0前言
多孔陶瓷由于具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、高氣孔率且氣孔相互貫通的特點(diǎn)，已經(jīng)用于熔融金屬過(guò)濾器、高溫氣體過(guò)濾器、催化劑載體、多孔燃燒器以及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域等。此外，它還用于制造金屬基一網(wǎng)狀陶瓷復(fù)合材料。根據(jù)使用Et的和對(duì)材料性能要求的不同，人們已制備出很多材質(zhì)的網(wǎng)眼多孔陶瓷材料，如氧化硅、氧化鋁、莫來(lái)石、碳化硅、堇青石、碳化硅/氧化鋁、氧化鋁/莫來(lái)石、氧化鋁/氧化鋯、莫來(lái)石/氧化鋯等。
多孔陶瓷材料的制備工藝很多，有擠出成型、添加造孔劑、陶瓷漿料直接發(fā)泡、模板法等。最常用的制備工藝是有機(jī)泡沫浸漬工藝_7j，相對(duì)于其他成型方法，具有工藝簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)點(diǎn)。有機(jī)泡沫浸漬工藝是以具有三維開(kāi)孔結(jié)構(gòu)的有機(jī)泡沫作為有機(jī)模板，經(jīng)過(guò)預(yù)處理，將具有一定觸變性的漿料涂覆在模板上，干燥后脫膠，最后高溫?zé)Y(jié)得到具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的多孔陶瓷。在工藝過(guò)程中，最為關(guān)鍵的一個(gè)步驟是有機(jī)泡沫的漿料涂覆，因?yàn)橥扛驳男Ч苯記Q定著網(wǎng)眼多孔陶瓷最終的結(jié)構(gòu)和性能。這一過(guò)程不僅要保證泡沫體涂覆上漿料，而且要把多余的漿料除去，且不能有堵孔。有機(jī)泡沫體與水基漿料之問(wèn)的潤(rùn)濕性與粘附性是影響涂覆質(zhì)量的一個(gè)重要因素，而涂覆質(zhì)量的好壞直接影響著最終制品的結(jié)構(gòu)和性能，所以對(duì)有機(jī)模板進(jìn)行預(yù)處理是工藝中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。
隨著人類環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，在陶瓷的濕法成型工藝中，如澆注成型、流延成型等，多傾向采用無(wú)毒、無(wú)污染的水基漿料。同理，在目前的有機(jī)泡沫浸漬工藝中幾乎無(wú)一例外地采用水基漿料。由于漿料是水基的，而泡沫體模板是有機(jī)的，兩者相容性和粘附性很差，所以漿料往往不能充分潤(rùn)濕泡沫體，從而使掛漿不均勻，掛漿量不高，導(dǎo)致制備的多孔陶瓷有很多缺陷。首先，有機(jī)泡沫體的孔筋上漿料涂覆不均勻。根據(jù)有機(jī)泡沫體的生產(chǎn)工藝，孔筋的橫截面都是凹三角形的，在3個(gè)尖銳棱角處更難以涂覆上漿料，特別是在孔筋較細(xì)部位的涂覆更是困難。其次，在涂覆過(guò)程中，會(huì)有個(gè)別部位沒(méi)有潤(rùn)濕，根本沒(méi)有涂上漿料，從而導(dǎo)致涂覆的不連續(xù)性，在有機(jī)泡沫體的排出過(guò)程中，在孔筋表面產(chǎn)生大的裂紋、空洞等缺陷。
上述這些非常細(xì)、表面具有裂紋的孔筋嚴(yán)重降低了材料的力學(xué)性能和可靠性。如果在實(shí)際應(yīng)用中受力，在孔筋缺陷附近往往會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中，當(dāng)超過(guò)材料的應(yīng)力極限時(shí)就會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的破壞。所以，提高有機(jī)泡沫體與水基漿料之間的潤(rùn)濕性和粘附性，從而增加涂覆的均勻性和涂覆厚度，減少脫膠過(guò)程中的缺陷數(shù)量，是提高材料的力學(xué)性能及可靠性的有效途徑。近年來(lái)，為了提高涂覆厚度和均勻性，得到高強(qiáng)度、高可靠性的多孔陶瓷材料，大多研究均集中在了掛漿工藝的改進(jìn)方面；而關(guān)于有機(jī)模板處理方面的報(bào)道，除了專利以外，并沒(méi)有相關(guān)文章出現(xiàn)。
