

混料：将MgO、Al(OH)₃、煤矸石、稻壳粉按质量比7:24:43:26称量，与外加2份堇青石晶种混合均匀，加入5％(重量比)聚乙烯醇溶液，研磨造粒，过120目筛，得到混合坯料A；按上述方法用MgO、Al(OH)₃、煤矸石、稻秆粉按质量比7:24:43:26称量，与外加2％堇青石晶种得到混合坯料B；

成型：称量坯料A与B质量比1:1，依次装填，在振实台上跳振3个周期；再将混合料在8MPa下模压成型，得到坯体；

烧成：将坯体烘干后放入坩埚内，并将坩埚置于高温炉中，升温至1350℃保温2h，得到梯度多孔堇青石陶瓷。

性能测试：采用三点弯曲法测得其抗弯强度为24.39MPa，采用阿基米德排水法测得具有梯度多孔结构的堇青石陶瓷的气孔率为43.36％，孔径范围为1～33μm。

实施例2

原料制备：玉米秆采用体积分数为10％的盐酸溶液浸泡至完全浸透再沸煮1h，最后用蒸馏水清洗，烘干后用行星磨对其粉磨3h，制备成玉米秆；按上述方法用稻秆制得稻秆粉；按上述方法用麦秆制得麦秆粉；

混料：将滑石、Al₂O₃、煤矸石、玉米秆粉按质量比28:19:18:35称量并混合均匀，加入5％(重量比)聚乙烯醇溶液，研磨造粒，过120目筛，得到混合坯料A；按上述方法用滑石、Al₂O₃、煤矸石、稻秆粉按质量比28:20:16:36称量得到混合坯料B；按上述方法用滑石、Al₂O₃、煤矸石、麦秆粉按质量比28:19:17:36称量得到混合坯料C；

成型：称量坯料A、B与C质量比1:1:1，依次装填，在振实台上跳振2个周期；再将混合料在10MPa下模压成型，得到坯体；

烧成：将坯体烘干后放入坩埚内，并将坩埚置于高温炉中，升温至1380℃保温3h，得到梯度多孔堇青石陶瓷。

性能测试：采用三点弯曲法测得其抗弯强度为22.48MPa，采用阿基米德排水法测得具有梯度多孔结构的堇青石陶瓷的气孔率为40.92％，孔径范围为3～35μm。

实施例3

原料制备：棉秆采用体积分数为10％的盐酸溶液浸泡至完全浸透再沸煮1h，最后用蒸馏水清洗，烘干后用行星磨对其粉磨3h，制备成棉秆粉；按上述方法用麦秆制得麦秆粉；

混料：将滑石、Al₂O₃、煤矸石、棉秆粉按质量比28:19:19:34称量，与外加2％TiO₂混合均匀，加入5％(重量比)聚乙烯醇溶液，研磨造粒，过120目筛，得到混合坯料A；按上述方法用滑石、Al₂O₃、煤矸石、麦秆粉粉按质量比28:19:18:35称量，与外加2％TiO₂得到混合坯料B；

成型：称量的坯料A、B质量比2:1,依次装填，在振实台上跳振5个周期；再将混合料在20MPa下模压成型，得到坯体；

烧成：将坯体烘干后放入坩埚内，并将坩埚置于高温炉中，升温至1380℃保温5h，得到梯度多孔堇青石陶瓷。

性能测试：采用三点弯曲法测得其抗弯强度为20.98MPa，采用阿基米德排水法测得具有梯度多孔结构的堇青石陶瓷的气孔率为41.92％，孔径范围为0.3～30μm。

实施例4

原料制备：棉秆采用体积分数为10％的盐酸溶液浸泡至完全浸透再沸煮1h，最后用蒸馏水清洗，烘干后用行星磨对其粉磨3h，制备成棉秆粉；按上述方法用稻壳制得稻壳粉；

混料：将MgO、Al₂O₃、煤矸石、棉秆粉按质量比8:17:52:23称量，与外加0.5％TiO₂混合均匀，加入5％(重量比)聚乙烯醇溶液，研磨造粒，过120目筛，得到混合坯料A；按上述方法用MgO、Al₂O₃、煤矸石、稻壳粉按质量比8:18:50:24称量，与外加0.5％TiO₂得到混合坯料B；

