一种高温烟气过滤用碳化硅多孔陶瓷的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种高温烟气过滤用碳化硅多孔陶瓷材料及其制备方法，属于多孔陶瓷制备领域。由以下质量百分比的原料经过干法混合、湿法造粒、干压或冷等静压成型、干燥和高温烧结而成。其中碳粉0~20 %，莫来石纤维1~4 %，氧化锆0.5~2 %，氧化钙0.5~2 %，聚乙烯醇水溶液4 %，液态石蜡4 %，其余为碳化硅。本发明专利技术通过向碳化硅材料中加入莫来石纤维、ZrO2和CaO等助剂从而制得力学性能优越、抗热震性能高和耐腐蚀性能强的SiC多孔陶瓷材料，该材料在工业尾气处理、化工、冶金、能源和节能环保等领域有广泛的应用前景。

Method for preparing silicon carbide porous ceramics for high temperature flue gas filtration

The invention relates to a silicon carbide porous ceramic material for high-temperature flue gas filtration and a preparation method thereof, which belongs to the field of porous ceramic preparation. The raw materials of the following percentage of mass are mixed by dry method, wet granulation, dry pressing or cold isostatic pressing, drying and sintering at high temperature. The toner 0~20% mullite 1~4% zirconia 0.5~2% calcium oxide 0.5~2%, 4% aqueous solution of polyvinyl alcohol, liquid paraffin, 4%, the rest is silicon carbide. The present invention by SiC porous ceramic material is added to mullite fiber, ZrO2 and CaO and other additives to silicon carbide materials to produce excellent mechanical properties, thermal shock resistance and high corrosion resistance, the material has wide application prospect in the field of industrial exhaust gas treatment, chemical industry, metallurgy, energy conservation and environmental protection etc..

