燒結溫度對氧化硅微孔陶瓷灌水器性能的影響

蒲文輝，張新燕,，朱德蘭,，張 林

(1. 西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100； 2. 西北農林科技大學 中國旱區節水農業研究院，陜西 楊凌 712100)

滲灌起源于地下浸潤灌溉，是當今世界先進的農業節水灌溉技術之一[1]。中國早在兩千多年前人們就利用陶罐滲水灌溉作物[2]。幾百年前，河南濟源農民曾在地面以下埋設由透水瓦片扣合而成的“透水道”進行農業灌溉[3]。與塑料(橡膠)滲灌系統相比，陶瓷應用也具有較好的灌水效果，且減少環境污染。在約旦等干旱和半干旱地區利用陶罐灌溉的方式仍被廣泛應用[4,5]，其主要應用形式為地下灌溉[6,7]，無壓灌溉[8,9]，負壓灌溉[10,11]等。

近年來隨著科技進一步發展，陶瓷材料在生產生活中應用越來越廣泛，促使微孔陶瓷的制備工藝進一步提高，微孔陶瓷的孔隙率、孔徑可以得到較好地控制，并逐步被用于細菌過濾、廢水處理等領域[11-13]。國內外學者對利用微孔陶瓷制作灌水器做了初步探索[14,15]。Naik研究發現，加入樹脂對陶罐滲水速率的影響較小，而加入木屑燒灼后可有效增加陶罐的滲水速率[16]。Usman認為提高燒結溫度會使陶罐的開口孔隙率降低[17]。Bainbridge的研究也得出了相同的結論，并認為燒結溫度過高所引起的開口孔隙率的降低直接影響滲水陶罐的滲水速率[18]。蔡耀輝[19,20]等以黏土作為主要原料，以硅藻土為造孔劑，結合硫酸鈣等，通過合理控制燒結溫度，制出了具有較高孔隙率并且水力性能較好的硅藻土、黏土基微孔陶瓷灌水器。

本文研究以石英砂為主要原料通過控制燒結溫度制備出3種燒結溫度下的氧化硅微孔陶瓷灌水器，研究了燒結溫度對灌水器結構及水力性能的影響，以期為微孔陶瓷灌水器的進一步深入研究和推廣應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 氧化硅微孔陶瓷灌水器的制備

氧化硅微孔陶瓷灌水器的主要原料為石英砂配以滑石粉、碳酸鈣、硅溶膠，其中石英砂構成灌水器的骨架成分，滑石粉為性能改良劑，碳酸鈣和糊精為造孔劑，硅溶膠為黏結劑。將各固體原料按照滑石粉摻量20%[21]充分混合加入適量硅溶膠置于攪拌器中攪拌均勻，再倒入模具中在12 MPa的壓力下壓制成圓柱體罐狀胚體。制成的胚體在陰涼通風處陰干數天，而后置于爐中燒制5 h，燒結溫度分別控制在1 200、1 250、1 300 ℃，取出冷卻即成。圖1所示為制備的灌水器。成型后的微孔陶瓷灌水器高68.2 mm，外徑38.4 mm，內徑20.0 mm，內腔滲流面積為2 827 mm2。

圖1 氧化硅微孔陶瓷灌水器Fig.1 Porous ceramic irrigation emitter

1.2 結構性能指標測試

采用排水法測定氧化硅微孔陶瓷灌水器的密度和開口孔隙率[22,23]：

(2)

式中：ρ為微孔陶瓷試樣的密度，g/cm3；n為開口孔隙率，%；ρw為水的密度，g/cm3；ma為試樣在干燥狀態下空氣中的質量，g；mf為試樣在水中浮重，g；mws為試樣吸水飽和狀態下的質量，g。

利用激光光譜元素分析儀(J200，美國)和X射線衍射儀(XRD，BRUKER, D8 ADVANCE A25，德國)對微孔陶瓷進行物相成分分析，掃描范圍為10°～80°，掃描速度為0.1 °/s。利用掃描電子顯微鏡(SEM，S4800，Hitachi，日本)進行微觀結構分析。

1.3 水力性能試驗

制備的灌水器進水口插入D20-PVC管，用AB膠黏接，并在PVC管上接入接頭，連接輸水管道，置于水力性能測試平臺上，如圖2所示。試驗裝置主要由供水裝置、壓力自動變頻箱、流量采集器組成。其水泵額定揚程為40 m；壓力表量程0.4 MPa，精度0.01 MPa；流量采用質量傳感器稱重法測取，電腦自動讀取數據。試驗中設置了回水管道及閥門用以調控進口壓力。

