高性能双层泡沫陶瓷过滤板的制备及应用研究

2019-10-08 版权声明 举报文章

摘 要:本文介绍了一种以氧化铝为材质的双层泡沫陶瓷过滤板的研制,其具备上层网孔大、下层网孔小的双层过滤特征。文中详细介绍了该双层氧化铝泡沫陶瓷过滤板的制备工艺。通过实验,对普通泡沫陶瓷过滤板与高性能双层泡沫陶瓷过滤板的海绵性能、浆料性能、成品性能以及过滤性能分别进行了比较分析,从而获得了较为优化的高性能双层泡沫陶瓷过滤板制备技术。

关键词:双层;氧化铝;泡沫陶瓷

1 前 言

泡沫陶瓷的发展始于20世纪70年代,它是一种具有三维空间网络结构的高孔隙率的多孔陶瓷材料。其孔径从0.1mm~3mm不等,孔隙范围在65%~85%之间,使用温度可以从常温一直到1600℃[1,2],其本身材质犹如钢化的泡沫塑料或瓷化的海绵体[3]。

泡沫陶瓷作为第三代过滤器,发展已有30多年历史,生产和研发大多以材质上的变化为主,如氧化铝、碳化硅、氧化锆、氧化镁、堇青石等,结构上作出改变则很少。双层泡沫陶瓷过滤板是在原有产品上实现结构层次上的变化,即上层网孔大,下层网孔小。在一块过滤板上同时拥有2种不同PPI网孔,从而实现过滤范围更广、过滤精度更高的特点。相比于传统的泡沫陶瓷过滤板,组合双层泡沫陶瓷具有更加优异的理化性能和更加好的过滤效果,能够很好地简化浇注系统,在一块过滤板上达到两块的净化效果。这对于国内许多精密铸件厂家来说,迎合了他们对浇注铸造过程中的更高需求[4,5]。

2 实验过程

2.1 实验原料及配比

实验双层泡沫陶瓷过滤板采用氧化铝材质,调整配方和工艺参数后,也同样适用于碳化硅、氧化锆等材质。实验选用无锡鸿泰的4微米级煅烧α-氧化铝。其它陶瓷原料有白刚玉、高岭土、长石、硅微粉和滑石粉,各种原料均为微米级细粉,配方的粘结剂选用自己配置的磷酸二氢铝溶液。

2.1.1原料配方

为了充分提高浆料的触变性和液相均匀性,满足双层网孔对浆料的需求,实验采用先干混后湿混的工艺[6]。先将各种干粉原料按配比称量,再将其按顺序放入机械混料机内混合1~2h后出料。将干混好的粉料加入磷酸二氢铝溶液,搅拌调成浆料。实验采用的原料配方及原料颗粒要求见表1。

2.1.2粘结剂配方

为了更好地控制实验结果,实验采用自行配置磷酸二氢铝为粘结剂。即将称量好的水及磷酸倒入搪瓷盆内,加热至沸腾,再将称量好的氢氧化铝倒入,反应充分至液体澄清。粘结剂配方见表2。

2.2 工艺流程

组合双层泡沫陶瓷过滤板,比较普通的泡沫陶瓷过滤板主要体现在结构上的差异,即上层网孔大,下层网孔小。这样的不同网孔结构,使其使用功能上具备较为优越的性能。为了更好地实现组合双层的效果,实验采用了斜角叠加工艺,即将不同网孔的海绵以17°的斜角切削,网孔大的底面刚好与网孔小的表面相接,形成一块斜角为17°的双层过滤板。实验工艺流程如图1所示[7]。

2.3 性能测试

按照上述配方及工艺制备的组合双层氧化铝泡沫陶瓷过滤板样品,送往国家轻工业陶瓷耐火材料质量监督检测中心检验,检测指标有体积密度、通孔率、常温抗折抗压强度以及抗热震性。检测依据的国家标准有GB/T4740-1999、GB/T4741-1999和JC/T895-2001等。

3 结果与讨论

3.1 叠加双层网孔海绵的性能

实验选用的泡沫海绵为聚氨酯多孔网状海绵,海绵为我司自主研发的专业用于生产泡沫陶瓷过滤板(专利号:201110311946.6)的产品。该海绵发泡的原料为甲苯二异氰酸酯、聚醚多元醇、二氯甲烷和辛酸亚锡等。通过调整聚醚多元醇的含量,控制网孔经络的粗细及弹性,从而达到叠加网孔海绵性能的要求。海绵网孔性能对比见表3。

通过采用斜角叠加,使得上浆后2块不同网孔海绵能够完整地结合。结合后的泡沫陶瓷过滤板经过干燥工序,便能实现相互粘结成为一体,再经过高温烧结,最后制得双层泡沫陶瓷过滤板。示意图如图2所示。

