岩棉纤维制备气固分离陶瓷材料的性能

周 旋，朱 丽，张 华，金 江

(南京工业大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210009)

0 引 言

随着我国现代工业的快速发展，大气污染也日益加剧。机械、化工、水泥等行业均以煤为主要燃料，所排气体不仅温度较高，而且含有大量粉尘和NO、NO2、SO2等有毒气体，对人体健康造成极大危害。

目前应用于除尘领域的技术主要有：袋式除尘、静电除尘和陶瓷过滤。但是这些技术均存在一些不足，如布袋式除尘器只能在300 ℃以下使用；静电除尘器占地面积大，费用较高,还有对粉尘的比电阻和气体成分等性质的敏感性及电级的腐蚀等问题[1]。陶瓷过滤器具有耐高温、耐腐蚀和过滤精度高等优点，在高温烟气净化方面得到广泛应用。传统的SiC/Al2O3陶瓷材料过滤阻力较大，能耗较大，而纤维基过滤陶瓷普遍强度较低，生产效率也较低，不适合规模生产。因此，如何制备低阻力、高强度和高生产效率的新型气固分离用陶瓷 ，仍然是目前研究的热点。

近年来，国内外专家对纤维基过滤陶瓷进行了许多相关的研究。如王耀明等[2]研发了孔梯度陶瓷纤维复合膜管，Pall公司[3]开发的高密度陶瓷管性能优异, 3M公司生产了3层结构组成的CVI-SiC复合型过滤管，包括外部过滤层、中间纤维过渡层和构成过滤支撑基体的内层[4]。但是这些过滤材料都属于多层结构，而本实验研究的纤维基气固分离陶瓷材料为单层结构[5]，具有制备方法简单、过滤阻力低等优点。本实验以岩棉纤维作为骨架材料，水玻璃为粘结剂，添加淀粉作为造孔剂来控制孔径的分布和大小。由于原料中添加塑性剂CMC，使得纤维泥料具有一定的强度和可塑性，练泥后可直接挤出成型，为产品的规模生产提供了可能性。

1 实 验

1.1 制备工艺

将一定量的岩棉纤维(南京彤天岩棉有限公司)、淀粉和CMC(上海恒信化学试剂有限公司)混合，加入适量的水玻璃(模数为3.2，质量比为30%，南京泡花碱厂)溶液并进行搅拌，使岩棉纤维在样品中均匀分布，经练泥机练泥后，用液压机压制成型。样品尺寸为底面直径60 mm，高10 mm的圆片。将制得的样品放置在60 ℃的烘箱中干燥10-12 h，待烘干后在800 ℃进行烧成，烧成结束后测量烧成后样品的尺寸、质量，同时测试样品的抗折强度和过滤阻力。

1.2 样品的性能测试

三点弯曲强度测试采用深圳新三思公司的CMT5254型电子万能试验机，样品测试尺寸为10 mm×10 mm×35 mm，支撑点距离为30 mm，试验速度为1 mm/min；过滤阻力测试在室温下进行，过滤风速为1 m/min；再生性能测试采用粉煤灰模拟工厂扬尘，反吹压力为0.6 MPa；利用Archimedes法测试样品的显气孔率；采用日本理学公司的JSM-5900型扫描电镜分析样品截面的显微形貌。

2 结果与讨论

2.1 造孔剂含量对过滤阻力和抗折强度的影响

淀粉作为气固分离陶瓷材料的造孔剂，它的含量对陶瓷的气孔率、过滤阻力和抗折强度均有较大的影响。练泥时造孔剂均匀分布在坯体中，烧制时随着温度逐渐升高，造孔剂燃烧为气体离开基体，使得纤维间形成多孔网架状结构。实验表明，在加入一定量水玻璃的条件下，分别加入不同含量的淀粉作为造孔剂和5%的塑性剂，样品在800 ℃的高温炉中烧制后，测试其过滤阻力和抗折强度，结果如图1所示。

由图1可以看出，随着造孔剂含量的增加，样品的过滤阻力和抗折强度都呈下降趋势。淀粉作为材料的造孔剂，适量的加入有利于提高基体的气孔率，从而降低样品的过滤阻力。但是过量的造孔剂会使基体强度大幅度下降，甚至会造成样品的开裂，这是由于淀粉在燃烧过程中产生的气体较多，材料不能承受气体的逸出速度冲击而产生微裂纹，高温烧制后易扩展成裂纹。从图中可以看出，造孔剂含量从20%升至25%时，材料过滤阻力下降34 Pa，但是强度仅下降0.9 MPa，而且目前陶瓷过滤材料普遍要求过滤阻力为200 Pa以下，综合考虑抗折强度、过滤阻力等因素，确定出造孔剂含量为25%时材料性能较佳。此配方材料的过滤阻力为172 Pa，抗折强度为7.8 MPa。

图1 造孔剂含量对材料过滤阻力和抗折强度的影响Fig.1 Effects of pore-forming agents on the fl exural strength and fi ltration resistance

