泡沫陶瓷制备的影响因素及环保功能
摘要：本文介绍了泡沫陶瓷的概念、制备方法、优点、性能，结合最常用的有机泡沫浸渍法制备泡沫陶瓷，研究一些主要工艺因素对泡沫陶瓷制备的影响，重点讲述了泡沫陶瓷在废水处理、废气处理，吸声降噪领域的环保功能，指出了当前陶瓷材料的研究热点和今后要解决的问题。
关键词：泡沫陶瓷；有机泡沫浸渍法；工艺因素；环保功能
Factors Affecting the Preparation of Ceramic Foam and Eco-friendly
Abstract: This article presents the concept, process, strongpoint, performance of ceramic foam. Combined with the most common organic foam impregnated ceramic foam, it studies some of the major process factors impacting on the preparation of ceramic foam. It mainly describes the application of ceramic foam in wastewater treatment, exhaust gas treatment and sound absorption and noise reduction. The article also predicts the current research focus of ceramic materials and problems which should be solved in the future.
Key words: ceramic foam; organic precursor impregnation method; process factors; eco-friendly
我国政府高度重视可持续发展，将可持续发展确定为国家的重大发展战略。因此，在二十一世纪着眼于解决能源与环境问题的高新技术将得到广泛关注，并将对自然和社会的良性发展起到重要作用。如何开发新能源和新材料、减少已有能源与材料的消耗是其中一个重要方面，已成为科技工作者共同努力的新课题。泡沫陶瓷材料的开发就是在这种大背景下提出的。
1 泡沫陶瓷基本性质
泡沫陶瓷材料的发展始于20世纪70年代，是一种具有高温特性的多孔材料。其孔径从纳米级到微米级不等，具有三维空间网架结构的高气孔率的多孔陶瓷体，气孔率在20％～95％之间，其造型犹如钢化了的泡沫塑料或瓷化了的海绵体，使用温度为常温至1600℃。自1978年美国发明了利用氧化铝、高岭土等陶瓷料浆成功研制出泡沫陶瓷，用于铝合金铸造过滤之后，英、日、德、瑞士等国家竞相开展了研究，生产工艺日益先进，技术装备越来越向机械化、自动化发展，根据应用的目的不同，已研制出多种材质，适合于不同用途的
泡沫陶瓷过滤器(见图1)，如A12O3、ZrO2、SiC、氮化硅、硼化物等高温泡沫陶瓷，有的还加入了一定的矿物，如莫来石、堇青石、粉煤灰、煤矸石等，产品已系列化、标准化，形成了一个新兴产业[1～3]。
拓宽和开发泡沫陶瓷在国内各行业中的应用，无疑是十分必要的。为了获得一定形状和结构的泡沫陶瓷材料，制备工艺过程起到了决定作用。目前，主要的几种泡沫陶瓷制备工艺包括发泡工艺、挤出成型工艺、溶胶—凝胶工艺以及有机泡沫浸渍工艺等。我国在20世纪80年代初开展泡沫陶瓷研究工作，并取得较大进展，部分产品已经标准化、系列化。但是我国的泡沫陶瓷从整体技术水平上与国外相比还有一定的差距。诸如泡沫陶瓷材料的强度和刚度、克服掉渣、孔径尺寸的精密控制、提高材料的使用温度、移植泡沫金属和泡沫塑料等其它泡沫材料的工艺来改善泡沫陶瓷材料的制备工艺等方面，需要进一步提高[4]。