成型：称量坯料A与B质量比1:2，依次装填，在振实台上跳振1个周期；再将混合料在5MPa下模压成型，得到坯体；

烧成：将坯体烘干后放入坩埚内，并将坩埚置于高温炉中，升温至1250℃保温2h，得到梯度多孔堇青石陶瓷。

性能测试：采用三点弯曲法测得其抗弯强度为20.86MPa，采用阿基米德排水法测得具有梯度多孔结构的堇青石陶瓷的气孔率为39.19％，孔径范围为0.2～18μm。

实施例5

原料制备：稻壳采用体积分数为10％的盐酸溶液浸泡至完全浸透再沸煮1h，最后用蒸馏水清洗，烘干后用行星磨对其粉磨3h，制备成稻壳粉；按上述方法用玉米秆制得玉米秆；按上述方法用稻秆制得稻秆粉；

混料：将MgO、Al(OH)₃、煤矸石、稻壳粉按质量比7:24:44:25称量并混合均匀后，加入5％(重量比)聚乙烯醇溶液，研磨造粒，过120目筛，得到混合坯料A；按上述方法用滑石、Al₂O₃、煤矸石、玉米秆粉按质量比27:19:24:30称量得到混合坯料B；按上述方法用MgO、Al(OH)₃、煤矸石、稻秆粉按质量比7:24:44:25称量得到混合坯料C；

成型：称量坯料A、B与C质量比1:1:1，依次装填，在振实台上跳振3个周期；再将混合料在8MPa下模压成型，得到坯体

烧成：将坯体烘干后放入坩埚内，并将坩埚置于高温炉中，升温至1300℃保温3h，得到梯度多孔堇青石陶瓷。

性能测试：采用三点弯曲法测得其抗弯强度为24.63MPa，采用阿基米德排水法测得具有梯度多孔结构的堇青石陶瓷的气孔率为41.52％，孔径范围为2～25μm。

实施例6

原料制备：棉秆采用体积分数为10％的盐酸溶液浸泡至完全浸透再沸煮1h，最后用蒸馏水清洗，烘干后用行星磨对其粉磨3h，制备成棉秆粉；按上述方法用玉米秆制得玉米秆；按上述方法用麦秆制得麦秆粉；

混料：将MgO、Al(OH)₃、煤矸石、棉秆粉按质量比7:24:42:27称量，与外加1％堇青石晶种混合均匀后，加入5％(重量比)聚乙烯醇溶液，研磨造粒，过120目筛，得到混合坯料A；按上述方法用滑石、Al₂O₃、煤矸石、玉米秆粉按质量比28:19:19:34称量，与外加1％堇青石晶种得到混合坯料B；按上述方法用滑石、Al₂O₃、煤矸石、麦秆粉按质量比28:19:18:35称量，与外加1％堇青石晶种得到混合坯料C；

成型：称量的坯料A、B、C质量比1:1:1,依次装填，在振实台上跳振2个周期；再将混合料在18MPa下模压成型，得到坯体；

性能测试：采用三点弯曲法测得其抗弯强度为21.57MPa，采用阿基米德排水法测得具有梯度多孔结构的堇青石陶瓷的气孔率为41.51％，孔径范围为0.4～34μm。

Claims

1.一种梯度多孔堇青石陶瓷的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的含镁化合物为氧化镁或滑石；所述的含铝化合物为氧化铝或氢氧化铝。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的生物质粉是将棉秆、稻壳、玉米杆、稻杆或麦秆，浸泡于体积分数为10％的盐酸溶液中，直至完全浸透，再沸煮1h，最后用蒸馏水清洗，烘干，粉磨后得到。

4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的生物质粉粒径小于2.0μm。

5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的添加剂选为晶种堇青石、TiO₂、LiO₂、La₂O₃、Nd₂O₃中的一种，按质量份数计，所述添加剂的用量为0～2份。

6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于叠层装填，不同种混合料按其所含生物质粉碳硅比依次增加或生物质自身孔结构的依次增大来装填的。

7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于各层混合料的物料比为(0.5～2)：1，或(0.5～2)：(0.5～2)：1，或(0.5～2)：(0.5～2)：1：1。

8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的跳振为将模具固定于振实台上，振动1～5周期。

9.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的模压成型，施加压力为5～20MPa。

10.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的烧结，升温至1250～1380℃进行烧结，保温2～5h。