多孔陶瓷质净水器滤芯的研制

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摘 要：本文介绍了利用多孔陶瓷的结构特点，采用注浆成形的工艺方法制备多孔陶瓷净水器滤芯，并对其主要影响因素进行了探讨。

关键词：多孔陶瓷；净水器；滤芯

1 前言

随着人们生活水平的提高，人们对生活用水的水质要求越来越高。由于我国传统的给水工艺和供水管网本身存在一些问题，导致城乡自来水的水质提高缓慢，难以达到人们的预期。因此，一些居民都在家中的供水终端安装了净水装置。目前，很多净水器的价格比较昂贵，限制了净水器的推广和使用，因此研制一种经济实惠、操作简单而又安全的家用净水器，对于提高城乡居民的生活饮用水的卫生水平十分必要。滤芯是净水器的核心部件，它通过过滤、吸附等物理方法除去水中的杂质及细菌，把自来水变成净化水，且不会产生二次污染。多孔陶瓷由于具有分离效率高、节约能源、结构稳定、易于再生等优点，成为净水器滤芯的理想材料。笔者采用石英、硅藻土、氧化铝作为基体材料，利用木炭粉、贝壳粉作为造孔剂，使用粘土作为粘合剂和高温粘结剂，利用注浆成形的方法成功制备了多孔陶瓷质净水器滤芯，其各项性能指标经测试和试用后均达到使用要求。

2 试验过程

2.1制备工艺的选择

陶瓷滤芯属多孔陶瓷，多孔陶瓷材料的材质种类繁多，由于使用目的不同，对材料的性能要求各异。近年来逐渐开发出许多不同的多孔陶瓷制备技术，其中应用得较广泛、较成功的工艺有：添加造孔剂工艺、发泡工艺、有机泡沫浸渍工艺、溶胶-凝胶工艺等，表1比较了这几种工艺方法的特点及应用。

由表1可知，添加造孔剂工艺能生产形状复杂、各种气孔结构的多孔陶瓷制品，该工艺使产品既有较高的气孔率，又具有很好的强度，比较适合净水器滤芯的生产。因此，本实验采用添加造孔剂工艺制备产品。该工艺通过在陶瓷配料中添加造孔剂，在坯体中占据一定的空间，然后经过烧成，造孔剂分解或烧失离开基体，形成气孔来制备多孔陶瓷。根据材质不同，主要有以下几种类型：石英质、铝硅酸盐质、精陶质、硅藻土质材料、纯碳质材料、刚玉和金刚砂材料、堇青石质材料、钛酸铝质材料等。由于净水器滤芯只在常温下使用，从生产难度及成本方面考虑，决定采用硅藻土、石英和氧化铝混合物作为基体材料，进行生产试制。硅藻土来源广泛、价格低廉，本身就具有大量的微孔，是制备多孔陶瓷的新型原料，可以获得孔径小、孔径分布窄的多孔陶瓷。但硅藻土纯度不高，烧成收缩较难控制，故单独使用硅藻土作为基体材料难度较大，而单独用石英作为基体材料则由于石英在烧成过程中有晶形转变，导致制品具有较大的体积变化，给烧制带来较大的困难，所以适当降低了石英及硅藻土的用量，在配方中使用一定量的氧化铝粉作为基体材料，能取得较好的效果。

净水器滤芯要求在足够高的过滤精度的前提下，有尽可能大的过滤速度，因此多孔陶瓷滤芯在制备过程中需要加入一定量的造孔剂，坯料的粒度级配要合理，以保证滤芯具有较高的气孔率。经过一系列的筛选试验，最终确定用来源比较广泛，价格比较低廉的木炭粉、贝壳粉作为造孔剂，使用大同土、紫木节等粘土作为粘合剂及高温粘结剂来进行多孔陶瓷滤芯的试制。

2.2原料预处理及坯体配方的组成试验

确定了制备工艺后，从生产实际出发对使用的原料进行预先加工处理，具体内容如下。

（1） 硅藻土：采购粉体粒径小于600目的细粉；

（2） 木炭粉：粉碎后过120目筛；

（3） 贝壳粉：粉碎后过60目筛；

（4） 大同土：破碎后要求过30目筛；

（5） 石英及氧化铝粉：要求通过80目筛。

原料经过处理后，按一定的配比进行配方，同时对各个配方的性能进行测试，比较在相同加工条件下，各个坯料的吸水率、抗折强度、过滤速度、除菌率等各项指标，从中优选泥浆性能好，各项指标符合要求的配方组合。然后经过一系列的配方优化，最终确定了以下配方组成范围为(wt%)：木炭粉10%~15%、贝壳粉20%~30%、硅藻土15%~25%、大同土10%~15、紫木节10%~20%、石英10%~15%、氧化铝粉15%~20%。