圖2 試驗裝置示意圖Fig. 2 Schematic diagram of test equipment

2 結果與分析

2.1 結構性能分析

2.1.1 密度與開口孔隙率

不同燒結溫度下氧化硅微孔陶瓷灌水器的密度和開口孔隙率如表1所示。由表1可知，微孔陶瓷灌水器的密度隨著燒結溫度的增高而減小，3種燒結溫度下的孔隙率分別為32%、31%、29%；1 200與1 300 ℃的密度減小減小了10.22%。

表1 氧化硅微孔陶瓷灌水器開口孔隙率、密度Tab.1 The density and porosity of emitter

注：T-1200、T-1250、T-1300表示燒結溫度分別為1 200、1 250、1 300 ℃的微孔陶瓷灌水器。

開口孔隙率是影響灌水器滲流性能的主要指標之一。微孔陶瓷灌水器在燒制前充分風干，其孔隙主要來源于3個方面：石英砂顆粒間隙、糊精及CaCO3分解產生的CO2形成的孔隙。由于3個燒結溫度下的灌水器原料配比相同，在不同燒結溫度下發生相應的物理化學反應相近，使得灌水器孔隙率有較小范圍的變化。

2.1.2 微孔陶瓷成分分析

微孔陶瓷灌水器出流是水流通過器壁上分布的微孔孔隙的滲流過程，陶瓷孔隙的滲流通道決定了灌水器的滲流效果。黏土基微孔陶瓷灌水器較長時間浸水易引發膨脹影響灌水器的工作效果，因此本試驗已知灌水器原料的主要成分是二氧化硅(SiO2)，以及少量的碳酸鈣，為了更準確地確定微孔陶瓷燒結前后所含成分變化情況以及燒結溫度對微孔陶瓷成分的影響，在燒結前將原料按照相同比例混合攪拌均勻后，分別對燒結前后成分進行XRD衍射分析，得到如圖3和圖4所示圖譜。從圖3中可知，微孔陶瓷原料成分依次是二氧化硅(SiO2)，占比最大，少量的氧化鋁(Al2O3)和碳酸鈣(CaCO3)。

圖3 原材料成分圖譜Fig.3 Analysis of components of raw material

圖4是3種燒結溫度下制備的微孔陶瓷灌水器XRD衍射圖譜，可見，微孔陶瓷燒結后的主要成分是二氧化硅(SiO2)和鈣長石(CaAl2Si2O8)。不同燒結溫度下成分組成及占比基本一致。

圖4 微孔陶瓷成分分析Fig.4 Analysis of components of microporous ceramic

因此無論從灌水器各原料組成還是從燒結后微孔陶瓷所含成分，都可以確定其不含任何遇水溶脹，或與水反應的物質成分，保證氧化硅微孔陶瓷灌水器在常溫下長期灌水過程中不因自身材料發生物理膨脹或化學反應引起孔隙堵塞而影響使用。

2.1.3 微觀形貌分析

針對3種氧化硅微孔陶瓷灌水器進行了微觀形貌分析，觀測微孔陶瓷孔隙特征。如圖5所示為在不同燒結溫度下的微孔陶瓷放大倍數為5 000 倍的微觀結構。其孔隙孔徑分布在5～300 μm范圍內，且隨著燒結溫度的增高，孔隙增大，孔隙的分布范圍增大，均勻性降低。氧化硅微孔陶瓷灌水器制備時原料充分混合壓實，胚體陰干后置于爐中在高溫下燒灼發生復雜的物理化學反應，其中硅溶膠含有大量非晶態SiO2，非晶態的SiO2沒有固定的熔點，在燒結過程中發生軟化，拉近顆粒間的間距。隨著溫度的升高糊精在較低溫度下開始逐漸分解生成孔隙。當溫度進一步升高時CaCO3開始分解生成CO2和無孔CaO層，CO2揮發繼續產生一部分孔隙。而無孔CaO層則與石英砂中所含有的SiO2和石英砂中含有的少量的氧化鋁(Al2O3)及無孔氧化鈣(CaO)反應生成鈣長石(CaAl2Si2O8)，CaAl2Si2O8與SiO2及未反應的無孔CaO緊密結合，構成了灌水器的骨架。但是滑石粉在1 200 ℃時性能穩定，當溫度達到1 250 ℃時開始變性而結塊，在1 300 ℃時因變性而完全結塊[23,24]。結塊后的滑石粉是一種致密的結構，緊緊的包裹骨架并填充了部分原先形成的均勻孔隙，當溫度逐漸降低時材料收縮，產生溫度應力而形成一部分較大的孔隙，孔隙的大小和均勻性破壞，微孔陶瓷密度和強度受到一定影響。圖5(a)是1 200 ℃燒結溫度條件下制成的T-1200微孔陶瓷結構，此時滑石粉性能穩定，因而形成的孔隙一般分布在5～40 μm范圍內，較為均勻；圖5(b)為T-1250微孔陶瓷結構，由于燒結溫度升高滑石粉逐漸結塊，可以觀察到相同放大倍數下孔隙與骨架受到影響，孔隙的均勻性逐漸受到破壞，分布范圍增大，在5～100 μm范圍內。而當溫度進一步升高到1 300 ℃時，滑石粉完全變性而結塊，孔隙的均勻性受到了極大的破壞，受溫度應力等的影響，孔隙的不均勻性越發明顯，孔隙分布在5～300 μm范圍內，并且以較大孔隙為主，如圖5(c)所示為T-1300微孔陶瓷結構。

