CN108751968A - 一种本征成孔的多孔陶瓷材料制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种本征成孔的多孔陶瓷材料制备方法，属于固废综合利用技术领域。该方法将不同原料按照质量百分比混合，无需加入造孔剂，按照传统陶瓷制备方法加工成生坯，并经过干燥和烧结，获得多孔陶瓷材料。原料中不含有辉石晶相，原料混合后制备的陶瓷材料化学组成为35％<SiO2<65％，10％<CaO<30％，3％<Al2O3<31％，3％<MgO<20％，0％<Fe2O3<10％，0％<Na2O+K2O<3％，烧制的陶瓷材料主晶相含有辉石相。烧制温度在1020～1260℃区域内。本发明工艺简单，易于控制，是生产多孔陶瓷材料的一条有效途径，可以用作具有吸附、过滤等功能性材料，各类载体材料，或者功能建筑材料并广泛应用。

Description

一种本征成孔的多孔陶瓷材料制备方法
技术领域
本发明涉及固废综合利用技术领域，特别是指一种本征成孔的多孔陶瓷材料制备方法。
背景技术
我国是一个环境污染比较严重的国家，其中水污染、空气污染是其中的重要关注领域。在今后几年环保行业，对于粉尘、有害气体吸附、污水过滤相关材料的需求将非常大。
多孔陶瓷是一种新型的功能材料，具有一定尺寸和数量的孔隙结构，结合了多孔材料的高比表面积和陶瓷材料的物理、化学稳定性。多孔陶瓷滤料由大量晶粒及大量开放的三维连通气孔构成，从而赋予滤料良好的过滤性及高强度,具备化学稳定性好、孔隙率高且孔径均匀可控、强度高、热稳定性好、比表面积大、再生性强等优点。
多孔陶瓷作为一种性能优异，前景广阔的新型陶瓷材料，其潜在应用非常广泛，正被大量用于环保、化工、石油、冶金、矿山、食品、医药及生物等领域作为过滤，分离、吸音、隔热、敏感材料、生物陶瓷及催化剂载体等。
人们在传统工艺基础上已经发展了多种多孔陶瓷的制备工艺，如颗粒堆积成型工艺、发泡工艺、添加造孔剂工艺、有机泡沫体浸渍工艺、溶胶-凝胶法等。
公开号为CN104355674A公开了一种利用城市污泥烧纸多孔陶瓷材料的方法，利用粘土、城市污泥和造孔剂烧制成多孔陶瓷，利用污泥中的有机物、造孔剂达到多孔的目的。得到的成品孔隙率可达46.7％，但抗压强度最高仅有16MPa。
公开号为CN104909820A采用原料为均匀低活性致密球形颗粒，球形颗粒间的接触部分通过烧结形成烧结颈提供陶瓷强度，球形颗粒间的堆积间隙的物理造孔方法形成三维孔道。得到的成品孔隙率在30-45％之间，平均孔径在8-10μm，强度在15-40MPa。
公开号为CN104163650A利用自发泡的陶瓷浆体，经室温发泡成型和高温烧结而成，其中陶瓷浆料的主要成分包括有机聚合物、化学发泡剂和催化剂，发泡剂能产生氢气或二氧化碳。孔隙率可达70％以上，孔径在10μm-10mm。
通常陶瓷在孔隙率和吸水率快速下降，即进入烧成区间，此时陶瓷才具有较高的强度。通常吸水率小于20％大于10％是认为成陶，吸水率低于0.5％是认为成瓷，此时的温度叫烧成温度。传统辉石质陶瓷也主要是利用烧结时生成较多的液相，形成液相烧结为主，使得陶瓷吸水率尽可能低、强度尽可能的高。
本发明是一种新的多孔陶瓷材料的制备方法，不需要添加造孔剂，不采用物理成孔方法，仅主要利用固相扩散作为整体强度形成手段；利用密度小的矿相反应后生成密度大的矿相，利用其晶相的体积收缩达到本征成孔的目的。采用此方法制备的陶瓷在满足抗压强度大于40Mpa或抗折强度大于20MPa的条件下，仍然具有传统陶瓷不具备的特征，即吸水率大于20％，同时具有多孔陶瓷优异性能：孔径范围0.1～20μm，平均孔径在1-10μm范围内，孔隙率大于25％。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种本征成孔的多孔陶瓷材料制备方法。
