一种疏水絮凝制备泡沫陶瓷的方法技术

本发明专利技术涉及一种疏水絮凝制备泡沫陶瓷的方法，包括：控制水基陶瓷浆料的固含量为15～50 vol.%，并调节水基陶瓷浆料的pH值以使其中陶瓷粉体表面带有电荷而以静电斥力方式均匀分散；向所述水基陶瓷浆料中加入带有与陶瓷粉体表面电荷类型相反的表面活性剂，搅拌或球磨混合使所述表面活性剂均匀分散并吸附在陶瓷粉体表面得到表面活性剂改性的部分疏水化陶瓷浆料；对所述部分疏水化陶瓷浆料进行机械搅拌发泡，泡沫浆料直接注入模具，利用疏水改性颗粒之间的疏水作用实现室温原位固化，然后脱模、干燥，再经烧结制得泡沫陶瓷。本发明专利技术利用静电斥力使浆料中的陶瓷颗粒达到良好的分散效果，以获得粘度低且流动性好的水基陶瓷浆料。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种泡沫陶瓷的制备方法，更确切地说涉及表面活性剂疏水改性陶瓷颗粒并利用疏水絮凝实现原位固化制备泡沫陶瓷的方法，尤其适用于制备高气孔率且闭气孔的泡沫陶瓷。
技术介绍
泡沫陶瓷是一类重要的多孔陶瓷，具有气孔率高、孔径分布宽和气孔贯通性可调等特点，在保温隔热、过滤、催化等领域有着广泛的应用。机械搅拌发泡是制备泡沫陶瓷的一种主要方法，具有工艺设备简单、绿色环保、实用性强等特点，有着重要的研究和应用价值。机械搅拌发泡制备泡沫陶瓷首先是添加分散剂制备悬浮稳定性好的陶瓷浆料，然后加入表面活性剂，降低浆料体系的表面张力，再通过机械搅拌引入气体，搅拌产生的剪切作用将引入的大气泡分割成小气泡，表面活性剂发挥着稳定气泡的作用，最后，添加凝胶固化体系，将泡沫浆料固化成为生坯，经干燥、烧结制得泡沫陶瓷。常见的泡沫浆料凝胶固化体系有天然高分子和有机凝胶网络。用于固化泡沫浆料的天然高分子包括蛋白质、淀粉和纤维素等多糖，如Dhara等人(J.Am.Ceram.Soc.,2003,86[10]:1645-50)以卵清蛋白为发泡剂和结合剂制备泡沫陶瓷，毛小建等人(中国专利ZL200510027545.2)采用木薯淀粉原位固化泡沫浆料。天然高分子凝胶固化具有添加剂种类少、工艺绿色环保等优势。但是天然高分子凝胶固化体系存在以下问题：一是泡沫陶瓷生坯的脱模强度与高分子的加入量密切相关，而加入量的增大将导致浆料的粘度增大，影响泡沫浆料的浇注和泡沫陶瓷的结构均匀性；二是这类高分子通常需要改变外界条件才能诱发液-固转变实现固化，如加热、喷洒酸液，这会对泡沫结构的稳定性和陶瓷整体均匀性产生破坏性的影响；三是高温烧结后这些高分子在孔壁上留下空穴，影响材料的力学性能和热学性能。除了天然高分子固化体系，有机凝胶固化体系也被广泛用于研究泡沫陶瓷的制备。其中，具有代表性的有：Sepulveda等人(Am.Ceram.Soc.Bull.,1997,76(10):61-65；J.Euro.Ceram.Soc.,1999,19(12):2059-2066；J.Am.Ceram.Soc.,2000,83(12):3021-3024；Chem.Mater.,2001,13(11):3882-3887)利用自由基聚合凝胶固化体系制备多种泡沫陶瓷；毛小建等人(J.Euro.Ceram.Soc.,2008,28(1):217-222)利用亲核加成凝胶固化体系制备氧化铝泡沫陶瓷。有机凝胶固化体系具有固化速度快、泡沫陶瓷脱模强度高等优点。