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【摘 要】能源的消耗和固体废物的污染已成为当今社会面临的主要环境问题。以工业废物粉煤灰为基础材料，粘土作填充剂，瓷粉为骨料，采用添加造孔剂法制备多孔陶瓷。既实现了固体废物的资源化，又降低了陶瓷制备的能源消耗，所得制品又属于节能环保材料，具有良好的社会效益和经济效益。
【关键词】多孔陶瓷；粉煤灰；造孔剂
Abstract： The energy consumption and the pollution of the solid wastes have been the major environmental problems in the modern times. Utilizing the fly ash as the based materials， the clay as stuffing bulking agent and porcelain powder as aggregate， the porous ceramics were prepared by adding poreforming agent. It is not only realizing the reutilization of the solid wastes， but also reducing the energy consumption of the ceramics preparation. At the same time， the productions are the energy conservation and environment protection materials. Therefore， it has good social and economic effect.
Key words： porous ceramics fla ash pore-forming agent
引言
多孔陶瓷是一种含有多种孔洞，并且是利用其孔洞结构所具有功能的一类无机非金属材料，属于绿色材料[1]。之所以称其为绿色材料主要是从其原料和应用两个方面进行讨论。首先，多孔陶瓷制备过程中能够充分利用对环境造成破坏的废料。目前，在陶瓷行业中应用的固体废弃物主要有各种工业尾矿、废渣、废料，如煤矸石、粉煤灰、赤泥、金矿尾砂、冶金矿渣、玻璃废料、陶瓷废料、耐火材料废料等[2-4]。其次，多孔陶瓷具有高的气孔率和高比表面性，使其具有耐热、力学性能高、硬度高，不污染，可加工成型、成本低等优点。
1. 粉煤灰在多孔陶瓷中的应用
粉煤灰是一种具有一定活性的火山灰质混合材料，外观呈灰黑色，无黏结性。其化学成分是二氧化硅、三氧化二铝、氧化铁、氧化钙和未然的炭，与粘土相近。化学成分波动范围为SiO235%～60%，Al2O313%～40%，CaO2%～5%，Fe2O32%～12%，未燃尽炭约1%～24%[5]。利用粉煤灰作为原料制备多孔陶瓷，既实现了固体废弃物的资源化，又降低了陶瓷工业的能源消耗，因此，这一技术研究与应用引起了国内外的学者的关注，并取得了一定成果。Shao Y F等[6]使用粉煤灰（FAC）作为造孔剂和烧结助剂，采用溶胶注模成型工艺在1500-1700℃利用FAC与Si3N4的烧结反应，得到了孔隙率为62.6%-67.4%，抗弯强度为21-39MPa的Si3Na/Si2N2O多孔陶瓷材料。2006年中国科技大学的任祥军等[7]以工业废弃物粉煤灰为主要原料，添加造孔剂制备了粉煤灰基多孔陶瓷膜。在造孔剂添加量为20%、烧成温度为1250℃时，制备的样品孔隙率为51.2%，抗弯强度为6AMpa，平均孔径为3.72μm.。昆明理工大学的苗庆东等[8]以粉煤灰为主要原料，辅以石灰石、矿物激发剂制备了抗压强度为12.5Mpa，导热系数为0.12W/（m？K），密度为0.98g/cm3的新型低温陶瓷泡沫材料。
2. 添加造孔剂制备多孔陶瓷技术
多孔陶瓷传统的制备技术包括挤压成型、气体发泡形成多孔结构、添加造孔剂、溶胶-凝胶法等[9]。其中添加造孔剂工艺是在陶瓷配料中添加造孔剂，利用造孔剂在陶瓷坯体中占据一定的空间，然后经过烧结，造孔剂离开基体而成气孔来制备多孔陶瓷，使得制品既具有较高的气孔率又具有很高的强度。其制备过程与普通陶瓷工艺流程类似，简单容易实现，关键在于造孔剂的种类和用量的选择。常用的造孔剂包括无机和有机两类，无机造孔剂有碳酸铵、碳酸氢铵、氯化铵等高温可分解盐类，以及其他可分解化合物如煤粉、碳粉等。有机造孔剂主要是一些天然纤维、高分子聚合物和有机酸等，如锯末、淀粉、尿素等。其制备工艺流程如图1所示。