该方法首先取原料混合配料，不加入造孔剂；然后，按照传统陶瓷制备方法加工成生坯；最后，经过干燥和烧结，得到多孔陶瓷材料。
其中，制得的多孔陶瓷材料的化学组成为35％<SiO2<65％，10％<CaO<30％，3％<Al2O3<31％，3％<MgO<20％，0％<Fe2O3<10％，0％<Na2O+K2O<3％。
所用原料为铝硅酸盐矿物或固废，原料混合后的主晶相中不含辉石相。
烧制的温度为1020-1260℃，烧制温度低于烧成温度20-60℃。
多孔陶瓷材料内部形成均匀开放的三维连通孔结构，平均孔径在1-10μm，主晶相含有辉石相。
多孔陶瓷材料抗压强度大于40Mpa或抗折强度大于20MPa，吸水率大于20％，孔径范围0.1～20μm，孔隙率大于25％。
本发明的上述技术方案的关键步骤及有益效果如下：
1.关键在于通过调制配方使其烧结过程中的固相烧结与液相生成反应分为两个阶段，且使得第一阶段矿相转变过程中因新生成的辉石相密度较大，会因为晶相收缩而新产生大量三维连通气孔。
2.关键在于通过控制其烧制温度，控制其第二阶段液相少量生成量，使多孔陶瓷强度达到要求，同时仍保持较高的气孔率。控制烧制温度的方法可以根据烧成曲线确定，其烧制温度控制在低于烧成温度20-60℃。
3.可以利用不同的矿物原料，包括固体废弃物制备多孔陶瓷，制备过程简单、易操作，原料来源广泛。
4.性能便于控制，可以通过控制烧结制度，来控制其孔隙率及强度，使其满足各种不同应用途径的要求。
5.平均孔径大小在1-10μm区间，可以用作过滤、吸附等功能材料，吸声、吸湿等建筑材料，以及各类载体材料等。
附图说明
图1为本发明实施例1中制备的多孔陶瓷材料的SEM照片，其中，(a)为放大500倍的SEM照片，(b)为放大3000倍的SEM照片；
图2为本发明实施例1中制备的多孔陶瓷材料的孔径分布图。
图3为本发明实施例1中制备的多孔陶瓷材料的烧制温度确定图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种本征成孔的多孔陶瓷材料制备方法。
该方法首先，取原料混合配料，不加入造孔剂；然后，按照传统陶瓷制备方法加工成生坯；最后，经过干燥和烧结，得到多孔陶瓷材料。
传统陶瓷烧结过程主要分为固相烧结和液相烧结两类，烧结过程比较复杂。烧结过程可分为三个阶段：第一阶段属于矿物失去挥发分、分解和晶相反应阶段，主要发生一些化学反应，产生一些矿相的转变；第二阶段属于致密化阶段，在此阶段会伴随着液相的生成及晶相进一步反应；第三阶段属于过烧阶段，陶瓷性能下降。随着烧结温度升高，往往会让陶瓷进入液相烧结的第二阶段，在一些液相生成后，原料中离子充分扩散，坯体致密化程度会快速提高，同时，原料间反应迅速，新的矿相大量生成。此时陶瓷入烧成区间并形成较高的强度。通常吸水率小于20％大于10％是认为成陶，吸水率低于0.5％是认为成瓷，成瓷时的温度叫烧成温度。
本发明的独特之处在于：
主要利用调制配方，使在第一阶段使原料发生反应，反应过程中通过晶相收缩新产生大量开放的三维连通气孔，使其内部有一定数量、尺寸的孔隙结构；利用在第二阶段刚开始时，在低于烧成温度20-60℃下进行烧制，控制生成少量液相，使得强度增加，同时达到在保持较高强度的情况下仍有高气孔率，满足制备多孔陶瓷的要求，即传统陶瓷认为其吸水率大于20％是没有烧成而不能具备很好力学性能，而本发明制备的陶瓷吸水率不仅大于20％而且能够具有较好的力学性能。
下面结合具体实施例予以说明。
实施例1
