不同于以往普世认知的“陶瓷”,“微孔陶瓷”是一个在产业上随处可见的工业材料。说到微孔陶瓷,一定有部分人对这个概念感到很陌生,这究竟是个什么东西?跟我们常规理解的“陶瓷”又有什么分别呢?

多孔陶瓷概述

提到微孔陶瓷,就不得不先提到多孔陶瓷。

多孔陶瓷是一种新型陶瓷材料,也称为气孔功能陶瓷,经过高温煅烧炼制而成,因为在烧制过程中会产生很多孔状结构,所以也被人们称为多孔陶瓷,是一种体内具有大量彼此相通或闭合气孔的陶瓷材料。

多孔陶瓷的分类

多孔陶瓷可以从维度、相组成和孔结构(孔径、孔的形貌和孔的连通状态)等角度进行分类。

按孔径的大小分为:粗气孔多孔陶瓷(孔径>500μm)、大气孔多孔陶瓷(孔径为100~500μm)、中气孔多孔陶瓷(孔径为10~100μm)、小气孔多孔陶瓷(孔径为1~50μm)、细气孔多孔陶瓷(孔径为0.1~1μm)及微气孔多孔陶瓷。根据孔的结构多孔陶瓷可分均匀孔结构多孔陶瓷及非均匀孔结构多孔陶瓷。

微孔陶瓷的定义

微孔陶瓷便是均匀孔结构微气孔多孔陶瓷,是一种新型陶瓷材料,也是一种功能型的结构陶瓷,顾名思义,就是在陶瓷内部或表面含有大量开口或闭口微小气孔的陶瓷体,微孔陶瓷的微孔非常细小,其孔径一般为微米级或亚微米级,是肉眼基本看不见的。但微孔陶瓷在日常生活其实是触目可见的,比如净水器里面应用的陶瓷滤芯、电子烟里的雾化芯。

微孔陶瓷发展史

事实上,全球微孔陶瓷的研究始于20世纪40年代,20世纪80年代初期成功地在法国的奶业和饮料(葡萄酒、啤酒、苹果酒)业推广应用后,开始应用于污水处理以及其他相应领域。

2004年世界多孔陶瓷的市场销售额约超过100亿美元,由于微孔陶瓷在精密过滤分离中的成功应用,其市场销售额以35%的年增长率发展。

微孔陶瓷的制造

多孔陶瓷成孔原理及方法主要有:颗粒堆积、加成孔剂、低温欠烧以及机械加工成孔等。根据成孔方法和孔隙结构,多孔陶瓷可分为粒状陶瓷烧结体(即微孔陶瓷)、泡沫陶瓷和蜂窝陶瓷等三类。

微孔陶瓷是一种新型的无机非金属过滤材料,微孔陶瓷由骨料颗粒、结合剂、气孔等3部分组成,以石英砂、刚玉、氧化铝(Al2O3),碳化硅(SiC)、莫来石(2Al2O3-3SiO2)和陶瓷颗粒等为骨料,掺和一定量的粘结剂,成孔剂后经过高温烧制而成,骨料颗、结合剂、成孔剂和他们的粘结条件,决定着陶瓷的孔径、气孔率、透气率等主要特征。骨料与粘合剂一样,都是根据产品使用目的来选样。通常要求骨料具有高强度、耐热、耐腐蚀、接近球型(便于构造成过滤条件)、所定粒度范围内容易造粒,与结合剂的亲和性良好等特性。如果骨料基材和颗粒大小相同,其他条件也相同的情况下、制品的孔径、气孔率、透气率等指标都能达到理想目的。

微孔陶瓷的生产过程见图1

微孔陶瓷的应用

微孔陶瓷具有吸附性、透气性、耐腐蚀性、环境相容性、生物相容性、独特物理和化学性能的表面结构等优点,广泛应用于各种液体的过滤、气体的过滤及固定生物酶载体和生物适应性载体。

微孔陶瓷开发应用的市场前景十分广阔,已成为国内外众多科研机构和生产企业竞相开发的新型陶瓷材料。目前已广泛应用于环保、节能、航空航天、化工、石油、冶炼、食品、制药、生物、医学、养殖等行业,大大提高这些行业的产品质量及市场竞争力。作为气液体过滤、净化分离、布气、吸声减震、换热器材料以及化工填料、生物陶瓷和催化剂载体、吸附剂、生物植入材料、特体墙体材料、人工制造器官和耐火材料、传感器材料等,引用于多个学科领域,引起了全球材料学科的高度关注。

微孔陶瓷作为一种用途广泛、发展前景广阔的新型陶瓷,已成为关注的热点。

微孔陶瓷的特性

微孔孔隙率高,可达20%-95%,且孔径分布均匀和大小可控,渗透率高,多孔陶瓷的空隙来自两部分: 一部分源自于粉体颗粒烧结过程中留下的颗粒间空隙, 另一部分源自于造孔剂形成的孔洞.

孔道分布均匀,在孔径为0.05～600μm 可以制出所选定孔道尺寸的微孔陶瓷制品。

化学稳定性好,耐化学腐蚀,除氢氟酸、浓碱外,对所有介质有优良的耐腐蚀性,通过材质的选择和工艺控制,可制成适用于各种腐蚀环境的微孔陶瓷,并且不与其他物质发生化学反应,因此流体不受溶出物污染,不会造成二次污染;

耐高温,无有害物质挥发,热稳定性好,不会产生热变形、软化、氧化作用,在-50~500℃时均可使用。

机械强度和刚度高,在气压、液压或其他应力负载下,孔道形状与尺寸不会发生变化;

再生性强,通过用液体或气体反冲洗,可基本恢复原有过滤能力,从而具有较长的使用寿命,同时抗菌性能好,不易被细菌降解。

吸附性能好,微孔陶瓷这种多孔的固体表面特性, 使其具有很大的内表面, 即很大的表面能, 从而具有强烈的吸附能力, 能吸附滤除大量微小的悬浮颗粒物。

无污染性,自身洁净状态好,无毒无味,无异物脱落,不会造成二次污染,可以代替棉布、丝织物、塑料、贵金属网等滤材,消除了这些滤材存在的缺陷。