由表3可知,聚氨酯多孔海绵的密度、通孔率、熔点、弹性以及强度对于不同结构的泡沫陶瓷,要求也不尽相同。对用于双层泡沫陶瓷过滤板结构的聚氨酯海绵,其各项性能都要比单层的高。因为要符合特殊的叠加工艺要求,所以双层泡沫陶瓷对海绵的要求更为苛刻。

3.2 配料后氧化铝陶瓷的浆料性能

实验制备的是氧化铝材质的双层泡沫陶瓷过滤板。对于氧化铝陶瓷浆料,应具有很好的触变性和粘结性。因为它需要同时满足大网孔海绵的上浆要求,又要满足小网孔海绵的上浆要求。对相同配方,采用湿混、干混和湿混结合两种不同制浆工艺,得到的浆料性能及上浆的效果不一样。不同工艺下浆料及上浆效果的对比见表4。

从表4中可以看出,相同配方,不同制浆工艺,浆料的密度、含水率等指标不一样,对浆料上浆后的影响也不一样。选择干混和湿混制浆工艺,可以获得密度为2.5g/cm3、含水率为16.8%和良好触变性的浆料,并获得较佳的上浆效果。

3.3 烧结后成品性能

将实验制备的双层氧化铝泡沫陶瓷过滤板样品,送往国家轻工业陶瓷耐火材料质量监督检测中心检验,检验号为(2012)委字第0615号。检测的性能满足国家建材标准JC/T895-2001的要求。检测性能指标与建材性能指标对比见表5。

从表5中反映出来的性能指标表明,实验制备的双层氧化铝泡沫陶瓷的各项理化性能指标均满足甚至高于建材行业的要求。尤其是常温抗折和抗压强度指标达到了0.8MPa和3.4MPa,测试还增加了体积密度和抗热震性指标的测试,也满足体积密度小于等于0.5 g/cm3、抗热震性800℃三次不裂的企业内部标准。这将使产品能够更好地满足客户的使用要求,使用过程中更加稳定可靠,大大减少了出现过滤板断裂的风险。

3.4 过滤性能对比

采用着色处理和MATLAB软件的图像处理方法[8],对相同厚度25PPI的单层泡沫陶瓷过滤板,和上层为20PPI、下层为25PPI的双层泡沫陶瓷过滤板进行过滤效果的检测,检测结果见表6。

由表6可知,铝熔体过滤前铸件表面缺陷率较高,达到了3%~5%。经过单层过滤板过滤后,表面缺陷得到明显下降,仅为0.5%~1.5%。对比单层过滤,双层过滤效果更佳,表面缺陷率降至0.01%~0.2%。说明对于相同网孔的泡沫陶瓷,双层过滤效果比单层要好,铸件成品率更高。

4 结 论

(1) 组合双层泡沫陶瓷过滤板是在现有的单层普通泡沫陶瓷上研制出来的,结构上呈现大小网孔的变化,并且在使用过程中,能够实现多级净化,达到过滤范围更广、过滤精度更高的效果,能够满足精度更高的铸件产品的需求。

(2) 以氧化铝为材质,通过配方及相关工艺流程,制备出了组合双层氧化铝泡沫陶瓷过滤板;采用网孔经络粗的海绵,并制备密度2.43 g/cm3、含水率16.5%和触变性好的浆料,可制备出最佳的泡沫陶瓷样品。

(3) 通过检测,实验制备的组合双层氧化铝泡沫陶瓷过滤板具备优于国家建材标准JC/T895-2001的理化性能;其中体积密度为0.49g/cm3、通孔率为82%、常温抗折强度0.8MPa、常温抗压强度2.4MPa、抗热震性为800℃五次不裂。

(4) 通过着色处理和MATLAB对比分析,双层泡沫陶瓷过滤板相比单层的过滤表面缺陷要少,单层相比没有过滤的表面缺陷要少。

参考文献

[1] 宁青菊,姚治才. 多孔陶瓷材料[J]. 硅酸盐学报,1998 ,4(1) :41~45.

[2] 靳洪允. 泡沫陶瓷材料的研究进展[J]. 现代技术陶瓷,2005(3) :33~35.

[3]Xinwen Zhu,Dongliang Jiang, Shouhong Tan,and Zhaoquan Zhang.Improvement in the Strut Thickness of Reticulated Porous Ceramics[J].J.Am.Ceram.Soc,2001,84(7):1654~56.

[4] 陆树荪. 铝铸造合金及熔炼[M]. 北京:国防出版社,1983.

[5] 曾令可,王慧,罗明华等. 多孔功能陶瓷制备与应用[M]. 北京:化学工业出版社,2006:22-24

[6] 王霞. 泡沫陶瓷浆料制备工艺的研究[J]. 佛山陶瓷,2009(9).

[7] 王霞. 铸造用泡沫陶瓷过滤器生产工艺的研究[J]. 佛山陶瓷,2008(10).

[8] 李秀华,刘海峰,吕伟. 泡沫陶瓷过滤片过滤效果的检测方法[J]. 铸造,2007(56).

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