采用精炼渣、莱阳土、叶腊石、石英为原料，晶相不含有辉石相，原料混合后制备陶瓷的化学组成中CaO含量为17.08％，SiO2为61.52％，MgO为3.69％，Al2O3为9.54％，Fe2O3为0.72％，Na2O+K2O为1.81％。混合后的原料经过传统陶瓷粉磨、造粒、干燥、成型后获得生坯，将生坯进行烘干和烧结，选取烧制温度为1080℃，低于烧成温度50℃。所得陶瓷材料抗折强度23.07Mpa，吸水率23.56％，孔隙率38.12％，平均孔径3.18μm，是一种强度较高的多孔陶瓷材料，晶相含有辉石相。其SEM照片、制得的多孔陶瓷材料孔径分布和烧制温度确定如图1、图2和图3所示。
实施例2
采用精炼渣、莱阳土、叶腊石、石英为原料，晶相不含有辉石相，原料混合后制备陶瓷的化学组成中CaO含量为17.08％，SiO2为61.52％，MgO为3.69％，Al2O3为9.54％，Fe2O3为0.72％，Na2O+K2O为2.81％，与实施例1不同的是外掺1％Na2O(以纯碱形式加入)。混合后的原料经过传统陶瓷粉磨、造粒、干燥、成型后获得生坯，将生坯进行烘干和烧结，烧制温度为1020℃，低于烧成温度50℃。所得陶瓷材料抗压强度51.2MPa，吸水率23.58％，孔隙率37.77％，平均孔径1.27μm，是一种强度较高的多孔陶瓷材料，晶相含有辉石相。
实施例3
采用精炼渣、莱阳土、白云岩(煅烧后)为原料，晶相不含有辉石相，原料混合后制备陶瓷的化学组成中CaO含量为22.7％，SiO2为44.6％，MgO为8.1％，Al2O3为8.5％，Fe2O3为2.4％，Na2O+K2O为1.6％。混合后的原料经过传统陶瓷粉磨、造粒、干燥、成型后获得生坯，将生坯进行烘干和烧结，烧制温度为1120℃，低于烧成温度30℃。所得的陶瓷材料中抗折强度20.5MPa，吸水率27.1％，孔隙率42.26％，平均孔径1.91μm，是一种强度较高的多孔陶瓷，主晶相含有辉石相。
实施例4
采用精炼渣、镍铁渣、粘土为原料，晶相不含有辉石相，原料混合后制备陶瓷的化学组成中CaO含量为18.6％，SiO2为44.9％，MgO为19.7％，Al2O3为7.1％，Fe2O3为4.7％，Na2O+K2O为0.6％。混合后的原料经过传统陶瓷粉磨、造粒、干燥、成型后获得生坯，将生坯进行烘干和烧结，烧制温度为1150℃，低于烧成温度20℃。所得的陶瓷材料中抗压强度46.9MPa，吸水率20.69％，孔隙率35.41％，平均孔径4.7μm，是一种强度较高的多孔陶瓷，主晶相含有辉石相。
实施例5
采用电炉镍铁渣、粘土、矸石为原料，晶相不含有辉石相，原料混合后制备陶瓷的化学组成中CaO含量为14.4％，SiO2为41.2％，MgO为4％，Al2O3为30.8％，Fe2O3为3.4％，Na2O+K2O为2.36％。混合后的原料经过传统陶瓷粉磨、造粒、干燥、成型后获得生坯，将生坯进行烘干和烧结，烧制温度为1150℃，低于烧成温度20℃。所得的陶瓷材料中抗压强度41.97MPa，吸水率20.28％，孔隙率37.59％，平均孔径1.87μm，是一种强度较高的多孔陶瓷，主晶相含有辉石相。
实施例6
采用陶土、铝土矿尾矿、白云岩(煅烧后)为原料，晶相不含有辉石相，原料混合后制备陶瓷的化学组成中CaO含量为11％，SiO2为44.9％，MgO为4.4％，Al2O3为10.1％，Fe2O3为4.1％，Na2O+K2O为2.6％。混合后的原料经过传统陶瓷粉磨、造粒、干燥、成型后获得生坯，将生坯进行烘干和烧结，烧制温度为1100℃，低于烧成温度30℃。所得的陶瓷材料中抗折强度26.65MPa，吸水率23.3％，孔隙率36.65％，平均孔径2.41μm，是一种强度较高的多孔陶瓷，主晶相含有辉石相。
实施例7