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种高温烟气过滤用碳化硅多孔陶瓷材料及其制备方法，属于多孔陶瓷制备领域。
技术介绍
碳化硅多孔陶瓷具有高强度、化学稳定性好、耐高温、耐腐蚀、抗热震性能高、热膨胀系数低等优点，在高温气固分离、金属熔融过滤、热交换器、催化剂载体、冶金、化工等领域有广泛的应用。碳化硅共价性强、自扩散系数小，而且Si-C键能较高，低温很难烧结成型，通常烧结温度高于2100℃，这造成烧结设备投资高，SiC产品成本高。目前，解决这一问题的主要方法有两种，第一种是通过高温气氛保护下热分解聚合物材料（如聚碳硅烷，聚氧硅烷，酚醛树脂等）与C或石英砂等反应生成SiC[姚秀敏等,聚碳硅烷低温烧结碳化硅网眼多孔陶瓷的研制,无机材料学报，2010，5（2）：168-172]，这种方法制备的SiC陶瓷孔隙率高、强度大，但是存在成本高，难以进行工业化生产等问题。第二种是通过添加烧结助剂，提出原位反应烧结的方法来低温制备SiC多孔陶瓷[李俊峰等，高温过滤支撑体用SiC基多孔陶瓷的制备与表征，稀有金属材料与工程，2009，38（2）：122-125]，这种方法具有简单、成本小、容易放大等优点。但是目前烧结助剂的选择基本是含有碱金属和SiO2成分较高的黏土为主，因为这部分物质高温容易产生液相，有利于SiC烧结，生成大量SiO2相。当针对环境苛刻的体系如：含有碱金属蒸汽的高温废气、PH值呈碱性的污水、温差比较大的热交换过程等等，这时由于SiO2或碱金属硅酸盐的存在将大大降低材料的耐腐蚀性能和抗热震性能，降低材料的寿命，使得SiC多孔陶瓷无法应用。吴迪等系统的研究了碳化硅多孔陶瓷支撑体的耐腐蚀性能，通过添加钾长石、石英、高岭土为烧助剂，将制备的碳化硅支撑体放入NaOH和HCl溶液进行腐蚀，结果发现支撑体在HCl溶液中的耐腐蚀性较好，但是在NaOH溶液中腐蚀较严重，这是由于以玻璃相为主颈部相会与碱反应生成铝硅酸钠物质，造成陶瓷材料的质量损失[吴迪等，SiC多孔陶瓷支撑体耐酸碱性研究，天津师范大学学报（自然科学版），2016，36（2）：28-32]。Dong等利用高岭土作为添加剂1620ºC下制备出了氧化铝多孔陶瓷，将制备的样品置于100ºC的10%NaOH溶液中连续腐蚀8h，结果显示氧化铝颗粒颈部的玻璃相受到NaOH溶液的严重侵蚀，强度衰减了82.5%[Y.Dongetal，Corrosionresistancecharacterizationofporousaluminamembranesupports，MaterialsCharacterization，2011，62：409–418]。从以上的文献分析来看，如果加入含有SiO2成份的烧助剂制备的SiC多孔陶瓷支撑体将具备抗腐蚀性能和高温抗热震性能差等特点。所以采用合适的烧结助剂高温下与SiC反应生成具有很强耐腐蚀性能和抗热震性能的材料，这将大大扩大了多孔碳化硅陶瓷的使用寿命和应用领域。Guo等用B4C为烧助剂，然后经过球磨混合、旋转蒸发、过筛、30MPa成型，最后在2150–2200ºC的高温下烧结，将制备的SiC样品放入90ºC的20%的H2SO4和NaOH液体中连续腐蚀200h，SiC多孔陶瓷残余强度高于92.5%[W.M.Guoetal，Tuningporestructureofcorrosionresistantsolid-state-sinteredSiCporousceramicsbyparticlesizedistributionandphasetransformation，MaterialsandDesign，2016，100：1-7]。陈健等采用酚醛树脂和B4C为助剂材料，经过球磨混合、干燥、过筛和冷等静压成型制备出了SiC生坯，最后在1900~2300ºC的惰性气氛下烧结，制备的SiC多孔陶瓷具有非常好的抗腐蚀和抗热震性能[陈健等，一种常压固相烧结微孔碳化硅陶瓷及其制备方法，中国专利CN201110114635.0]。可以看出通过改变加入的烧助剂种类，可以保证陶瓷本身强度的同时提高SiC多孔陶瓷抗腐蚀和抗热震性能。但是从文献和专利分析看出，目前报道的制备方法烧结温度比较高（>1900ºC），目前在低温下（<1500ºC）制备碳化硅多孔陶瓷仍然以各种易于产生液相的粘土为主，关于寻找与SiC反应烧结且不易产生颈部玻璃相的烧助剂材料，设计和制备出具有抗腐蚀和抗热震的SiC支撑体的相关报道较少，。低温制备具有抗腐蚀和抗热震的碳化硅多孔陶瓷支撑体的方法主要还是将低熔点的氧化物材料加入到SiC粉体中，通过一系列工艺最后烧结得到高性能的陶瓷产品。邢卫红等通过添加ZrO2为烧结助剂代替粘土材料，并引入SiC晶须作为增强体，通过SiC晶须的增强作用和锆英石的产生成功的增加了陶瓷的强度、孔隙率和孔径大小，但是由于高温下SiC颗粒和SiC晶须发生氧化，材料的耐碱性能较差，抗热震性能还有待提高[邢卫红等，一种晶须增强SiC多孔陶瓷材料及其制备方法，中国专利CN201410456770.7]。在此基础上，为进一步提高SiC多孔陶瓷抗腐蚀性能和抗热震性能，提出引入莫来石纤维作为增强体，并掺杂微量的CaO作为烧助剂，理论上ZrO2、CaO和氧化生成的SiO2可以在高温下反应在碳化硅颗粒颈部生成耐腐蚀的陶瓷材料钙锆硅酸盐（Ca3ZrSi2O9），这样设计可以定量的反应掉高温生成的SiO2，从而一定程度上扩大SiC多孔陶瓷的应用范围。研究表明钙锆硅酸盐是一种耐高温、有很好的耐腐蚀性能和抗热震性能材料，且热膨胀系数和SiC非常接近，目前还没有将钙锆硅酸盐用于SiC多孔陶瓷材料的研究。
技术实现思路
本专利技术旨在提高现有碳化硅多孔陶瓷的耐腐蚀和抗热震性能。本专利技术提供了一种高强度的碳化硅多孔陶瓷制备方法，该方法工艺简单、成本低，所制得的碳化硅多孔陶瓷材料除了具有一般碳化硅陶瓷的优异性能外，还具有耐腐蚀性能强、抗热震性能高的特点，可以满足高温苛刻环境等条件下的要求。本专利技术的技术方案如下：一种高温烟气过滤用碳化硅多孔陶瓷的制备方法，制备步骤如下：（1）将碳化硅微粉、莫来石纤维、氧化锆、氧化钙和活性炭粉置于搅拌机中强力搅拌24h，得到混合粉体a；（2）在混合粉体a中加入粘结剂聚乙烯醇水溶液和液态石蜡，并搅拌2h混匀，搅拌机转速1000r/min，再采用干压法或冷等静压法制备碳化硅陶瓷生坯，然后在70ºC的烘箱中烘干24h，得烘干坯体b；（3）将坯体b置于高温炉中程序升温烧结，最后自然冷却得到碳化硅多孔陶瓷材料。本专利技术所述的方法，原料中各成分的质量百分比分别为碳粉0~20%，莫来石纤维1~4%，氧化锆0.5~2%，氧化钙0.5~2%，聚乙烯醇水溶液4%，液态石蜡4%，其余为碳化硅。所述的碳化硅平均粒径在100~300μm，所述的碳粉平均粒径在5~80μm。所述的莫来石纤维直径在10μm，纤维长度分布在20~50μm。所述的氧化锆和氧化钙添加剂的质量比为1:1，两种氧化物粒径分布在1~5μm。所述的聚乙烯醇水溶液的质量浓度为8%。步骤（2）中冷等静压成型压力80~200MPa，保压时间120s。步骤（3）中程序升温烧结温度为：升温速率为2ºC/min加热到500ºC，保温2h，再以2ºC/mi本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高温烟气过滤用碳化硅多孔陶瓷的制备方法，其特征在于，制备步骤如下：（1）将碳化硅微粉、莫来石纤维、氧化锆、氧化钙和活性炭粉置于搅拌机中强力搅拌24 h，得到混合粉体a；（2）在混合粉体a中加入粘结剂聚乙烯醇水溶液和液态石蜡，并搅拌2h混匀，搅拌机转速1000 r/min，再采用干压法或冷等静压法制备碳化硅陶瓷生坯，然后在70 ºC的烘箱中烘干24h，得烘干坯体b；（3）将坯体b置于高温炉中程序升温烧结，最后自然冷却得到碳化硅多孔陶瓷材料。

