泡沫陶瓷制备的影响因素及环保功能

泡沫陶瓷制备的影响因素及环保功能

摘要：本文介绍了泡沫陶瓷的概念、制备方法、优点、性能，结合最常用的有机泡沫浸渍法制备泡沫陶瓷，研究一些主要工艺因素对泡沫陶瓷制备的影响，重点讲述了泡沫陶瓷在废水处理、废气处理，吸声降噪领域的环保功能，指出了当前陶瓷材料的研究热点和今后要解决的问题。

关键词：泡沫陶瓷；有机泡沫浸渍法；工艺因素；环保功能

Factors Affecting the Preparation of Ceramic Foam and

Eco-friendly

Abstract: This article presents the concept, process, strongpoint, performance of ceramic foam. Combined with the most common organic foam impregnated ceramic foam, it studies some of the major process factors impacting on the preparation of ceramic foam. It mainly describes the application of ceramic foam in wastewater treatment, exhaust gas treatment and sound absorption and noise reduction. The article also predicts the current research focus of ceramic materials and problems which should be solved in the future.

Key words: ceramic foam; organic precursor impregnation method; process factors; eco-friendly 我国政府高度重视可持续发展，将可持续发展确定为国家的重大发展战略。因此，在二十一世纪着眼于解决能源与环境问题的高新技术将得到广泛关注，并将对自然和社会的良性发展起到重要作用。如何开发新能源和新材料、减少已有能源与材料的消耗是其中一个重要方面，已成为科技工作者共同努力的新课题。泡沫陶瓷材料的开发就是在这种大背景下提出的。

1 泡沫陶瓷基本性质

泡沫陶瓷材料的发展始于20世纪70年代，是一种具有高温特性的多孔材料。其孔径从纳米级到微米级不等，具有三维空间网架结构的高气孔率的多孔陶瓷体，气孔率在20％～95％之间，其造型犹如钢化了的泡沫塑料或瓷化了的海绵体，使用温度为常温至1600℃。自1978年美国发明了利用氧化铝、高岭土等陶瓷料浆成功研制出泡沫陶瓷，用于铝合金铸造过滤之后，英、日、德、瑞士等国家竞相开展了研究，生产工艺日益先进，技术装备越来越向机械化、自动化发展，根据应用的目的不同，已研制出多种材质，适合于不同用途的泡沫陶瓷过滤器(见图1)，如A12O3、ZrO2、SiC、氮化硅、硼化物等高温泡沫陶瓷，有的还加入了一定的矿物，如莫来石、堇青石、粉煤灰、煤矸石等，产品已系列化、标准化，形成了一个新兴产业[1～3]。

拓宽和开发泡沫陶瓷在国内各行业中的应用，无疑是十分必要的。为了获得一定形状和结构的泡沫陶瓷材料，制备工艺过程起到了决定作用。目前，主要的几种泡沫陶瓷制备工艺包括发泡工艺、挤出成型工艺、溶胶—凝胶工艺以及有机泡沫浸渍工艺等。我国在20世纪80年代初开展泡沫陶瓷研究工作，并取得较大进展，部分产品已经标准化、系列化。但是我国的泡沫陶瓷从整体技术水平上与国外相比还有一定的差距。诸如泡沫陶瓷材料的强度和刚

度、克服掉渣、孔径尺寸的精密控制、提高材料的使用温度、移植泡沫金属和泡沫塑料等其它泡沫材料的工艺来改善泡沫陶瓷材料的制备工艺等方面，需要进一步提高[4]。

作为一种新型的无机非金属过滤材料，泡沫陶瓷具有气孔率高、比表面积大、重量轻、抗热震、强度高、耐高温、耐腐蚀、再生简单、使用寿命长及良好的过滤吸附性等优点。与传统的过滤器如陶瓷颗粒烧结体，玻璃纤维布相比，不仅操作简单，节约能源，成本低，而且过滤效果较好。泡沫陶瓷可以广泛应用于热交换材料，汽车尾气装置，净化冶金工业过滤熔融态金属，热能回收，轻工喷涂行业，工业污水处理、隔热隔音材料，用作化学催化剂载体，电解隔膜及分离分散元件等。近年来，泡沫陶瓷的应用领域又扩展到航空领域、电子领域、医用材料领域及生物化学领域等[5,6]。可以预见，各应用领域对泡沫陶瓷需求的不断扩大及对高性能泡沫陶瓷的迫切需要。特别是本世纪改善环境的呼声不断高涨，将会促进泡沫陶瓷的飞速发展，为泡沫陶瓷的应用开创更广阔的前景。高科技泡沫陶瓷在环保领域的应用展现出其作为一种绿色环保材料的重要意义和应用价值。

图1 泡沫陶瓷过滤器

2 泡沫陶瓷的制备工艺

泡沫陶瓷材料的制备方法有很多，其中应用比较成功的有：有机物燃失法，添加造孔剂法，发泡法，有机前驱体浸渍法及溶胶一凝胶法等。

目前最理想的制备方法是有机前驱体浸渍法，用此种成型方法制备的泡沫陶瓷已在多个领域进行了大量应用。该方法采用聚氨酯泡沫塑料为载体，将其浸入到由陶瓷粉末、粘结剂、助烧结剂、悬浮剂等制成的涂料中，然后挤掉多余涂料，将陶瓷涂料均匀涂覆于载体骨架成为坯体，再把坯体烘干并经高温焙烧而成。其典型的工艺流程如图2[7]所示。该方法通过控制浆料性能，优化无机粘结剂体系，严格控制浆料浸渍工艺过程，可以制备高性能的泡沫陶瓷制品。

图2 有机前驱体浸渍法工艺流程图

3 泡沫陶瓷研制过程中影响因素

结合最常用的有机泡沫浸渍法制备泡沫陶瓷，来研究一些主要工艺因素对泡沫陶瓷制备的影响。

3.1 酸处理对有机泡沫体挂浆量的影响

由于料浆是水基的而泡沫模板是有机的，两者相容性和粘附性很差，所以料浆往往不能充分润湿泡沫体，在涂覆过程中，会有个别部位因为没有润湿而根本没有涂上料浆，从而导致涂覆的不连续性，在有机泡沫体的排出过程中，在孔筋表面产生大的裂纹、空洞等缺陷。导致的结果是挂浆量不高且不均匀，这样直接影响所制备泡沫陶瓷的强度和孔洞的均匀性。所以必须对有机泡沫体进行预处理，在本实验中首先采用不同质量浓度的硫酸溶液，将具有相同体积的有机泡沫体浸泡。结果如图3[8]所示：用硫酸溶液处理有机泡沫体时，随硫酸量的增加，平均挂浆量先上升，但超过50％左右反而下降。

图3 酸处理对挂浆量的影响

3.2 碱处理对有机泡沫体挂浆量的影响

这里采用不同浓度的氢氧化钠溶液，将有机泡沫体浸泡24h，结果如图4所示。图4显示了氢氧化钠浓度对挂浆量的影响，随着浓度的增加，挂浆量先上升后下降，在2mol／L左右达到峰值[9]。

通过比较挂浆量可以看出用氢氧化钠溶液处理的有机泡沫体的挂浆量，要比用硫酸溶液处理的要高。这是由于用氢氧化钠溶液处理的有机泡沫体的表面粗糙度高，并且用氢氧化钠溶液处理的有机泡沫体的表面产生了一OH使得泡沫与水基料浆有很好的相容性，挂浆量也得到提高。

图4 碱处理对挂浆量的影响