2.2 烧制温度对气孔率的影响

水玻璃可以在空气中经CO2[6]的作用固化或进行加热处理而固化，两种固化原理所涉及的反应式完全不同，本实验中水玻璃固化的机理为热处理。材料的气孔率是多孔陶瓷的一个非常重要的性能指标，加热过程中水玻璃的胶凝过程对气孔率有着较大的影响。坯体中水玻璃作为材料的粘结剂，随着温度的升高发生脱水固化反应，将岩棉纤维粘结起来并形成一定的孔洞。

烧制温度和材料气孔率的关系如图2所示，当烧制温度低于800 ℃时，气孔率随烧制温度升高而增加，超过800 ℃后气孔率缓慢下降。这是由于坯体经烘干后水玻璃以固态形式分布在纤维中间，随着温度的不断升高，水玻璃发生脱水反应，水分逐渐蒸发，从而在粘结剂表面形成孔洞，造成气孔率的增加。在800 ℃左右时，水玻璃逐渐熔融生成液相，纤维间空隙减少，气孔率也随温度不断升高而逐渐降低。因此，为得到较高气孔率的多孔陶瓷材料，适宜选择800℃作为烧制温度，此时气孔率为72%。

图2 烧制温度对材料气孔率的影响Fig.2 Effect of fi ring temperature on porosity

2.3 脉冲反吹后材料过滤阻力的研究

陶瓷过滤材料的再生性能是衡量过滤材料性能的重要指标。在本实验中，选取造孔剂含量为25%、烧成温度为800 ℃的试验样品，用粉煤灰模拟工厂扬尘，反吹压力为0.6 MPa，反复进行300次反吹试验，每10次记录样品过滤阻力，通过比较阻力的变化来测定其清灰再生性能。

测试结果如图3所示，样品未过滤前的初始过滤阻力为172 Pa，经脉冲反吹后过滤阻力有所上升，在脉冲反吹180次时的过滤阻力为218 Pa，阻力增幅为46 Pa，随后阻力趋于稳定，不再显著上升。这是由于在过滤过程中粉尘堆积在样品表面孔洞内，造成过滤阻力的增加。但经过脉冲反吹后，大部分粉煤灰从样品表面脱落，使得过滤阻力上升幅度较小，并且逐渐趋于稳定，这表明材料具有良好的循环再生性能。

图3 脉冲反吹对过滤阻力的影响Fig.3 Effect of pulse-jet cleaning on fi ltration resistance

图4 材料的显微结构图Fig.4 Micro-structure of the material

2.4 材料的显微结构

图4为不同放大倍数的多孔陶瓷扫描电镜图片。从4(a)所示的500倍照片可以看出，多孔陶瓷材料是无规则分布的多孔层架状结构，层与层间纤维中空隙有一定的错位，这样可以使粉尘在通过材料时被纤维阻挡，从而达到有效进行气固分离的目的，孔径的大小在微米级。从4(b)所示的1000倍照片中，发现水玻璃很好地粘结在纤维间的接触点上，这样既可以使纤维相互牢固结合，使过滤材料具有良好的抗折强度，又不会堵住纤维间空隙而影响过滤阻力。

3 结 论

(1)当造孔剂添加量为25%时，材料性能较佳。此配方下材料的过滤阻力为172 Pa，抗折强度为7.8 MPa。

(2)为得到较高气孔率的多孔陶瓷材料，适宜选择800 ℃作为烧成温度，此时气孔率为72%。

(3)气固分离陶瓷材料在过滤粉煤灰过程中，脉冲反吹180次后过滤阻力为218 Pa，阻力增幅为46 Pa，且后续反吹不再显著上升，具有良好的循环可再生性能。

[1]刑毅, 况春江. 高温除尘过滤材料的研究[J]. 过滤与分离.2004, 14(12)∶ 1-4.XING Y, KUANG C J. Filter & Separator, 2004, 14(12)∶ 1-4.

[2]王耀明, 薛友祥, 孟宪谦, 等. 孔梯度陶瓷纤维复合膜管的制备及特性[J]. 人工晶体学报, 2007, 36(5)∶ 1079-1084.WANG Y M, XUE Y X, MENG X Q, et al. Journal of Synthetic Crystals, 2007, 36(5)∶ 1079-1084.

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[4] ALVIN M A. Advanced ceramic materials for use in hightemperature particulate removal systems [J]. Ind. Eng. Chem.Res., 1996, 35(10)∶ 3384-3398.

[5]汪家勤, 徐超, 金江. 硅酸铝纤维制备高温气体除尘材料的性能[J]. 陶瓷学报, 2013, 34(1)∶ 26-30.WANG J Q, XU C, JIN J. Journal of Ceramics, 2013, 34(1)∶26-30.

[6] 朱纯熙, 卢晨. 水玻璃硬化的认识过程[J]. 无机盐工业, 2001, 33(1)∶22-25.ZHU C X, LU C. Inorganic Chemicals Industry, 2001, 33(1)∶22-25.