采用陶土、铝土矿尾矿、白云岩(煅烧后)为原料，晶相不含有辉石相，原料混合后制备陶瓷的化学组成中CaO含量为14.1％，SiO2为52.1％，MgO为6.9％，Al2O3为12.2％，Fe2O3为4.9％，Na2O+K2O为2.9％。混合后的原料经过传统陶瓷粉磨、造粒、干燥、成型后获得生坯，将生坯进行烘干和烧结，烧制温度为1130℃，低于烧成温度20℃。所得的陶瓷材料中抗折强度27.23MPa，吸水率28.5％，孔隙率40.12％，平均孔径2.78μm，是一种强度较高的多孔陶瓷，主晶相含有辉石相。
实施例8
采用精炼渣、莱阳土、硅石、白云岩(煅烧后)为原料，晶相不含有辉石相，原料混合后制备陶瓷的化学组成中CaO含量为29.7％，SiO2为46.7％，MgO为10.5％，Al2O3为8.4％，Fe2O3为1.4％，Na2O+K2O为0.4％。混合后的原料经过传统陶瓷粉磨、造粒、干燥、成型后获得生坯，将生坯进行烘干和烧结，烧制温度为1230℃，低于烧成温度40℃。所得的陶瓷材料中抗折强度22.3MPa，吸水率30.3％，是一种强度较高的多孔陶瓷，主晶相含有辉石相。
实施例9
采用钢渣、叶腊石、滑石、粘土为原料，晶相不含有辉石相，原料混合后制备陶瓷的化学组成中CaO含量为17.95％，SiO2为50.59％，MgO为17.05％，Al2O3为5.39％，Fe2O3为6.03％，Na2O+K2O为1.34％。混合后的原料经过传统陶瓷粉磨、造粒、干燥、成型后获得生坯，将生坯进行烘干和烧结，烧制温度为1120℃，低于烧成温度30℃。所得的陶瓷材料中抗折强度20.5MPa，吸水率22％，是一种强度较高的多孔陶瓷，主晶相含有辉石相。
实施例10
采用钢渣、电炉镍渣、莱阳土、石英为原料，晶相不含有辉石相，原料混合后制备陶瓷的化学组成中CaO含量为21.66％，SiO2为53.97％，MgO为4.39％，Al2O3为9.67％，Fe2O3为5.75％，Na2O+K2O为1.21％。混合后的原料经过传统陶瓷粉磨、造粒、干燥、成型后获得生坯，将生坯进行烘干和烧结，烧制温度为1130℃，低于烧成温度20℃。所得的陶瓷材料中抗折强度24.8MPa，吸水率32.68％，是一种强度较高的多孔陶瓷，主晶相含有辉石相。
实施例11
采用电炉镍渣、高炉镍渣、钢渣、莱阳土、石英为原料，晶相不含有辉石相，原料混合后制备陶瓷的化学组成中CaO含量为10.18％，SiO2为53.80％，MgO为13.41％，Al2O3为10.32％，Fe2O3为7.40％，Na2O+K2O为1.67％。混合后的原料经过传统陶瓷粉磨、造粒、干燥、成型后获得生坯，将生坯进行烘干和烧结，烧制温度为1130℃，低于烧成温度20℃。所得的陶瓷材料中抗折强度27.4MPa，吸水率23.0％，是一种强度较高的多孔陶瓷，主晶相含有辉石相。
实施例12
采用煤矸石、滑石、钢渣、粉煤灰和石英为原料，晶相不含有辉石相，原料混合后制备陶瓷的化学组成中CaO含量为16.43％，SiO2为59.60％，MgO为4.08％，Al2O3为9.08％，Fe2O3为6.88％，Na2O+K2O为1.07％。混合后的原料经过传统陶瓷粉磨、造粒、干燥、成型后获得生坯，将生坯进行烘干和烧结，烧制温度为1120℃，低于烧成温度30℃。所得的陶瓷材料中抗折强度22.24MPa，吸水率22.23％，平均孔径6.7μm，渗透率23.07％，是一种强度较高的多孔陶瓷，主晶相含有辉石相。
实施例13