通過(guò)對(duì)有機(jī)泡沫表面用粘結(jié)劑進(jìn)行處理，使表面與漿料的粘附性增加，從而使掛漿量提高。在浸漬前，Ra—vault~采用聚合物溶液、二價(jià)和三價(jià)金屬離子溶液等對(duì)有機(jī)泡沫進(jìn)行表面改性。有機(jī)泡沫體在浸漬時(shí)，表面的漿料會(huì)發(fā)生凝聚，從而提高掛漿量，使掛漿更加均勻。但是以上方法都有各自的缺點(diǎn)。有機(jī)纖維和石墨纖維表面一般都不親水，這種方法只是通過(guò)增加表面的粗糙度來(lái)提高潤(rùn)濕性。而后兩者并沒(méi)有考慮到所加的改性劑對(duì)漿料會(huì)有不利的影響。
本文以硅溶膠為表面改性劑，從兩個(gè)方面人手對(duì)有機(jī)模板進(jìn)行了處理：一方面通過(guò)增加表面的粗糙度來(lái)提高漿料對(duì)有機(jī)泡沫體的潤(rùn)濕；另一方面通過(guò)溶膠對(duì)表面進(jìn)行改性。對(duì)處理前后有機(jī)模板的表面形貌及模板的力學(xué)性能進(jìn)行了研究。
1實(shí)驗(yàn)
采用具有貫通氣孔、孔徑為10PPI(Poresperinch)的軟質(zhì)聚氨酯泡沫作為模板。有機(jī)模板的尺寸為10arm×20mm×120arm。
選用具有親水性的硅溶膠作為有機(jī)模板的表面改性劑。選用耐火級(jí)氮化硅粉(s。一3ifer)為主要陶瓷組分，氧化鋁微粉(coAl2O。，99.16，d5o=0.62m)和粘土作為燒結(jié)助劑，羧甲基纖維素(CMC)作為漿料流變調(diào)節(jié)劑，硅溶膠(25.7，pH一8.549.5)作為粘結(jié)劑。漿料的制備：首先將去離子水、CMC溶液(4％)和硅溶膠置于球磨筒中混合均勻，然后加入陶瓷粉，球磨介質(zhì)為氮化硅球，球料比為3：1。放入行星式球磨機(jī)中球磨2h后加入消泡劑，繼續(xù)球磨0.5h，即可用于浸漬成型。處理工藝流程如圖1所示，試樣經(jīng)過(guò)洗滌后，在60℃下烘干。然后用1mol/LNaOH溶液處理24h，洗滌干燥。最后，用硅溶膠對(duì)表面進(jìn)行改性，以增大有機(jī)模板與水基漿料之間的粘附性與潤(rùn)濕性，提高掛漿量和均勻性。
用光學(xué)顯微鏡觀察處理過(guò)程不同階段有機(jī)模板表面形貌的變化。為了考察模板處理后其回彈能力的變化，用INSTRON一5566型材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)定了處理前后應(yīng)變一應(yīng)力曲線。測(cè)試試樣尺寸為lOmmX20mmX120mm，加載速率為3mm/min，應(yīng)變?yōu)?O。
2結(jié)果和討論
2.1表面改性對(duì)表面形貌的影響
根據(jù)固體表面的潤(rùn)濕理論口，本工藝從兩個(gè)方面來(lái)增加模板與水基漿料之間的粘附性和潤(rùn)濕性，從而使掛漿更容易，更均勻。①通過(guò)對(duì)表面進(jìn)行改性，使憎水的有機(jī)表面變?yōu)橛H水的極性無(wú)機(jī)表面；②在潤(rùn)濕的情況下，通過(guò)增加表面粗糙度，進(jìn)一步提高兩者之間的潤(rùn)濕性。