作为一种新型的无机非金属过滤材料，泡沫陶瓷具有气孔率高、比表面积大、重量轻、抗热震、强度高、耐高温、耐腐蚀、再生简单、使用寿命长及良好的过滤吸附性等优点。与传统的过滤器如陶瓷颗粒烧结体，玻璃纤维布相比，不仅操作简单，节约能源，成本低，而且过滤效果较好。泡沫陶瓷可以广泛应用于热交换材料，汽车尾气装置，净化冶金工业
过滤熔融态金属，热能回收，轻工喷涂行业，工业污水处理、隔热隔音材料，用作化学催化剂载体，电解隔膜及分离分散元件等。近年来，泡沫陶瓷的应用领域又扩展到航空领域、电子领域、医用材料领域及生物化学领域等[5,6]。可以预见，各应用领域对泡沫陶瓷需求的不断扩大及对高性能泡沫陶瓷的迫切需要。特别是本世纪改善环境的呼声不断高涨，将会促进泡沫陶瓷的飞速发展，为泡沫陶瓷的应用开创更广阔的前景。高科技泡沫陶瓷在环保领域的应用展现出其作为一种绿色环保材料的重要意义和应用价值。
图1 泡沫陶瓷过滤器
2 泡沫陶瓷的制备工艺
泡沫陶瓷材料的制备方法有很多，其中应用比较成功的有：有机物燃失法，添加造孔剂法，发泡法，有机前驱体浸渍法及溶胶一凝胶法等。
目前最理想的制备方法是有机前驱体浸渍法，用此种成型方法制备的泡沫陶瓷已在多个领域进行了大量应用。该方法采用聚氨酯泡沫塑料为载体，将其浸入到由陶瓷粉末、粘结剂、助烧结剂、悬浮剂等制成的涂料中，然后挤掉多余涂料，将陶瓷涂料均匀涂覆于载体骨架成为坯体，再把坯体烘干并经高温焙烧而成。其典型的工艺流程如图2[7]所示。该方法通过控制浆料性能，优化无机粘结剂体系，严格控制浆料浸渍工艺过程，可以制备高性能的泡沫陶瓷制品。
图2 有机前驱体浸渍法工艺流程图
3 泡沫陶瓷研制过程中影响因素
结合最常用的有机泡沫浸渍法制备泡沫陶瓷，来研究一些主要工艺因素对泡沫陶瓷制备的影响。
3.1 酸处理对有机泡沫体挂浆量的影响
由于料浆是水基的而泡沫模板是有机的，两者相容性和粘附性很差，所以料浆往往不能充分润湿泡沫体，在涂覆过程中，会有个别部位因为没有润湿而根本没有涂上料浆，从而导致涂覆的不连续性，在有机泡沫体的排出过程中，在孔筋表面产生大的裂纹、空洞等缺陷。导致的结果是挂浆量不高且不均匀，这样直接影响所制备泡沫陶瓷的强度和孔洞的均匀性。所以必须对有机泡沫体进行预处理，在本实验中首先采用不同质量浓度的硫酸溶液，将具有相同体积的有机泡沫体浸泡。结果如图3[8]所示：用硫酸溶液处理有机泡沫体时，随硫酸量的增加，平均挂浆量先上升，但超过50％左右反而下降。
图3 酸处理对挂浆量的影响
3.2 碱处理对有机泡沫体挂浆量的影响
这里采用不同浓度的氢氧化钠溶液，将有机泡沫体浸泡24h，结果如图4所示。图4显示了氢氧化钠浓度对挂浆量的影响，随着浓度的增加，挂浆量先上升后下降，在2mol／L左右达到峰值[9]。
通过比较挂浆量可以看出用氢氧化钠溶液处理的有机泡沫体的挂浆量，要比用硫酸溶液处理的要高。这是由于用氢氧化钠溶液处理的有机泡沫体的表面粗糙度高，并且用氢氧化钠溶液处理的有机泡沫体的表面产生了一OH使得泡沫与水基料浆有很好的相容性，挂浆量也得到提高。
图4 碱处理对挂浆量的影响
3.3分散剂的选择及浓度的确定
为了提高挂浆量，需尽可能的提高浆料的固含量。加入分散剂可以提高浆料的稳定性，阻止颗粒再团聚，进而提高浆料的固含量；对于不同的粉料体系，分散剂的效果一般不同。选择合适的分散剂以及控制加入量是提高泥浆固含量的有效途径。选用柠檬酸胺、碳酸钠、三聚磷酸钠、水玻璃、六偏磷酸钠等五种分散剂及其不同浓度对泥浆固含量的影响进行试验。当泥浆含水率不同时，各分散剂在不同浓度下对泥浆流动效果的影响如下面各表所示[8]。
4 泡沫陶瓷的绿色环保功能
泡沫陶瓷的应用开始于19世纪70年代，当时主要用于高温熔融合金过滤，后来，随着泡沫陶瓷使用范围的不断扩大，其应用领域也逐渐扩大，由过滤、热工等领域逐渐扩展到、隔热、吸音、电子、光电、传感、环境生物及化学领域，关于泡沫陶瓷材料在新领域的应用的报道很多，较新的应用领域归纳起来主要有以下几种:
4.1过滤与分离
作为过滤材料，多孔陶瓷具备很多优点：化学稳定性好，耐酸碱及有机溶剂；极好的耐急冷急热性能，一般工作温度可达1000℃～1100℃，特殊材料的多孔陶瓷，最高时工作温度可达1600℃；抗菌性能好，不易被细菌降解，不易堵塞而且易生；无毒，尤其适用于食品