其成型方法也与普通的陶瓷成型方法类似，采用注浆工艺使陶瓷粉料与造孔剂较好地混合，制成的多孔陶瓷气孔分布均匀且设备简单。烧结时注意事项主要有三点：一是严格控制升温速率，防止坯体在烧结过程中破裂；二是必须在造孔剂排除温度保持足够的时间；三是烧结温度的控制，保证陶瓷有足够的强度。
3. 多孔陶瓷的性能及应用
多孔陶瓷材料是一种含有一定量孔隙的无机非金属粉末烧结体[10]。由于其特殊的材质和结构，使它体积密度小，质量轻，低的热传导率，良好的隔热和隔音性能，同时具有发达的比表面积及独特的物理表面特性，对液体和气体介质有选择的透过性能量吸收和阻压特性，加上陶瓷材料本身独有的耐高温、耐腐蚀等优异特性，使多孔陶瓷在气体液体过滤、净化分离、化工催化载体、保温隔热材料、生物植入材料等许多方面得到广泛应用[11]。
参考文献：
[1] 王慧， 曾令可等. 多孔陶瓷——绿色功能材料. 中国陶瓷，2002，38（3）：6-9
[2] 曾令可， 王慧， 罗民华等. 多孔功能陶瓷制备与应用[M]. 北京：化学工业出版社，2006， 7：10
[3] 任强， 李启甲等. 绿色硅酸盐材料与清洁生产[M]. 北京： 化学工业出版社， 2004
[4] 付鹏， 刘卫东. 工业固体废弃物在陶瓷工业中的应用[J]. 佛山陶瓷， 2005， 12： 13-16
[5] 曹文聪， 杨树森. 普通硅酸盐工艺学[M]. 武汉： 武汉理工大学出版社， 1996， 8： 89
[6] Shao Y F，Jia D C，Zhou Y，et a1.Novel method for fabrication of silicon nitride/silicon oxynitride composite ceramic foams using fly ash cenosphere as a pore-forming agent[J].J Am Ceram Soc，2008，91（11）：3781
[7] 任祥军，张学斌等.粉煤灰多孔陶瓷膜的制备研究[J]. 材料科学与工程学报， 2006，24 （4） ： 484-488
[8] 苗庆东，张召述，夏举佩.粉煤灰制备低温陶瓷泡沫材料[J].硅酸盐通报， 2010 29 （ 6 ） ： 1463-1467
[9] 曾令可， 王慧， 罗民华等. 多孔功能陶瓷制备与应用[M]. 北京：化学工业出版社，2006， 7：13-15
[10] 林永淳. 多孔陶瓷的发展过程和现状[J]. 陶瓷， 2013， 6（上）： 13-19
[11] 刘培生. 多孔材料引论[M]. 北京： 清华大学出版社， 2004.49-52
作者简介：安红娜（1982-），女，讲师，绵阳职业技术学院材料工程系，四川绵阳
【关键词】多孔陶瓷；粉煤灰；造孔剂
Abstract： The energy consumption and the pollution of the solid wastes have been the major environmental problems in the modern times. Utilizing the fly ash as the based materials， the clay as stuffing bulking agent and porcelain powder as aggregate， the porous ceramics were prepared by adding poreforming agent. It is not only realizing the reutilization of the solid wastes， but also reducing the energy consumption of the ceramics preparation. At the same time， the productions are the energy conservation and environment protection materials. Therefore， it has good social and economic effect.
Key words： porous ceramics fla ash pore-forming agent
引言
多孔陶瓷是一种含有多种孔洞，并且是利用其孔洞结构所具有功能的一类无机非金属材料，属于绿色材料[1]。之所以称其为绿色材料主要是从其原料和应用两个方面进行讨论。首先，多孔陶瓷制备过程中能够充分利用对环境造成破坏的废料。目前，在陶瓷行业中应用的固体废弃物主要有各种工业尾矿、废渣、废料，如煤矸石、粉煤灰、赤泥、金矿尾砂、冶金矿渣、玻璃废料、陶瓷废料、耐火材料废料等[2-4]。其次，多孔陶瓷具有高的气孔率和高比表面性，使其具有耐热、力学性能高、硬度高，不污染，可加工成型、成本低等优点。