【技术特征摘要】
1.一种高温烟气过滤用碳化硅多孔陶瓷的制备方法，其特征在于，制备步骤如下：（1）将碳化硅微粉、莫来石纤维、氧化锆、氧化钙和活性炭粉置于搅拌机中强力搅拌24h，得到混合粉体a；（2）在混合粉体a中加入粘结剂聚乙烯醇水溶液和液态石蜡，并搅拌2h混匀，搅拌机转速1000r/min，再采用干压法或冷等静压法制备碳化硅陶瓷生坯，然后在70ºC的烘箱中烘干24h，得烘干坯体b；（3）将坯体b置于高温炉中程序升温烧结，最后自然冷却得到碳化硅多孔陶瓷材料。2.如权利要求1所述的高温烟气过滤用碳化硅多孔陶瓷的制备方法，其特征在于，原料中各成分的质量百分比分别为碳粉0~20%，莫来石纤维1~4%，氧化锆0.5~2%，氧化钙0.5~2%，聚乙烯醇水溶液4%，液态石蜡4%，其余为碳化硅。3.如权利要求1所述的高温烟气过滤用碳化硅多孔陶瓷的制备方法，其特征在于，所述的碳化硅平均粒径在100~300μm，所述的碳粉平均粒径在5~80...

【专利技术属性】
技术研发人员：仲兆祥，韩峰，徐鹏，邢卫红，张峰，
申请(专利权)人：南京工业大学，南京膜材料产业技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32