泡沫陶瓷过滤器用聚氨酯网状海绵的应用研究.docx

泡沫陶瓷过滤器用聚氨酯网状海绵的应用研究 王霞摘 要：本文简单介绍了聚氨酯泡沫海绵的分类，阐述了泡沫陶瓷过滤器用聚氨酯海绵载体的性能指标要求。对比了氧化锆、碳化硅和氧化铝泡沫陶瓷过滤器分别所需聚氨酯海绵性能指标；通过试验发现，不同材质的泡沫陶瓷过滤器所需聚氨酯海绵的强度、弹性、比重、熔点等指标性能也不一样。其中，氧化锆材质泡沫陶瓷过滤器对聚氨酯海绵强度和弹性要求最高，其次碳化硅质、氧化铝质泡沫陶瓷过滤器。试验还发现，聚氨酯海绵性能对泡沫陶瓷产品收缩、通孔率和强度有较大影响，其中通孔率影响最大。关健词：泡沫陶瓷；网状海绵；多孔；性能对比1 前言泡沫陶瓷过滤器（简称泡沫陶瓷CFF）是一种具有三维空间网架结构的高气孔率（70 90%）的多孔陶瓷体，由于其具有密度小、强度大、耐高温、比表面积大、气孔率大及过滤吸附性好等优点， 因此被广泛地应用于冶金、化工、轻工、食品、环保、节能等领域1-2。泡沫陶瓷作为第三代过滤器材，在金属熔炼铸造生产中应用尤其广泛。国内80 90%的泡沫陶瓷都应用于金属熔体过滤净化中，这也推动了国内金属铸造行业的快速发展，提升了铸造的金属制品成品率、机加工性能及理化性能。泡沫陶瓷主体三大类主要有氧化锆、碳化硅和氧化铝泡沫陶瓷，其中氧化锆泡沫陶瓷应用于高温（1500以上）的钢材和高温合金的铸造，碳化硅泡沫陶瓷应用于中温（1200以上）的铜、铁铸造，氧化铝泡沫陶瓷引用于低温（700左右）的铝及铝合金等有色金属的铸造，不同材质的泡沫陶瓷应用领域不同。现有泡沫陶瓷生产工艺大都采用有机泡沫浸渍上浆工艺，海绵前驱体的选择对泡沫陶瓷性能的影响变得尤为重要。虽然关于泡沫陶瓷材料性能、工艺研究的文章很多，对泡沫陶瓷前驱体海绵改性研究的文章也有一些，如王哲等发表的“碳化硅基泡沫陶瓷载体的表面活化研究”3。但对聚氨酯海绵载体本身研究的文章较少，而海绵载体对泡沫陶瓷性能有着重要影响。2 聚氨酯海绵分类1937年德国Otto Bayer教授首先发现多异氰酸酯与多元醇化合物进行加聚反应可制得聚氨酯，并以此为基础进入工业化应用，英美等国19451947年从德国获得聚氨酯树脂的制造技术于1950年相继开始工业化。日本1955年从德国Bayer公司及美国DuPont公司引进聚氨酯工业化生产技术。20世纪50年代末我国聚氨酯工业开始起步，近十几年发展较快。聚氨酯（简称TPU）是由多异氰酸酯和聚醚多元醇或聚酯多元醇及小分子多元醇、多元胺或水等扩链剂或交联剂等原料制成的聚合物。通过改变原料种类及组成，可以大幅度地改变产品形态及其性能，得到从柔软到坚硬的最终产品。聚氨酯制品形态有软质、半硬质及硬质泡沫塑料、弹性体、油漆涂料、胶粘剂、密封胶、合成革涂层树脂、弹性纤维等，广泛应用于汽车制造、冰箱制造、交通运输、土木建筑、鞋类、合成革、织物、机电、石油化工、矿山机械、航空、医疗、农业等许多领域4。聚氨酯海绵塑料泡沫随着石油化工的快速发展，也正处在高速发展当中。聚氨酯塑料泡沫海绵所需的原材料多元醇、氰酸酯等都是石油化工炼制的副产品或副产品的衍生物。2.1 开孔型和闭孔型聚氨酯海绵聚氨酯海绵按照孔类型可分为开孔型和闭孔型。聚氨酯开孔型海绵具有三维网状立体结构，其骨架和气孔相互贯通，具有很高的气孔率（70 90%），能够有效起到保温、隔热、过滤等效果。因此，被广泛用于冶金、石油、水利等领域。闭孔型聚氨酯海绵具有较高的强度和硬度，被广泛用于建筑板材、保温材料等领域。