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隔热材料、陶瓷用造孔剂的种类都有哪些?

发布日期: 2020-05-20 10:32:01    阅读量(153)    作者:

在传统的陶瓷制备工艺中,通常改变烧结温度和时间来调控烧结制品的气孔率和强度,但其气孔率和强度通常情况下相互矛盾。烧结温度过高,制品收缩程度增加,致使部分气孔封闭或消失,温度过低,制品的强度达不到所需要求。而添加造孔剂法则可使制备的多孔陶瓷烧结制品既有较高的气孔率又保持足够的强度。此外,该工艺主要通过改变造孔剂的添加量、粒径大小、形状及分布来控制孔隙的大小、形状及分布,所生产的制品在流体过滤,保温隔热和废水处理等方面具有广泛的应用。因此,造孔剂的用量、颗粒形状、大小及与原料的混合分散性直接影响产品的质量,使得造孔剂种类和用量的选择显得尤为重要。

碳酸铵

一般来说,多孔陶瓷的制备主要包含陶瓷配料、造孔剂和结合剂。通过在材料制备过程中引入造孔剂,使材料内部形成大量孔隙,造孔剂种类的多样性导致产生的孔隙不尽相同。根据组成成分的不同,可将造孔剂分为无机和有机两大类:

(1)无机造孔剂

其组成成分主要为无机物。主要包括高温可分解盐类如碳酸铵等铵盐,以及煤粉、炭粉等可分解化合物。ReshetenkoTV等人[30]利用碳酸铵和碳酸氢铵为造孔剂来改善直接甲醇燃料电池(DMFC)中阴极催化剂层的孔结构。在制造膜电极组件时,上述造孔剂分解,增加电极的BET表面积,并产生额外的孔隙率。碳酸铵产生的大孔和碳酸氢铵产生的中孔还提高了电池的电化学活性区和催化剂的利用率,使电池的功率密度提高30~40%;MengT等人则用氯化铵为造孔剂,采用气体发泡法制备了三维网状钛酸锂/石墨烯(LTO/G)复合材料。通过将氯化铵引入到石墨烯片之间的间隙中,其进一步分解成气体并在热处理过程中产生分层孔,使复合材料具有疏松多孔的结构,促使电解质更好的渗透,为锂离子提供更快的扩散通道,使得LTO/G复合材料成为锂离子电池最有前景的阳极材料之一。另一方面,蒋利跃等人以红柱石为主要原料,以煤粉为造孔剂,并加入一定量的桂广滑石、星子高岭土等,制备出可用于液体吸附的红柱石基多孔陶瓷;陈景华等人则以氧化锆为基体、活性炭粉为造孔剂及氧化钇作为稳定剂制备出各方面性能优异的多孔YSZ陶瓷。

(2)有机造孔剂

主要由天然有机物和高分子聚合物等组成,如锯末、稻壳、淀粉、聚甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酸甲酯等。Mohanta等人通过改变造孔剂稻壳的粒径和加入量来控制多孔陶瓷的孔隙率和孔径,结合剂选则用同样具有成孔作用的蔗糖溶液,成功制备了具有20~60%孔隙率和50~516μm孔径长度的氧化铝多孔陶瓷。Zhao等人则通过向Si3N4粉末中添加0~40%的聚甲基丙烯酸酯(PMMA),采用无压烧结成功的制备出性能优异的多孔β-Si3N4陶瓷。

360彩票 多孔陶瓷孔隙率主要由造孔剂的添加量决定,而孔隙的形状和尺寸则受造孔剂的形状和尺寸的影响。然而这些造孔剂需要与陶瓷原料混合均匀,以获得均匀和规则的孔隙分布。上述高温可分解盐类虽然在高温下分解使材料产生孔隙,但其分解产生的气体中含有刺激性气味的气体如氨气等,而煤粉由于杂质成分高从而影响材料的高温性能;另一方面,有机高分子聚合物分解容易产生有害气体,导致此类造孔剂的使用也受到限制。

而有机造孔剂中植物类造孔剂由于其来源广泛、成本低廉、烧失量大等优点成为添加造孔剂法制备多孔陶瓷中造孔剂的首选。这些植物类造孔剂主要包含有成品或半成品农产品(如淀粉等)和植物废屑(如稻壳、锯末等)。尽管有很多这方面的综述性文章对多孔陶瓷的应用和制备路线进行了总结,但植物类造孔剂的潜力尚未得到全面发掘。值得注意的是,相当多的农产品在加入到陶瓷基体中后可得到良好的孔隙网络。到目前为止,淀粉材料(大米、小麦和玉米)、棉花等造孔剂已经被广泛研究。Zhang等人概述了使用棉花为造孔剂制备单向排列连续孔隙的多孔陶瓷。Nishijima等人则用大米、马铃薯和玉米的淀粉作造孔剂来控制多孔Al2TiO5陶瓷的显微结构演变。而Prabhakaran等人通过使用小麦颗粒作为胶凝剂和造孔剂,制备出大孔氧化铝陶瓷。

表1不同植物的灰分和二氧化硅含量

最近研究表明,除了使用成品或半成品的农产品外,农业废弃物作为造孔剂也被广泛关注。同时,相关调查表明,露天焚烧农业废弃物是导致全球变暖、严重空气污染和危害呼吸系统健康的关键因素。目前,农业废弃物处理的原始做法正在被改善,以最大限度提高严重依赖农业出口的国家的经济收益。另一方面,诸多研究表明,大多数农业废弃物具有显著的SiO2含量(见表1),而SiO2又是部分陶瓷生产的重要原料。如居治金等人以稻壳为硅源和碳源成功制备出性能较好的多孔堇青石陶瓷。随着全球越来越多的采用“零废物”概念,在材料领域,将农业废弃物转化为可利用资源受到广泛关注。

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