新型开孔泡沫陶瓷材料的建筑制备及性能研究

来源: www.sblunwen.com 发布时间:2020-02-29 论文字数:0字
论文编号: sb2020021523310329566 论文语言:中文 论文类型:硕士毕业论文
本文是一篇建筑论文,本论文中使用了成本低廉、工艺简便、适用范围广的颗粒稳定泡沫和颗粒稳定乳液技术,分别采用阳离子型长链表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)和阴离子型长链
本文是一篇建筑论文,本论文中使用了成本低廉、工艺简便、适用范围广的颗粒稳定泡沫和颗粒稳定乳液技术,分别采用阳离子型长链表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)和阴离子型长链表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)作为颗粒表面疏水改性剂和发泡剂制备超稳定的泡沫浆料,并且烧结得到开孔显著的陶瓷材料。

第 1 章  绪论

1.1 研究背景及意义
材料制备科学技术在材料科学技术中有着极其重要的地位,其制备技术的不断进步,才能使材料的性能有所突破和创新[1]。陶瓷材料的耐高温腐蚀、轻质高强等特性被人们所熟知并应用到多种领域。随着材料性能和生产水平的不断提高,传统陶瓷材料的应用领域和应用范围也在不断扩大,泡沫陶瓷材料应运而生。
泡沫陶瓷是适应现代发展的第三代多孔陶瓷制品,气孔率可以达到 90%以上,具有三维网络结构。通过在工艺上对其外观、孔径大小、比表面积及其它性能进行调整,样品犹如钢化了的泡沫塑料或瓷化了的海绵体[2-3]。作为一种新型陶瓷材料,泡沫陶瓷有着均匀分布的孔洞、低容重、高气孔率、小堆积密度、大比表面积和独特的物理表面特性,选择渗透性、稳定的化学性能,吸附过滤性好,电、磁、光学等性能优良,再生简单以及材料自身特性。这些性能使得泡沫陶瓷应用于气液过滤、净化分离、化工催化剂载体、吸声减震、高级保温材料、特种墙体、生物植入材料和传感器材料等领域得到广泛的应用,并拓展到其它领域,可见其应用前景是非常广阔的[4-7]。
由于孔洞形貌和结构是影响泡沫陶瓷性能及应用的主要因素,传统的封闭孔壁结构的孔洞使得流体难以渗透和扩散,这大大限制了其在吸附、过滤、催化等领域的应用。开发新型具备多尺度孔隙结构的泡沫陶瓷,提高泡沫陶瓷的材料性能,扩大其应用领域,完善制造工艺,实现机械化生产,对于发展高新技术产业、促进科技进步意义重大。
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1.2 泡沫陶瓷分类及应用
1.2.1 泡沫陶瓷的分类
泡沫陶瓷根据孔径尺度、气孔结构、气孔率水平等可以进行多种划分,泡沫陶瓷按孔径大小可分为微孔材料(<2nm)、介孔材料(2-50nm)和宏孔材料(>50nm)。一般根据气孔的结构形式和功能可以将泡沫陶瓷分为开孔泡沫陶瓷和闭孔泡沫陶瓷、贯通气孔型泡沫陶瓷。如果制备得到的陶瓷材料内部孔洞在连续的陶瓷基体中不连通,气孔之间相互分离,则泡沫烧结体被称为闭孔陶瓷材料,主要用于隔热、保温等方面。如果陶瓷材料内部各气孔之间相互连通,则被称为开孔陶瓷材料,主要用于催化、过滤分离以及吸声降噪等方面。根据气孔率的高低,将泡沫陶瓷分为中低气孔率材料、高孔隙材料。中低气孔率材料的孔隙多为封闭型,高孔隙材料随孔洞形貌和连续固相形态呈现二维蜂窝材料、三维开孔泡沫材料、三维闭孔泡沫材料三种形式。不同原料的组成所适用的场合有所差异。本论文中主要研究开孔泡沫陶瓷材料对象。
1.2.2 泡沫陶瓷的应
泡沫陶瓷最初用于过滤细菌,随着不同体系及高性能的泡沫陶瓷材料出现,已经在多个领域所应用。
催化剂载体:与普通材料对比泡沫陶瓷的比表面积更大,用作催化负载可以增加催化剂的接触面积,有效提高催化反应过程的效率。在化工方面,泡沫陶瓷可应用于处理腐臭等有害气体,特别是在汽车尾气的净化功能。据统计,目前世界上 90%的车用催化器载体都是泡沫陶瓷载体[8]。
过滤处理:开孔泡沫陶瓷作为一种高效过滤材料,其大过滤面积、高效率、稳定性好等特点获得了人们的广泛关注[9]。通过将过滤应用拓展到铸造精密器械、工业所用元件等领域,促进了开孔泡沫陶瓷在铸造业上的广泛引用。
图 1-1  有机泡沫浸渍制备泡沫陶瓷的流程图
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第 2 章  实验与方法

