凝胶_发泡法制备多孔氧化铝隔热材料的研究.pdf

热加工工艺 2011年第40卷第22期 材料热处理技术Material 昆明理工大学 分析测试基金金资助项目 2010 30 作者简介 张林 1985 男 河南南阳人 硕士研究生 主要研究方向为 功能陶瓷研究 电话E mail archerzl 通讯作者 杜景红 1972 女 河南驻马店人 副教授 主要研究方向为 功能材料 电话E mail cldjh 隔热材料是指能阻滞热流传递的一种功能材 料 被广泛应用于炉管 炉芯和保冷集装箱 工业炉 窑炉衬材料 以及航空航天工程中一些易被高温热气 流烧蚀的关键部位 1 3 隔热材料通常是一些轻质 疏 松 多孔和热导率低的材料 其中多孔陶瓷是最主要 的隔热材料之一 4 多孔陶瓷作为隔热材料时 为了 使材料的热导率更低 通常需要多孔陶瓷具有更高 的闭气孔率 发泡法特别适合于高闭气孔率陶瓷材 料的制造 且制备出的多孔陶瓷气孔率大 强度高 但是 发泡法制备多孔陶瓷过程中易出现粉化剥落 现象 5 而凝胶注模法通过有机单体和交联剂的原 位聚合 可形成具有较高强度的凝胶 一定程度上弥 补了发泡法的这一缺点 鉴于此 本文将凝胶注模法 和发泡法相结合 制备出了闭气孔率高 孔径均匀 强度高和热导率低的多孔氧化铝保温隔热材料 1实验材料与方法 1 1实验材料 氧化铝粉体的粒径为0 5 m 分散剂为MA AA 烧结助剂为MgO 有机单体为N 羟甲基丙烯酰胺 NMAM 交 联 剂 为N N 亚 甲 基 双 丙 烯 酰 胺 MBAM 引发剂为过硫酸铵 APS 催化剂为四甲 基乙二胺 TEMED 发泡剂为十二烷基苯磺酸钠 稳泡剂为吐温 80 TW 80 1 2实验过程 将分散剂MA AA 有机单体N MAM和交联 剂MBAM加入去离子水中搅拌溶解 并加入氨水调 节pH值形成预混液 再加入陶瓷粉体Al2O3 烧结助 剂 发泡剂十二烷基苯磺酸钠和稳泡剂吐温 80 球 磨混合或机械搅拌均匀即可得到高固相含量 低粘 度的浆料 在制备好的浆料中加入引发剂APS和催 凝胶 发泡法制备多孔氧化铝隔热材料的研究 张 林 杜景红 甘国友 严继康 昆明理工大学 材料科学与工程学院 稀贵及有色金属先进材料教育部重点实验室 云南省新材料制备与加工重点实 验室 云南 昆明650093 摘要 结合凝胶注模和发泡法制备了多孔氧化铝隔热材料 研究了发泡剂用量 固相含量和烧结温度等对氧化铝 陶瓷气孔率的影响 结果表明 当发泡剂用量为1wt 固相含量为45vol 烧结温度为1500 时 可制备出总气孔率 和闭气孔率高 孔径较小且分布均匀 强度高和热导率低的多孔氧化铝陶瓷 关键词 凝胶 发泡法 氧化铝多孔陶瓷 隔热材料 中图分类号 TB32文献标识码 A文章编号 1001 3814 2011 22 0097 03 Study on Preparation of Porous Alumina Insulation Materials by Gel foaming ZHANG Lin DU Jinghong GAN Guoyou YAN Jikang Yunnan Key Laboratory of New Materials and Processings Ministry of Education Key Laboratory of Advance Materials in Rare porous alumina ceramics insulation 97 Hot Working Technology2011 Vol 40 No 22 材料热处理技术Material Heat Treatment2011年11月 总气孔率 闭气孔率 化剂TEMED 迅速搅拌均匀 并将配置好的浆料注 入模具中 形成凝胶 脱模后干燥排胶烧结即可得到 所需多孔陶瓷 1 3性能检测 1 3 1气孔率 气孔率的测量和计算 按照GB T2997 1982规 定 运用阿基米德排水法测试 其计算公式如下 q1 m3 m1 m3 m2 100 D m1 m3 m2 q 1 D q2 q q1 式中 Q为材料的总气孔率 q1为材料的显气孔 率 q2为材料的闭气孔率 D为试样的容重 为氧化铝的理论密度 3 98g cm3 m1为测试试样的 于燥质量 g m2为饱和测试试样在水中的质量 g m3为饱和测试试样在空气中的质量 g 饱和试样可 通过煮沸法来制备 1 3 2抗弯强度测试 将试样加工成3mm 4mm 35mm 使用万能试 验机对试样进行抗弯强度测试 测试时跨距设为30mm 加载速度0 5mm min 抗弯强度 计算公式为 3PL 2BH2 式中 P为外加力 N L为试样跨距 mm B为试样 横截面宽度 mm H为试样横截面高度 mm 1 3 3断口微观分析 用PhilipESEMX30型扫描电镜 SEM 对试样 断口形貌进行观察 观察试样的气孔率以及气孔的 大小及分布情况 2结果与讨论 隔热材料在满足使用温度 强度和热震性能等 要求的前提下 其热导率越低越好 多孔陶瓷做导 热材料时 其热导率主要受气孔率 尤其是闭气孔 率 和孔径大小等因素的影响 材料的气孔率高 则 热导率越低 气孔率一定时 孔径越小 