1. 粉煤灰在多孔陶瓷中的应用
粉煤灰是一种具有一定活性的火山灰质混合材料，外观呈灰黑色，无黏结性。其化学成分是二氧化硅、三氧化二铝、氧化铁、氧化钙和未然的炭，与粘土相近。化学成分波动范围为SiO235%～60%，Al2O313%～40%，CaO2%～5%，Fe2O32%～12%，未燃尽炭约1%～24%[5]。利用粉煤灰作为原料制备多孔陶瓷，既实现了固体废弃物的资源化，又降低了陶瓷工业的能源消耗，因此，这一技术研究与应用引起了国内外的学者的关注，并取得了一定成果。Shao Y F等[6]使用粉煤灰（FAC）作为造孔剂和烧结助剂，采用溶胶注模成型工艺在1500-1700℃利用FAC与Si3N4的烧结反应，得到了孔隙率为62.6%-67.4%，抗弯强度为21-39MPa的Si3Na/Si2N2O多孔陶瓷材料。2006年中国科技大学的任祥军等[7]以工业废弃物粉煤灰为主要原料，添加造孔剂制备了粉煤灰基多孔陶瓷膜。在造孔剂添加量为20%、烧成温度为1250℃时，制备的样品孔隙率为51.2%，抗弯强度为6AMpa，平均孔径为3.72μm.。昆明理工大学的苗庆东等[8]以粉煤灰为主要原料，辅以石灰石、矿物激发剂制备了抗压强度为12.5Mpa，导热系数为0.12W/（m？K），密度为0.98g/cm3的新型低温陶瓷泡沫材料。
2. 添加造孔剂制备多孔陶瓷技术
多孔陶瓷传统的制备技术包括挤压成型、气体发泡形成多孔结构、添加造孔剂、溶胶-凝胶法等[9]。其中添加造孔剂工艺是在陶瓷配料中添加造孔剂，利用造孔剂在陶瓷坯体中占据一定的空间，然后经过烧结，造孔剂离开基体而成气孔来制备多孔陶瓷，使得制品既具有较高的气孔率又具有很高的强度。其制备过程与普通陶瓷工艺流程类似，简单容易实现，关键在于造孔剂的种类和用量的选择。常用的造孔剂包括无机和有机两类，无机造孔剂有碳酸铵、碳酸氢铵、氯化铵等高温可分解盐类，以及其他可分解化合物如煤粉、碳粉等。有机造孔剂主要是一些天然纤维、高分子聚合物和有机酸等，如锯末、淀粉、尿素等。其制备工艺流程如图1所示。
其成型方法也与普通的陶瓷成型方法类似，采用注浆工艺使陶瓷粉料与造孔剂较好地混合，制成的多孔陶瓷气孔分布均匀且设备简单。烧结时注意事项主要有三点：一是严格控制升温速率，防止坯体在烧结过程中破裂；二是必须在造孔剂排除温度保持足够的时间；三是烧结温度的控制，保证陶瓷有足够的强度。
3. 多孔陶瓷的性能及应用
多孔陶瓷材料是一种含有一定量孔隙的无机非金属粉末烧结体[10]。由于其特殊的材质和结构，使它体积密度小，质量轻，低的热传导率，良好的隔热和隔音性能，同时具有发达的比表面积及独特的物理表面特性，对液体和气体介质有选择的透过性能量吸收和阻压特性，加上陶瓷材料本身独有的耐高温、耐腐蚀等优异特性，使多孔陶瓷在气体液体过滤、净化分离、化工催化载体、保温隔热材料、生物植入材料等许多方面得到广泛应用[11]。
参考文献：
[1] 王慧， 曾令可等. 多孔陶瓷——绿色功能材料. 中国陶瓷，2002，38（3）：6-9
[2] 曾令可， 王慧， 罗民华等. 多孔功能陶瓷制备与应用[M]. 北京：化学工业出版社，2006， 7：10
[3] 任强， 李启甲等. 绿色硅酸盐材料与清洁生产[M]. 北京： 化学工业出版社， 2004
[4] 付鹏， 刘卫东. 工业固体废弃物在陶瓷工业中的应用[J]. 佛山陶瓷， 2005， 12： 13-16
[5] 曹文聪， 杨树森. 普通硅酸盐工艺学[M]. 武汉： 武汉理工大学出版社， 1996， 8： 89
[6] Shao Y F，Jia D C，Zhou Y，et a1.Novel method for fabrication of silicon nitride/silicon oxynitride composite ceramic foams using fly ash cenosphere as a pore-forming agent[J].J Am Ceram Soc，2008，91（11）：3781
[7] 任祥军，张学斌等.粉煤灰多孔陶瓷膜的制备研究[J]. 材料科学与工程学报， 2006，24 （4） ： 484-488
[8] 苗庆东，张召述，夏举佩.粉煤灰制备低温陶瓷泡沫材料[J].硅酸盐通报， 2010 29 （ 6 ） ： 1463-1467
[9] 曾令可， 王慧， 罗民华等. 多孔功能陶瓷制备与应用[M]. 北京：化学工业出版社，2006， 7：13-15
[10] 林永淳. 多孔陶瓷的发展过程和现状[J]. 陶瓷， 2013， 6（上）： 13-19
[11] 刘培生. 多孔材料引论[M]. 北京： 清华大学出版社， 2004.49-52
作者简介：安红娜（1982-），女，讲师，绵阳职业技术学院材料工程系，四川绵阳