2.1 实验原料及设备
2.1.1 陶瓷粉体
本论文采用主要的几种陶瓷粉体性质及生产厂家见表 2-1
表 2-1   陶瓷粉体及烧结助剂的物理性能
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2.2 实验过程
本文实验过程基于陶瓷颗粒稳定泡沫机理,利用直接搅拌发泡制备泡沫陶瓷,制备过程如图 2-1 所示:首先将陶瓷原料粉体和去离子水按照一定比例混合在滚筒球磨机球磨一段时间得到所需固相含量的水基陶瓷浆料,加入表面活性剂后调节pH 值,让表面活性剂对陶瓷颗粒充分进行疏水化修饰。对修饰后的浆料搅拌发泡并加入造孔剂得到可固化的泡沫浆料,注入模具成型后得到陶瓷坯体,经过一段时间干燥后进行烧结得到泡沫陶瓷。但需注意的是,不同章节制备的材料不同,实验添加的造孔剂有所不同,技术路线也会有所调整,在下列各个章节给出具体的实验过程。
图 2-1  制备开孔泡沫陶瓷的流程图
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第 3 章  多孔原料组装泡沫形成开孔结构 ............................. 16
3.1 引言 ............................................ 16
3.2 硅藻土开孔泡沫陶瓷制备 ................................. 16
第 4 章  直接发泡复合造孔剂法制备开孔泡沫陶瓷 ......................... 25
4.1 引言 ................................. 25
4.2 CeO2 开孔泡沫陶瓷的制备及性能 ............................... 25
第 5 章  溶胶发泡制备轻质多级孔结构泡沫陶瓷 ............................ 40
5.1 铝溶胶纳米颗粒制备多级孔泡沫陶瓷 ............................. 40
5.1.1 铝溶胶多级孔泡沫材料的制备及性能 ............................ 40


第 6 章  泡沫乳液发泡制备开孔泡沫陶瓷

6.1 引言
基于颗粒稳定泡沫的机理,在本章节中创新性地利用泡沫乳液发泡制备开孔泡沫陶瓷。颗粒稳定乳液是利用纳米级或微米级固体颗粒在油/水界面覆盖形成稳定界面的包裹层,有效阻止油水两相液滴因分散或液滴聚集而下沉造成结构不稳定的现象[56]。实验中所用方法为直接发泡,仅靠机械搅拌是不能得到稳定的乳液,油水体系暂时混溶,当停止搅拌,为了减少总能量,油水液滴便会聚集分成互不相溶的两相。实验示意图见 6-1 所示,利用原料粉体与去离子水混合后球磨成浆料,加入长链表面活性剂 SDS 调试 pH 值后进行机械搅拌,在转速达到 1500r/min 加入油相提高转速至 2000r/min 形成稳定的泡沫乳液。在整个体系中固体颗粒能够稳定吸附在油/水界面,这是因为颗粒之间相互吸引不易从界面出脱附[57]。实验中加入的表面活性剂也有稳定乳液的能力,但与固体颗粒相比,吸附界面的自由能较低,不具备长时间稳定乳液的能力[58]。
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结论

轻质开孔泡沫陶瓷材料是一种重要的结构和功能材料,具有轻量化和特殊的开孔结构,在越来越多的工程技术领域发挥重要作用。低成本制备高孔隙率和可调开孔结构尺寸的新型泡沫陶瓷材料以满足更多场合的应用成为了研究重点。本论文中使用了成本低廉、工艺简便、适用范围广的颗粒稳定泡沫和颗粒稳定乳液技术,分别采用阳离子型长链表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)和阴离子型长链表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)作为颗粒表面疏水改性剂和发泡剂制备超稳定的泡沫浆料,并且烧结得到开孔显著的陶瓷材料。通过实验本文得出以下结论:
(1)采用多孔结构材料硅藻土粉和中孔氧化硅空心球为原料,基于颗粒稳定泡沫,用长链表面活性剂 CTAB 对多孔粉体进行疏水化修饰,成功制备稳定开孔结构泡沫陶瓷。利用颗粒直径为 10-50μm 的硅藻土制备具有均匀宏观孔隙和多孔结构的轻质稳定硅藻土泡沫陶瓷,其体积密度为 0.225g/m3,比表面积为 5.20m2/g。确定了在 pH 值为 4.0-12.0 的范围内,硅藻土泡沫能够保持稳定。随着烧结温度的升高对硅藻土泡沫陶瓷开孔尺寸、孔隙率和力学性能等均有所影响。提出了以多尺度孔隙结构和较大比表面积的中孔氧化硅空心球为原料制备硅质泡沫的方法。在pH 值高于 5.0 以上可以用改性的自制中孔氧化硅空心球组装得到了清晰的宏观孔隙和均匀孔壁的三维泡沫结构。
(2)基于十二烷基硫酸钠(SDS)分别对亚微米级粉体原料(氧化铈、氧化铝、氧化锆)改性疏水形成超稳定泡沫,利用颗粒稳定泡沫复合添加造孔剂的工艺制备开孔泡沫陶瓷。实验结果发现在不改变其它影响因素下,随着固相含量的增加,气孔率随着降低,抗压强度增加;随着 SDS 添加量的增加,发泡倍率在增加;升高烧结温度,气孔率会随之降低,颗粒尺寸增大,线性收缩率和抗压强度也会随之增加。对于造孔剂的选择,不同造孔剂所形成的孔洞尺寸和形貌有所差异,由此可以根据造孔剂的种类来进行调控结构的开孔形貌和尺寸。
参考文献(略)


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