行业和药物的处理。可广泛应用于各种液体过滤和气体过滤，应用在空气净化、工业用水、生活用水处理和污水净化等方面[10]。
各种废气、城市生活污水和工业废水都需要进行相应的过滤和分离才能排放到自然环境中。 让废气或废液通过泡沫的陶瓷体，其中的有害物质颗粒物就会被拦截或者吸附在泡沫结构中，而净化后的气体或液体就可以排放到自然界中了。
这方面的一个典型应用就是柴油机尾气过滤。在城市中，大量公交车都是采用柴油机发动的，但是柴油因为燃烧不完全，在尾气中存在数量巨大的微细碳粒，这些颗粒物如果被人体吸人就会产生各种呼吸道疾病。柴油车高温废气的除尘也是多孔陶瓷的一个应用典范。在发达国家利用多孔陶瓷除尘是一种最新、最有效的高温烟气除尘技术。我国有热电厂几百座，工业锅炉几十万台，每年排放的烟尘高达一亿吨以上。造成严重的环境污染问题。如果采用泡沫陶瓷除尘将带来巨大的环保效益。利用泡沫陶瓷具备高孔隙度且拥有相当大的热交换面积及具有优良的热辐射特性不仅可以有效除去高温含尘气体，还可节约能源。此外，泡沫陶瓷还可做成光触媒载体，在泡沫陶瓷载体上涂覆纳米二氧化钛，受紫外线激发，具有强烈的光催化氧化降解特性，可催化降解有机物和微生物，从而净化空气等。
如果用泡沫陶瓷替代目前国内水处理行业使用的石英砂过滤材料，可大幅提高水处理效率，减少环境污染，降低水处理成本。
4.2 隔热材料
泡沫陶瓷的较高的气孔率和较低的基体导热系数，使其具有热传导率低、抗热震性能优良等特性，所以这种材料具有很好的隔热保温效果。利用这种优点可以将其用于各种防止热辐射的场合，以及用于保温节能方面。因此从环保和节能两方面来说都是有利的。例如，当冬天或者夏天在室内打开空调的时候就需要房屋具有良好的隔热能力，否则室内温度的调节就很难实现，如果房屋的隔热效果很差，那就像开着门窗让空调工作一样，基本上不能达到调节温度的效果，而且因为空调不停地工作而带来了电能的巨大消耗。使用泡沫陶瓷制备的建筑材料就可以让房屋具有非常好的保温隔热效果，这种先进的材料目前在国内部分新建的住宅小区和办公楼中已经得到应用。除了日常生活中的应用，泡沫陶瓷在航空航天领域也有着重要的应用，比如航天器的热保护系统就广泛采用了泡沫陶瓷材料。由泡沫陶瓷制作的典型耐热材料为耐热砖，其材质有ZrO2、SiC、镁盐及钙盐等，使用温度高达1600℃，是目前世界上最好的隔热材料，称之为“超级绝热材料”[11]。
4.3 吸声材料
随着社会的发展和生活水平的提高，人们在工作、学习和生活中，对声环境的要求已经愈来愈高。噪声对人们的听力、睡眠、生理、心理等方面都会造成很大的影响和危害，社会上对吸声材料的需求量更是呈现出迅猛增长之势，同时也对吸声材料的性能提出了更高、更多的要求。吸声材料特别是地铁、公路两侧的吸声材料应持久耐用、防水、阻燃且使用寿命长，不含石棉、矿物纤维、聚苯乙烯以及具有腐蚀性的物质；材料的散火值、冒烟值及易燃值应为零；应有足够的强度和良好的抗气流冲击能力。
泡沫陶瓷具有大量的、从表到里的三维互相贯通的网状小孔结构，当声波入射到材料表面时，绝大部分的声波会沿着迷宫式的小孔隧道进入泡沫陶瓷内部。声波在泡沫陶瓷内部传播会引起孔隙中的空气振动，同形成孔隙的表面十分粗糙的陶瓷筋络发生摩擦，一部分声能被转变为热能；一部分声能到达刚性壁后，被反射回泡沫陶瓷，声波又会像初次入射声一样重新回到迷宫式的小孔隧道中，带动空气与陶瓷筋络发生摩擦，声能继续被转化、消耗。这两种效应相互作用，使泡沫陶瓷可有效地消耗入射声能，获得良好的吸声效果。泡沫陶瓷用作吸声材料具有如下优点[12]：(1)重量轻、强度高、中低频吸声性能优良、经久
耐用、安全可靠、结构形式灵活、施工安装简便；(2)特别适合在高温、潮湿的环境下使用，常年经受风吹、日晒、雨淋，不会改变自身的网状结构和吸声性能；(3)能很好地吸收因反射而产生的混响声；(4)具有良好的防火性，性价比高。

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