但无论是自由基聚合固化体系还是亲核加成固化体系，使用的有机添加剂都具有一定的毒性，有害健康；其次，有机物的添加量较多，生产过程中产生的废液及素坯排胶产生的废气造成环境污染。另外，自由基聚合固化体系还存在氧阻聚的问题，需要特定操作环境，导致工艺复杂和高成本；而亲核加成固化体系所涉及的环氧树脂和多胺又存在原料价格较贵等问题。机械搅拌发泡法制备泡沫陶瓷不仅存在上述凝胶固化体系方面的问题，在高气孔率泡沫陶瓷制备方面也存在气孔结构可控性差等问题。机械搅拌发泡后的泡沫浆料在界面张力和重力的作用下，浆料内的气泡发生粗化、合并及破裂等现象，导致烧结后的泡沫陶瓷孔径变大、孔径分布宽化和结构坍塌等问题。这些结构问题在机械搅拌发泡法制备的高气孔率泡沫陶瓷中特别明显，影响了泡沫陶瓷的热学和力学性能，阻碍了其在保温隔热和过滤等方面的广泛应用。
技术实现思路
针对现有机械发泡法制备泡沫陶瓷存在的诸多问题，特别是需要添加不同的有机物分别稳定和固化泡沫从而造成有机物添加种类多和工艺操作复杂的问题，本专利技术提供了一种疏水絮凝制备泡沫陶瓷的方法，包括：(1)控制水基陶瓷浆料的固含量为15～50vol.％，并调节水基陶瓷浆料的pH值以使其中陶瓷粉体表面带有电荷而以静电斥力方式均匀分散；(2)向所述水基陶瓷浆料中加入带有与陶瓷粉体表面电荷类型相反的表面活性剂，搅拌或球磨混合使所述表面活性剂均匀分散并吸附在陶瓷粉体表面得到表面活性剂改性的部分疏水化陶瓷浆料；(3)对所述部分疏水化陶瓷浆料进行机械搅拌发泡，泡沫浆料直接注入模具，利用疏水改性颗粒之间的疏水作用实现室温原位固化，然后脱模、干燥，再经烧结制得泡沫陶瓷。本专利技术根据浆料中陶瓷粉体颗粒表面带电类型，选择合适的酸或碱调节水基陶瓷浆料的pH值，此时陶瓷粉体颗粒表面充满电荷，陶瓷粉体颗粒之间存在静电斥力。本专利技术利用静电斥力使浆料中的陶瓷颗粒达到良好的分散效果，以获得粘度低且流动性好的水基陶瓷浆料。参见图1，本专利技术在静电斥力分散的水基陶瓷浆料中，添加与陶瓷粉体颗粒表面电性相反的表面活性剂(例如直链烷基阴离子表面活性剂或直链烷基阳离子表面活性剂)。本专利技术所述表面活性剂具有较高的临界胶束浓度，且为离子型，能够发生电离，产生带正电或带负电的官能团。带有正电或负电的官能团的表面活性剂吸附在陶瓷粉体颗粒表面达到疏水改性的效果，疏水改性颗粒吸附在气液界面发挥稳定气泡的作用。同时，本专利技术利用疏水颗粒之间的疏水絮凝实现泡沫浆料的固化，无需其他添加剂，无需任何凝胶固化体系，从而获得具有一定强度的泡沫陶瓷生坯。较佳地，所述陶瓷粉体为氧化物陶瓷粉体、非氧化物陶瓷粉体或复合陶瓷粉体，优选为氧化铝、氧化硅、氧化锆、碳化硅、氮化硅中的至少一种。较佳地，所述水基陶瓷浆料的固含量优选为20～40vol.％。较佳地，使用无机强酸或无机强碱调节浆料的pH值，所述无机强酸优选为盐酸，所述无机强碱优选为氢氧化钠、四甲基氢氧化铵中的至少一种。较佳地，所述表面活性剂为直链烷基阴离子表面活性剂或直链烷基阳离子表面活性剂，所述直链烷基阴离子表面活性剂为十二烷基硫酸三乙醇胺、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠中的至少一种，所述直链烷基阳离子表面活性剂为十二烷基三甲基氯化铵、十四烷基三甲基氯化铵、十六烷基三甲基氯化铵、十六烷基三甲基溴化铵中的至少一种。本专利技术根据水基陶瓷浆料中陶瓷颗粒表面的带电性质确定添加表面活性剂的类型，即当水基陶瓷浆料中陶瓷颗粒表面带正电荷时，采用阴离子表面活性剂(例如，12～16碳原子的直链烷基阴离子表面活性剂)。