2.2 硬质型和软质型聚氨酯海绵聚氨酯海绵按照材质的硬度可分为硬质型和软质型。硬质型聚氨酯海绵塑料主要用于家用电器隔热层、屋墙面保温防水喷涂泡沫、管道保温材料、建筑板材、冷藏车及冷库隔热材等；软质型聚氨酯海绵主要用于家具及交通工具各种垫材、隔音材料等。3 泡沫陶瓷用聚氨酯海绵载体要求泡沫陶瓷所用的软质聚氨酯多孔网状海绵，是由甲苯二异氰酸酯、聚醚多元醇、胺催化剂等化工原料发泡而成闭孔的海绵泡体，再用乙炔、氢气和氧气按比例将其除去表面膜层，开孔制成三维贯通网状结构的多孔海绵。开孔型聚氨酯海绵是泡沫陶瓷前驱体所需要的聚氨酯海绵类型，除了具有三维网状立体的贯通网孔之外，不同材质的泡沫陶瓷对聚氨酯海绵载体的要求也不一样，详见表1。3.1 氧化锆泡沫陶瓷对聚氨酯海绵性能的要求氧化锆泡沫陶瓷作为高温型泡沫陶瓷，主要应用在铸钢和高温合金等高温金属熔体过滤方面，其整体用量不大，国内生产此类泡沫陶瓷的厂家较少。氧化锆泡沫陶瓷生产的技术难点主要有聚氨酯泡沫海绵载体质量、氧化锆烧结温度控制以及氧化锆晶相转变导致的体积膨胀5。其中氧化锆烧结温度和氧化锆晶相转变是工艺上存在的问题，聚氨酯泡沫海绵载体的选择是原材料质量问题。氧化锆粉体真密度为5.7 g/cm3，比重较大。由部分稳定氧化锆粉及添加剂组成的陶瓷浆料具有比重大和流动性好等特点，在泡沫陶瓷上浆工艺中，需要聚氨酯海绵载体具有浆料吸附性能好、通孔率好、海绵网线粗、弹性好以及拉伸强度高等特性。开孔型聚氨酯海绵密度只有0.03 0.05 g/cm3，海绵本身弹性不高，强度也较难满足氧化锆泡沫陶瓷制作工艺要求。导致了国内海绵厂家生产的多孔海绵由于海绵弹性不高、强度不够，不能够满足氧化锆泡沫陶瓷的生产，生产中易出现坍塌、变形、收缩大等缺陷。3.2 碳化硅泡沫陶瓷对聚氨酯海绵性能的要求碳化硅泡沫陶瓷属于中温型泡沫陶瓷，主要用在铸铁和铸铜等中温金属熔体过滤。相比氧化锆泡沫陶瓷，国内生产碳化硅泡沫陶瓷厂家要多。碳化硅微粉的密度为3.2 g/cm3，堆积密度为1.2 1.6 g/cm3。碳化硅泡沫陶瓷所选用的碳化硅粉料为黑色-SiC，采用二次挂浆工艺，烧结采用Al2O3-SiO2 结合碳化硅烧结的方法6。虽然碳化硅比重较氧化锆小，但是其浆料重量对聚氨酯海绵载体依然要求有高彈性模量、高强度以及均匀的网孔分布。3.3 氧化铝泡沫陶瓷对聚氨酯海绵性能的要求氧化铝泡沫陶瓷属于低温型泡沫陶瓷，主要应用于铝及铝合金等有色金属熔体的过滤，是国内生产产量最大的一类泡沫陶瓷。同时，由于铝液铸造的多为铸棒工艺，其泡沫陶瓷过滤器尺寸相比氧化锆和碳化硅要大。因为所过滤的铝液比重较轻，其对氧化铝泡沫陶瓷过滤器强度等性能要求也就相对较低。国内氧化铝泡沫陶瓷研究时间早，生产工艺成熟，加之工艺要求不是很高，目前国内厂家生产的产品质量都较为稳定。氧化铝泡沫陶瓷的主要原料为-氧化铝、高岭土、硅微粉、长石以及磷酸二氢铝，-氧化铝组分占到80%以上，浆料比重为2.3 2.6 g/cm3，比重较轻，对聚氨酯海绵的弹性、强度要求较低。4 聚氨酯海绵对泡沫陶瓷性能影响聚氨酯海绵作为生产泡沫陶瓷的原材料，对泡沫陶瓷性能有较大影响，其影响主要包括以下几个方面。4.1 产品收缩的影响聚氨酯海绵载体的弹性和强度的大小对泡沫陶瓷的收缩有着直接影响，其中影响主要包括干燥过程和烧结过程两部分。4.1.1干燥过程中的收缩影响目前，国内大多泡沫陶瓷厂家采用对辊上浆工艺，海绵经过对辊机压缩及浆料附着后发生一定量的尺寸延伸，逆网上浆和顺网上浆的两边延伸度不一样，延伸率在1 3%。