采用煤矸石、滑石、钢渣和石英为原料，晶相不含有辉石相，原料混合后制备陶瓷的化学组成中CaO含量为22.33％，SiO2为53.49％，MgO为4.73％，Al2O3为6.31％，Fe2O3为8.73％，Na2O+K2O为0.79％。混合后的原料混合后的原料经过传统陶瓷粉磨、造粒、干燥、成型后获得生坯，将生坯进行烘干和烧结，烧制温度为1125℃，低于烧成温度20℃。所得的陶瓷材料中抗折强度22.53MPa，吸水率23.5％，是一种强度较高的多孔陶瓷，主晶相含有辉石相。
实施例14
采用烧结法赤泥、钢渣、煤矸石、滑石和石英为原料，晶相不含有辉石相，原料混合后制备陶瓷的化学组成中CaO含量为24.86％，SiO2为53.77％，MgO为4.52％，Al2O3为3.98％，Fe2O3为8.38％，Na2O+K2O为1.01％。混合后的原料混合后的原料经过传统陶瓷粉磨、造粒、干燥、成型后获得生坯，将生坯进行烘干和烧结，烧制温度为1140℃，低于烧成温度20℃。所得的陶瓷材料中抗折强度26.36MPa，吸水率26.1％，孔隙率29.18％，平均孔径6.48μm，渗透率23.97％，是一种强度较高的多孔陶瓷，主晶相含有辉石相。
实施例15
采用煤矸石、滑石、钢渣、莱阳土和石英为原料，晶相不含有辉石相，原料混合后制备陶瓷的化学组成中CaO含量为14.17％，SiO2为51.77％，MgO为5.07％，Al2O3为17.64％，Fe2O3为6.85％，Na2O+K2O为1.68％。混合后的原料混合后的原料经过传统陶瓷粉磨、造粒、干燥、成型后获得生坯，将生坯进行烘干和烧结，烧制温度为1110℃，低于烧成温度20℃。所得的陶瓷材料中抗折强度20.0MPa，吸水率26.84％，孔隙率40.05％，平均孔径2.34μm，是一种强度较高的多孔陶瓷，主晶相含有辉石相。
实施例16
采用铝矾土、白云石(煅烧后)、石英为原料，晶相不含有辉石相，原料混合后制备陶瓷的化学组成中CaO含量为27.20％，SiO2为51.55％，MgO为14.23％，Al2O3为5.29％，Fe2O3为0.94％，Na2O+K2O为0.15％。混合后的原料混合后的原料经过传统陶瓷粉磨、造粒、干燥、成型后获得生坯，将生坯进行烘干和烧结，烧制温度为1250℃，低于烧成温度30℃。所得的陶瓷材料中抗折强度20.5MPa，吸水率27.8％，平均孔径4.30μm，是一种强度较高的多孔陶瓷，主晶相含有辉石相。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种本征成孔的多孔陶瓷材料制备方法，其特征在于：首先，取原料混合配料，不加入造孔剂；然后，按照传统陶瓷制备方法加工成生坯；最后，经过干燥和烧结，得到多孔陶瓷材料。
2.根据权利要求1所述的本征成孔的多孔陶瓷材料制备方法，其特征在于：所述原料为铝硅酸盐矿物或固废，不含有造孔剂，原料主晶相不含有辉石相。
3.根据权利要求1所述的本征成孔的多孔陶瓷材料制备方法，其特征在于：所述制得的多孔陶瓷材料的化学组成为35％<SiO2<65％，10％<CaO<30％，3％<Al2O3<31％，3％<MgO<20％，0％<Fe2O3<10％，0％<Na2O+K2O<3％。
4.根据权利要求1所述的本征成孔的多孔陶瓷材料制备方法，其特征在于：所述烧结的烧制温度为1020-1260℃，烧制温度低于烧成温度20～60℃。
5.根据权利要求1所述的本征成孔的多孔陶瓷材料制备方法，其特征在于：所述多孔陶瓷材料内部形成均匀开放的三维连通孔结构，平均孔径在1-10μm，主晶相含有辉石相。
6.根据权利要求1所述的本征成孔的多孔陶瓷材料制备方法，其特征在于：所述多孔陶瓷材料抗压强度大于40Mpa或抗折强度大于20MPa，吸水率大于20％，孔径范围0.1～20μm，孔隙率大于25％。
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