圖5 T-1200、T-1250、T-1300 SEM照片Fig.5 SEM micrographs of T-1200、T-1250、T-1300

2.2 水力性能分析

如圖6所示為氧化硅微孔陶瓷灌水器滲流效果圖，從圖6中可以清晰地看到，灌水開始，水流進入灌水器內腔，并從整個外壁開始滲水，如同冒汗一樣，具有良好的滲流效果。

圖6 灌水器滲流效果圖Fig.6 Effect diagram of the irrigation emitter

圖7(a)是T-1200、T-1250、T-1300這3種氧化硅微孔陶瓷灌水器在0.2 m的恒壓水頭下持續灌水3 600 min時滲流量隨時間變化情況。從圖7(a)中可以看出，灌水初期，灌水器滲流量隨灌水時間的增大而增大，之后基本保持穩定。灌水80 min后，灌水器T-1200、T-1250、T-1300的滲流量分別達到1.0、1.2、1.4 L/h，直到灌水結束，3 600 min后滲流量差值均沒有超過0.2 L/h?？芍嗨骶哂蟹€定的滲流效果，且隨著燒結溫度的增加，滲流量略有增加。由前可知，燒結溫度不影響灌水器組成成分，燒結后灌水器成分的化學性能穩定，在持續灌水過程中各成分與水接觸時不發生吸水溶脹性，因此灌水器滲流穩定。燒結溫度較低時，微孔陶瓷內部孔隙分布較均勻，孔徑較小，水流外滲受微孔毛細作用明顯。但隨著燒結溫度的升高，微孔陶瓷燒結過程中因材料變性孔徑范圍增大，孔隙的不均勻性增強，導致灌水器滲流量增大。因此在燒結溫度較低時，灌水器雖有較大的開口孔隙率，但并沒有達到最大滲流量，可見灌水器的滲流效果是由各種因素共同作用的結果。

圖7 灌水器水力性能測試Fig.7 Hydraulic performance test of emitter

圖7(b)所示為灌水器在不同進口壓力下的壓力流量關系[21]。從圖7(b)中可以看出，灌水器滲流量隨進口壓力的增大而增大，在相同進口壓力時，隨著燒結溫度的提高，滲流量增大。在1.0 m的進口壓力時，T-1200灌水器滲流量為5.56 L/h，T-1250灌水器滲流量為10.63 L/h，T-1300灌水器則達到17.94 L/h，分別增加了0.91、2.23倍。同樣的，在2.0 m水頭下，3種灌水器滲流量分別增加了0.92、2.25倍，可見燒結溫度提高所引起的孔隙均勻性及孔隙大小的變化對灌水器滲流量具有較大的影響。根據灌水器壓力流量基本公式對T-1200、T-1250及T-1300這3種灌水器滲流量曲線進行擬合：

q=khx

(1)

式中：q為灌水器滲流量，L/h；h為壓力水頭，m；k為灌水器流量系數；x為灌水器流態指數。

可得x=1，k值分別為4.30、11.6和20.84，即隨著燒結溫度的提高，灌水器流量系數增大。

3 結 語

研究了以石英砂為主要原料，通過控制燒結溫度，制備出3種氧化硅微孔陶瓷灌水器。通過測試微孔陶瓷的開口孔隙率和密度，對灌水器成分、微觀形貌進行分析，進行了灌水器水力性能初步研究，得出以下結果。

(1)燒結溫度不影響氧化硅微孔陶瓷灌水器組成成分，不同溫度下制備的微孔陶瓷灌水器主要成分均為SiO2和CaAl2Si2O8，遇水穩定。

(2)氧化硅微孔陶瓷灌水器的密度、開口孔隙率、孔隙分布等結構性能受燒結溫度影響。隨著燒結溫度的提高，微孔陶瓷密度、開口孔隙率均有減小，孔隙孔徑變大，且分布越不均勻。

(3)不同燒結溫度下的氧化硅微孔陶瓷灌水器均有穩定的滲流效果，且滲流量隨燒結溫度的提高而增加，流量系數增大。

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