当陶瓷颗粒表面带负电荷时，采用阳离子表面活性剂(例如，12～16碳原子的直链烷基阳离子表面活性剂)。较佳地，所述表面活性剂的加入量为陶瓷粉体质量的0.01～1wt.％，优选0.05～0.5％。较佳地，所述搅拌或球磨混合的时间为10～30分钟。较佳地，所述机械发泡为在600～2000转/分钟的转速下搅拌1～5分钟。较佳地，所述原位固化为在室温下放置20～30小时。本专利技术中的原位固化是利用颗粒间的疏水作用实现的，无需其他添加剂，室温下放置20～30小时即可进行脱模、干燥。本专利技术还提供了一种泡沫陶瓷，气孔率在50～95％，孔径在10～200μm，孔壁结构完整且致密，孔壁上窗口数量少，基本为闭气孔结构。与现有技术相比，本专利技术具有如下显著的效果：(1)本专利技术利用疏水化颗粒在疏水作用下絮凝结合泡沫浆料，无需任何其他凝胶固化体系的加入，避免天然高分子固化体系和有机凝胶固化体系存在的一系列问题，绿色环保，工艺简单；(2)本专利技术方法适用于氧化物粉体、非氧化物粉体和复合粉体，方法适用性广；(3)通过调节疏水改性程度和机械搅拌工艺制备不同气孔率和孔径分布的泡沫陶瓷本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种疏水絮凝制备泡沫陶瓷的方法，其特征在于，包括：（1）控制水基陶瓷浆料的固含量为15～50 vol.%，并调节水基陶瓷浆料的pH值以使其中陶瓷粉体表面带有电荷而以静电斥力方式均匀分散；（2）向所述水基陶瓷浆料中加入带有与陶瓷粉体表面电荷类型相反的表面活性剂，搅拌或球磨混合使所述表面活性剂均匀分散并吸附在陶瓷粉体表面得到表面活性剂改性的部分疏水化陶瓷浆料；（3）对所述部分疏水化陶瓷浆料进行机械搅拌发泡，泡沫浆料直接注入模具，利用疏水改性颗粒之间的疏水作用实现室温原位固化，然后脱模、干燥，再经烧结制得泡沫陶瓷。

【技术特征摘要】
1.一种疏水絮凝制备泡沫陶瓷的方法，其特征在于，包括：（1）控制水基陶瓷浆料的固含量为15～50vol.%，并调节水基陶瓷浆料的pH值以使其中陶瓷粉体表面带有电荷而以静电斥力方式均匀分散；（2）向所述水基陶瓷浆料中加入带有与陶瓷粉体表面电荷类型相反的表面活性剂，搅拌或球磨混合使所述表面活性剂均匀分散并吸附在陶瓷粉体表面得到表面活性剂改性的部分疏水化陶瓷浆料；（3）对所述部分疏水化陶瓷浆料进行机械搅拌发泡，泡沫浆料直接注入模具，利用疏水改性颗粒之间的疏水作用实现室温原位固化，然后脱模、干燥，再经烧结制得泡沫陶瓷。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述陶瓷粉体为氧化物陶瓷粉体、非氧化物陶瓷粉体或复合陶瓷粉体，优选为氧化铝、氧化硅、氧化锆、碳化硅、氮化硅中的至少一种。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，使用无机强酸或无机强碱调节浆料的pH值，所述无机强酸优选为盐酸，所述无机强碱优选为氢氧化...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵瑾，王士维，岛井骏藏，周国红，张海龙，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31