2.3工艺流程及主要参数

多孔陶瓷质净水器滤芯的主要工艺流程图，如图1所示。

其主要的工艺参数如下：

（1） 球磨：其中料∶球∶水=1∶2∶1；

（2） 泥浆细度：325目筛余≤0.5%；

（3） 泥浆陈腐时间：24h；

（4） 成形：石膏模型中注浆成形；

（5） 烘干：在50℃下缓慢干燥，干坯残余水分＜0.5%，干坯抗折强度应

（6） 烧成：由于配方中含有较多的木炭粉、贝壳粉等，在烧成过程中集中排出。因此在此阶段升温必须十分缓慢，以免造成坯体的开裂、黑心等缺陷。经过试验，较好的烧成制度为：0~500℃，3h；500~800℃，4h；800~1000℃，4h；1000~1150℃，2h。

2.4试验产品主要技术指标

多孔陶瓷质净水器滤芯的主要技术指标满足以下条件：

（1） 过滤速度：35~45mL/min（Φ150 mm 盘状试样,P=200 mm H2O）；

（2） 细菌去除率：＞98%；

（3） 抗折强度：＞9MPa；

（4） 吸水率：50%±2%。

3 实验结果分析与讨论

3.1不同泥浆加工细度对产品性能的影响

将不同细度的泥浆注成统一规格的滤芯，在同一烧成制度下烧成，对试样的各项性能指标进行检测，其检测结果见表2。

由表2可知，随着筛余量的增加，过滤速度加快，除菌率逐步下降。同时，试样结构趋于疏松，易出现掉粉等问题。为了保证产品具有较高的除菌率，球磨后泥浆的细度宜控制在325目筛余＜0.5%。

3.2不同烧结温度对试样性能的影响

将同一批成形的坯体，置于不同的烧成温度下进行烧成，对主要性能进行测试，其测试结果见表3。同时将烧结的试样委托山东大学用扫描电镜进行显微形貌分析，放大倍数为500倍，其SEM扫描图见图2。

由表3可知，随着烧成温度的提升，制品的过滤速度加快，抗折强度增加，但同时除菌率却有所下降。由于坯体强度太高不利于对滤芯的后期加工，因此选择烧成温度为1150℃左右进行产品试制较佳，此时滤芯具有较高的坯体强度和较高的细菌去除率，过滤速度也能满足使用要求。

由图2可知，当烧结温度达到1100℃时，样品结构呈网络状，此时孔洞看起来还不是很均匀，大孔是由石英颗粒、氧化铝颗粒和硅藻土管状颗粒之间的孔洞组成，小孔则是由成孔剂颗粒烧失后残存的孔洞构成，这些孔洞相互连通，组成了有机整体。当烧结温度提高到1150℃时，样品的孔洞大小变得更均匀，网络状的整体现象更为明显。这是因为随着温度的提高，由于小孔的表面能高，烧结活性大，在烧结过程中部分小孔被熔融，小孔的消失使得孔径变得相对均匀。当烧结温度提高到1200℃时，更多的小孔消失，留下的只有较大的孔径，容易造成样品除菌率的下降。因此，根据样品的微观结构形貌来分析，选择1150℃左右进行烧成较为合适，此时样品的孔径结构相对均匀，除菌率也能达到较高的水平，且产品具有较高的强度，有利于后期的加工和使用。

4 结 论

本研究通过利用石英、硅藻土、氧化铝粉混合使用作为基体材料，以木炭粉、贝壳粉作为成孔剂，粘土作为粘合剂和高温粘结剂，通过对料浆细度和烧成温度的控制，成功试制了净水器所用多孔陶瓷质滤芯，产品经过客户的检测，各项性能均达到设计要求。该产品具有工艺简单、成本低廉、容易再生等优点，具有良好的市场前景。

参考文献

[1] 苏雪筠,吕明,朱小龙.硅藻土基多孔陶瓷的制备及性能研究[J].

中国陶瓷,2002（4）.

[2] 王慧,曾令可,张海文等.多孔陶瓷―绿色功能材料[J].中国陶瓷,

2002（3）.