Al2O3-SiO2系泡沫料浆流变特性及固化规律

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泡沫法制备多孔轻质材料因其工艺简单,结构可控以及环保等优点被广泛重视,具有很大的应用潜力。但该方法的制备工艺中存在着泡沫料浆固化周期长,湿坯体干燥工艺不易控制两大问题,限制了其应用。作为一种悬浮流体,泡沫料浆流变性能反映了其结构和性能的变化规律。系统研究泡沫料浆的流变性能以及添加胶凝剂对其的影响规律,分析其流变性能和固化特性之间的关系规律,对该工艺的应用具有一定的理论指导意义。同时,针对目前应用较多的热风干燥普遍存在干燥周期长,升温制度不易控制,极易造成轻质坯体开裂、毁损等问题,利用微波穿透性强、选择性吸收、便于控制和干燥速率高的优点,较为系统的研究微波干燥技术对其湿坯的干燥工艺,为微波干燥多孔轻质材料坯体的应用提供一定的理论依据。为此,本论文拟采用泡沫法结合凝胶注模工艺制备Al2O3-SiO2质多孔轻质材料,选择有机水凝胶作为胶凝剂,如二醋酸甘油酯(TAG)、硅溶胶(SS)、羟丙基纤维素(HPC)、聚乙烯醇(PVA)、聚酰亚胺(PI)等,取代依靠单体、引发剂、交联剂聚合反应凝胶的体系,系统研究胶凝剂种类和泡沫加入量对Al2O3-SiO2系泡沫料浆流变性能的影响,探索流变性能和固化特性之间的关系规律。系统研究微波干燥技术对湿坯的干燥过程的影响,探讨轻质多孔陶瓷坯体微波干燥的可行性,阐明微波功率与泡沫加入量对坯体干燥效率的影响规律。在实现泡沫法制备轻质材料工艺优化的基础上,采用优化的泡沫凝胶注模工艺制备Al2O3-SiO2质多孔轻质材料,对制品的微观结构和物理性能进行测试,研究新型固化工艺和干燥过程对材料各项性能的影响。其研究内容及结果如下:(1)以Al2O3-SiO2系无机泡沫料浆为研究对象,添加TAG、SS、HPC、PVA、PI等作为胶凝剂,研究其对粘度、触变性、粘弹性及固化时间的影响,分析胶凝剂种类对泡沫料浆流变性能的影响及其与固化时间之间的关系规律。结果表明改变胶凝剂种类,可有效改变泡沫料浆的流变特性,使其粘度增大,触变性变差,储能模量和线性粘弹性区间增大,缩短料浆的固化时间。当胶凝剂加入量为2 wt.%TAG,1 wt.%SS和0.5 wt.%PVA时,含1200 m L/kg泡沫的泡沫料浆内形成了致密程度较高的稳定三维网络结构,其各项流变性能均显示其具有最优的固化特性,该组试样的固化时间为7 h,比传统工艺缩短了23 h。(2)以Al2O3-SiO2系无机泡沫料浆为研究对象,以TAG(2 wt.%),硅溶胶(1 wt.%),聚乙烯醇(0.5 wt.%)作为凝胶体系,改变泡沫加入量,研究其与料浆粘度,触变性,粘弹性及固化时间的关系,分析泡沫加入量对泡沫料浆流变性能的影响及其与固化时间之间的关系规律。结果表明,随着泡沫加入量的减少,料浆内凝胶网络稳定性减弱,其线性粘弹性区间缩短。但料浆内形成的网络密度增大,导致其初始粘度增大,触变性变差,储能模量增大,固化时间随之缩短。当泡沫加入量为600 m L/kg时,固化时间仅为4 h,与加入量为1200 mL/kg的料浆相比,缩短了3 h。(3)在上述优化后的固化工艺的基础上,采用微波干燥与热风干燥结合的方式干燥Al2O3-SiO2质陶瓷湿坯,研究了微波输出功率、泡沫加入量对干燥效率的影响,并对其干燥动力学行为进行研究。结果表明,随微波输出功率和泡沫加入量的增大,水分扩散速率增大,扩散过程的空间位阻减小,干燥时间缩短。坯体的微波干燥过程符合Page方程,坯体的微波干燥动力学方程为MR=exp{-(1.5032-1.7377×0.63124P)·t[0.30691P/(P-0.297)]},能较好地预测陶瓷坯体微波干燥过程中不同时刻的干燥程度。(4)采用优化的泡沫凝胶注模工艺,以TAG(2 wt.%),SS(1 wt.%)和PVA(0.5wt.%)作为胶凝剂制备莫来石质多孔轻质材料,研究新型固化工艺和干燥过程对材料结构和性能的影响。研究结果表明,坯体干燥时间随泡沫加入量增大而延长,新型干燥工艺的干燥时间比传统工艺缩短了2436 h左右。制品内部气孔分布均匀且孔壁圆滑,与传统工艺制备的制品微观结构相似。通过调节泡沫的加入量(6001200 mL/kg)试样体积密度最低为0.528 g·cm-3,最大抗折强度和耐压强度分别为1.83 MPa和14.86 MPa,优于传统工艺得到的制品,其最大抗折强度和耐压强度分别为1.82 MPa和9.95 MPa。
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