首先把購(gòu)買的聚氨酯泡沫體用清水進(jìn)行洗滌，去除表面的灰塵等雜質(zhì)，干燥。然后把有機(jī)泡沫放入1mol/LNaOH溶液中浸泡24h，洗滌、干燥。這一步的目的是通過(guò)用強(qiáng)堿溶液對(duì)多孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行腐蝕，一方面鈍化多孔泡沫體孔筋尖銳的三角棱邊，使其容易被水基漿料涂覆，同時(shí)還可以除去生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的孔間薄膜，防止涂覆時(shí)產(chǎn)生堵孔；另一方面，對(duì)孔筋表面進(jìn)行腐蝕，增加表面的粗糙度，提高與水基漿料之間的潤(rùn)濕。這一步處理以后，泡沫體表面的光學(xué)顯微照片如圖2(a)所示。可以看出，表面已被腐蝕出了一些坑，表面的粗糙度增加，說(shuō)明孔問(wèn)細(xì)小的薄膜完全可以被腐蝕，并通過(guò)洗滌除掉。把上一步處理好的有機(jī)泡沫放入硅溶膠中24h，并不斷輕輕攪拌，取出后離心甩去多余的硅溶膠，室溫干燥。泡沫體表面的光學(xué)顯微照片如圖2(b)所示�？梢钥闯�，表面被覆有一層呈“皺紋”狀的薄膜，這種薄膜是硅溶膠干燥以后所生成的si-O_網(wǎng)絡(luò)涂層，具有強(qiáng)的親水性。表面的粗糙度進(jìn)一步增加，并且經(jīng)過(guò)表面改性，泡沫體表面已經(jīng)由憎水的有機(jī)表面變?yōu)橛H水的無(wú)機(jī)表面，與水基漿料之間的潤(rùn)濕性進(jìn)一步提高。
2.2表面改性對(duì)模板回彈性的影響
在有機(jī)泡沫體浸漬工藝中，需要模板具有一定的回彈能力，從而經(jīng)過(guò)壓縮或者拉伸以后，能保證最終制品的結(jié)構(gòu)和形狀，特別是當(dāng)漿料的粘度很高時(shí)，如果回彈力不夠，模板將不能克服漿料的粘滯力而恢復(fù)到原來(lái)的形狀。因此有必要考察有機(jī)泡沫體的處理對(duì)有機(jī)泡沫體的力學(xué)行為的影響。孔徑為10PPI的有機(jī)泡沫體處理前后受壓時(shí)的應(yīng)力及應(yīng)變曲線分別如圖3所示。
從圖3中可以看出，壓縮曲線均可以分為3個(gè)階段，線彈性階段、彈性屈服平臺(tái)和密實(shí)化階段。經(jīng)過(guò)第二步堿液處理以后，屈服平臺(tái)明顯降低，這是由于NaOH溶液對(duì)模板有一定的腐蝕作用，泡沫的結(jié)構(gòu)受損，彈性模量有一定程度的下降，回彈性降低。但是，再經(jīng)過(guò)硅溶膠表面改性后，模板的彈性模量顯著增加，彈性屈服平臺(tái)明顯抬高，說(shuō)明模板經(jīng)過(guò)表面改性后彈性顯著提高。綜上所述，雖然有機(jī)多孔模板經(jīng)過(guò)NaOH溶液處理以后，模板結(jié)構(gòu)受到一定的侵蝕，回彈能力有一定的降低，但經(jīng)過(guò)親水性溶液表面改性以后，回彈能力和屈服強(qiáng)度顯著提高。同時(shí)也說(shuō)明，用來(lái)改性的無(wú)機(jī)涂覆層與模板基體之間的結(jié)合力比較強(qiáng)，因?yàn)樵谂菽w荷載時(shí)，硅溶膠覆層并沒(méi)有因?yàn)槭芰Χ撀�，反而�?duì)泡沫體有一定的支撐作用。且，有機(jī)模板回彈能力提高，可以使用更高粘度的漿料，從而獲得盡可能高的掛漿量。
2.3表面改性對(duì)漿料涂覆的影響
分別將處理前后的模板浸入漿料后，為更好地考察表面處理對(duì)涂覆過(guò)程的影響，離心時(shí)采用了非常高的轉(zhuǎn)速以去除多余漿料。由于兩者相容性及表面粗糙度的提高，漿料在有機(jī)模板上的涂覆均勻性進(jìn)一步提高，處理前后的涂覆連續(xù)性和均勻性的變化如圖4所示。由圖4(a)可以看出，由于模板與漿料之間的潤(rùn)濕性極差，相同條