上浆过后海绵的回弹性决定了干燥后坯体的最终尺寸。对于弹性好、强度高的海绵，坯体延伸尺寸小，浆料分布均匀无盲孔，两边及厚度尺寸容易控制。对于弹性差、强度低或是不能满足大比重浆料（如氧化锆浆料）上浆的海绵，在上浆后坯体就会出现尺寸延伸大，厚度不能回弹或是回弹不均一，挂浆效果差等缺陷。4.1.2烧成过程中的收缩影响干燥后的坯体由于粘结剂的作用具有一定的强度，坯体经过表面喷漿、二次干燥后进入窑内烧结。聚氨酯海绵在干燥过程中并没有挥发掉，而是在烧结过程中的200 600中熔解、渗出表面和氧化挥发。聚氨酯海绵本身被陶瓷浆料包裹，热量通过陶瓷浆料传递进去，形成一个无氧燃烧过程，造成海绵的熔解、渗出，最后氧化挥发，强度高和弹性好的海绵能够使坯体收缩缓慢。当然，对于不同材质的泡沫陶瓷制定的烧结温度和烧结制度不一样。4.2 产品通孔率的影响由于采用聚氨酯海绵作为泡沫陶瓷生产载体，聚氨酯海绵本身通孔率的大小就决定了生产出泡沫陶瓷通孔率的大小。要获得高的产品通孔率，就要选择同样高的通孔率聚氨酯海绵，并且要求海绵网孔均匀、无盲孔、网线分布清晰等。因此，海绵通孔率和网孔质量的好坏，对泡沫陶瓷过滤器通孔率及网孔质量有着直接影响。比如要生产82%通孔率的泡沫陶瓷，就需要选择85%以上通孔率的聚氨酯海绵，且要求网孔均匀。4.3 产品强度的影响聚氨酯海绵性能对产品强度也有着较大影响，主要表现为对坯体干燥后强度的影响和烧结过程中海绵挥发时坯体强度的影响。4.3.1干燥后坯体强度的影响干燥后坯体强度的大小对最终产品的影响主要表现为喷浆操作对坯体损伤的大小。干燥坯体强度越高，操作对其损伤程度越小，烧结后产品的强度也就越高。相反，产品强度越低。聚氨酯海绵强度越高、弹性越好，上浆后坯体具备的强度也就越高。4.3.2烧结时坯体强度的影响聚氨酯海绵在烧结挥发时，坯体强度越高、海绵挥发越缓慢，其受损程度就越小，生产出的产品强度也就越高。当然，其主要影响产品强度的因素还是陶瓷浆料材质、配方及烧结制度的影响。5 结论泡沫陶瓷用聚氨酯海绵载体具有三维网状的立体结构，聚氨酯海绵的密度、熔点、强度、弹性等性能对泡沫陶瓷过滤器的产品质量有直接影响，具体包括如下两点：（1）不同材质的泡沫陶瓷对聚氨酯海绵性能要求也不一样，其中氧化锆质泡沫陶瓷对聚氨酯海绵载体性能要求最高，它要求聚氨酯海绵密度大于0.045 g/cm3、通孔率大于85%、熔点180 200、弹性好以及拉伸强度大于12 KPa；而碳化硅质泡沫陶瓷对聚氨酯海绵性能要求相对较低；氧化铝质泡沫陶瓷对聚氨酯海绵性能要求最低。（2）聚氨酯海绵的弹性、通孔率、强度对泡沫陶瓷产品最终的收缩、通孔率、强度影响较大，其中通孔率受海绵影响最大；海绵弹性好、通孔率高、强度高，对应的产品收缩越小、通孔率越高、强度越高；反之产品收缩大、通孔率低、强度低。参考文献1 靳洪允. 泡沫陶瓷材料的研究进展J. 陶瓷科学与艺术， 2005， 39（4）：33-36.2 王连星. 泡沫陶瓷的研究进展J. 耐火材料，1997，31 （1） ：5558.3 王哲，任凤章，李锋军等.SiC基泡沫陶瓷载体的表面活化研究J.材料热处理学报，2006（4）：2831.4 齐贵亮. 泡沫塑料成型新技术M. 机械工业出版社， 2011.5 陈汉添，吴基球.氧化锆基泡沫陶瓷的工艺原理及性能表征J.陶瓷，2006（6）：1620.6 曹大力，麦开华，马雷等.碳化硅质泡沫陶瓷过滤器的研制J.铸造，2008，57（3）：294-296. -全文完-