则热导率越 低 6 7 2 1发泡剂对材料气孔率的影响 图1为不同十二烷基苯磺酸钠含量烧成样品的 气孔率分布 可看出 当发泡剂添加量低于1wt 时 随着发泡剂添加量的增加 总气孔率和闭气孔率 都在增大 发泡剂添加量继续增加 超过1wt 时 气孔率降低 这主要是由于随着料浆中十二烷基苯 磺酸钠含量的增加 料浆的黏度升高 由于料浆黏度 的升高 料浆的发泡程度受到一定限制 因此 黏度 较高的料浆形成的泡沫体的体积较小 气泡尺寸较 小 导致了制备样品的总体气孔率降低 因此 发泡 剂十二烷基苯磺酸钠的添加量为1wt 时 制备出 的多孔氧化铝陶瓷气孔率最高 2 2固相含量对氧化铝多孔陶瓷气孔率的影响 图2为固相含量对气孔率的影响 可看出 当固 相含量低于45vol 时 随着固相含量的增加 试样 的总气孔率和闭气孔率都提高 这是由于当固相含 量过低时 浆料的粘度较低 产生的气泡容易破裂溢 出 随着固相含量的进一步增加 当固相含量高于 45vol 时 浆料的粘度增加 导致料浆的发泡程度 降低 气泡比较小 烧结样品的相对密度增加 气孔 率降低 因此 在浆料中氧化铝的固相含量为45 时 发泡效果最好 制备出的多孔氧化铝陶瓷的气孔 率最高 2 3烧结温度对气孔率和抗弯强度的影响 图3为烧结温度对氧化铝多孔陶瓷气孔率和抗 60 55 50 45 40 35 总气孔率 闭气孔率 0 00 51 01 52 02 5 发泡剂添加量 wt 气孔率 图1发泡剂用量对气孔率的影响 Fig 1 Effect of foaming agent dosage on porosity 60 55 50 45 40 35 气孔率 3540455055 固相含量 vol 图2固相含量对气孔率的影响 Fig 2 Effect of solid content on the porosity 98 热加工工艺 2011年第40卷第22期 材料热处理技术Material Heat Treatment下半月出版 抗弯强度 总气孔率 闭气孔率 弯强度的影响 可看出 总气孔率和闭气孔率都随温 度的升高逐渐降低 但闭气孔的降低幅度较小 这主 要是由于在烧结过程中 在表面能减少的推动力 下 颗粒间相互靠近 扩散 并向颗粒间颈部和气孔 部位填充 逐步减少了气孔所占的体积 从而使结构 趋于致密 在通常情况下 提高烧结温度 将导致小 孔闭合 大孔尺寸收缩 材料开口气孔在总气孔中的 比例将趋于下降 随着烧结温度的升高 对应的抗 弯强度有较大的增加 当烧结温度从1450 升高到 1600 总气孔率从60 降低到45 但抗弯强度 从8 5 MPa升高到41 MPa 烧结温度为1500 时 抗弯强度为24 7MPa 因此 烧结温度要根据隔热材 料在实际应用中的要求来确定 在满足使用强度的 情况下 烧结温度越低越好 当烧结温度为1500 时 多孔氧化铝烧结体的气孔率和抗弯强度都较高 因此本文确定的最佳烧结温度为1500 2 4氧化铝多孔陶瓷形貌分析 图4为发泡剂用量1wt 固相含量45vol 烧 结温度1500 时 采用凝胶 发泡法制出的多孔氧 化铝的SEM照片 可以看出 陶瓷烧结体的气孔基 本规则 为近似圆形 气孔之间相互独立 无连通 大部分为闭气孔 气孔大小较均匀 孔径为20 100 m 由此表明 采用凝胶发泡法制备出的多孔 氧化铝陶瓷的闭气孔率高 气孔孔径较小 适合作为 隔热材料 3结论 1 用凝胶注模和发泡法相结合的方法 制备 出的多孔氧化铝陶瓷总气孔率和闭气孔率较高 孔 径较小且分布均匀 适合作为隔热材料使用 2 气孔率与发泡剂用量 固相含量 烧结温度 等因素有关 在其他因素固定时 随着发泡剂的用量 和固相含量的增加 气孔率先增加后减少 当发泡剂 用量为1wt 固相含量为45vol 烧结温度为 1500 时 得到的氧化铝多孔陶瓷的总气孔率接近 60 抗弯强度为24 7MPa 此时 制得样品的热导 率较低 抗弯强度较高 参考文献 1 曹小刚 田杰谟 张宝清 多孔氧化铝陶瓷的凝胶注模成型 J 材料导报 2000 10 14 102 104 2 Juettner T Moertel H Svinka V Structure of kaoline alumina based foam ceramics for high temperature applications J JournaloftheEuropean Ceramic Society 2007 27 1435 1441 3 刘海燕 蛋白质发泡法制备氧化锆多孔陶瓷 D 天津 天津 大学 2007 4 王庆平 闵凡飞 吴玉程 造孔剂对SiC多孔预制块性能的影 响 J 热加工工艺 2009 38 14 62 65 5 孙国梁 石纪军 邓一星 等 石英质高温闭孔泡沫陶瓷的制备 J 稀有金属材料与工程 2007 36 8 570 574 6 董童霖 王玺堂 程鹏 等 发泡法制备莫来石轻质耐火材料工 艺研究 J 武汉科技大学学报 2009 32 2 184 187 7 杨道媛 毋娟 朱凯 等 从热传导机理看隔热材料的选取与设 计原则 J 材料导报 2009 23 6 75 77 烧结温度 65 60 55 50