一种堇青石陶瓷材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种堇青石陶瓷材料的制备方法，本发明专利技术的通过将饱和硝酸铝溶液和硅溶胶混合，烘干，得到干凝胶；待改性的堇青石陶瓷埋于干凝胶与助熔剂的混合物中加热、冷却；然后去除堇青石表面残留的助熔剂，得到表面改性后的堇青石，即表面生长莫来石纤维的堇青石陶瓷。本发明专利技术的制备方法改性后的堇青石陶瓷仅表面的物理形貌发生了变化，在不改变堇青石陶瓷表面结构而直接在其基础上原位生长莫来石晶须，显著提高了堇青石的比表面积。

A preparation method of cordierite ceramics

The invention discloses a preparation method of cordierite ceramic material. By mixing the saturated aluminum nitrate solution with the silica sol, drying the dry gel, the modified cordierite ceramics are heated and cooled in the mixture of the dry gel and the flux, and then the flux residue on the cordierite surface is removed and the table is obtained. Surface modified cordierite is a cordierite ceramic with mullite fibers on the surface. The physical morphology of cordierite ceramics changed only after the preparation of the preparation method, and the mullite whisker was directly grown on the base of the cordierite ceramic surface without changing the structure of cordierite ceramics, and the specific surface area of cordierite was greatly improved.

【技术实现步骤摘要】
一种堇青石陶瓷材料的制备方法
本专利技术属于无机材料改性方法
，具体涉及一种堇青石陶瓷材料的制备方法。
技术介绍
堇青石(2Al2O3·2MgO·5SiO2)蜂窝陶瓷因其特有的性质(低的热膨胀系数和高的热稳定性)而被广泛用作催化剂载体，适合作为汽车尾气催化剂载体。同时，由于汽车尾气催化剂用载体要求在具有足够强度的条件下拥有大比表面积，二者缺一不可，但由于堇青石蜂窝陶瓷采用挤压成型，并在1300℃以上焙烧制得，所以比表面积较小(一般小于1m2/g)。而载体比表面积直接决定催化剂的活性中心数量，从而影响催化剂的催化活性，因此必须提高堇青石蜂窝陶瓷的比表面积。目前，堇青石蜂窝陶瓷的表面改性方法主要有酸腐蚀法和涂覆涂层法。酸腐蚀可以显著提高堇青石蜂窝陶瓷的比表面积和降低热膨胀系数，增加显气孔率和吸水率，但该方法会使堇青石蜂窝陶瓷的强度降低。在涂覆涂层改性方面，目前研究最多的是涂覆大比表面积的γ-Al2O3涂层，并取得了一定进展。涂覆改性涂层不仅可以提高堇青石的比表面积，还可以增加堇青石的强度，然而γ-Al2O3涂层在较高温度时会发生相变转化为α-Al2O3，使得比表面积急剧下降。
技术实现思路
针对现有的堇青石蜂窝陶瓷的表面改性涂层存在的问题和缺陷，本专利技术的目的是提供一种新型堇青石陶瓷材料的制备方法，解决了现有的堇青石蜂窝陶瓷的表面改性涂层比表面积小的问题。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案予以实现：一种堇青石陶瓷材料的制备方法，包括：将待改性的堇青石陶瓷埋于凝胶粉与助熔剂的混合粉体中加热，去除堇青石表面残留的助熔剂，得到表面改性后的堇青石陶瓷材料；所述的凝胶粉为饱和硝酸铝溶液和硅溶胶混合得到；所述的助熔剂为硫酸钠或硫酸钾-氯化钾。进一步的，具体过程按以下步骤进行：步骤1，将饱和硝酸铝溶液和硅溶胶混合，搅拌均匀，得到硅铝混合溶液，其中，饱和硝酸铝溶液和硅溶胶的用量满足摩尔比Al：Si＝3：1；步骤2，调节混合溶液pH≥9，得到前驱体溶胶，在110℃条件下烘干得到干凝胶；步骤3，将步骤2得到的干凝胶和助熔剂按1:(1～2)的质量比混合研磨均匀，得到均匀分散的凝胶粉和助熔剂混合粉体；步骤4，将待改性的堇青石陶瓷埋于步骤3得到的混合粉体中，于900～1200℃下保温2～6小时后自然冷却；步骤5，将经步骤4处理过的改性堇青石陶瓷于沸水浴中煮沸至其表面残留的助熔剂完全溶解，然后经冷却、洗涤、干燥得到表面改性后的堇青石陶瓷材料。进一步的，所述的步骤2中，用氨水调节混合溶液的pH。本专利技术还公开一种将上述堇青石陶瓷材料用于汽车尾气催化载体的应用。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术利用溶胶-凝胶法得到均匀分散的硅铝混合干凝胶粉，与助溶剂混合，在高温条件下硫酸盐熔解，继而在熔盐体系中反应，在堇青石(2Al2O3·2MgO·5SiO2)陶瓷表面定向生长出莫来石(3Al2O3·2SiO2)纤维，最终形成堇青石/莫来石纤维复合表面层结构。本专利技术的制备方法改性后的堇青石陶瓷仅表面的物理形貌发生了变化，在不改变堇青石陶瓷表面结构而直接在其基础上原位生长莫来石晶须，显著提高了堇青石的比表面积。附图说明图1是待改性堇青石陶瓷断口不同放大倍数下的扫描电镜照片，(a)×5.00k，(b)×20.0k。图2是本实施例1中改性后的堇青石陶瓷断口不同放大倍数下的扫描电镜照片，(a)×1.00k，(b)×6.00k。图3是本实施例8中改性后的堇青石陶瓷断口的扫描电镜照片。图4是本实施例11中改性后的堇青石陶瓷断口的扫描电镜照片。图5是本实施例13中改性后的堇青石陶瓷断口的扫描电镜照片。以下结合实施例对本专利技术的具体内容作进一步详细解释说明。具体实施方式目前，国内外尚没有利用溶胶-凝胶法结合熔盐法对堇青石陶瓷表面进行改性的研究报道。申请人在进行溶胶-凝胶法结合熔盐法制备纳米材料过程中，发现熔融盐提供高温熔融体系，使提供的硅铝混合干凝胶粉在熔融体系中发生反应在堇青石表面生成莫来石晶须。本专利技术的改性方法是采用硅铝凝胶粉高温下在硫酸钠的熔盐或硫酸钾-氯化钾的熔盐体系中发生反应，其反应方程式如下：2Al3++3H2O→Al2O3或Al(OH)3溶胶(1)3Al2O3或3Al(OH)3+2SiO2→3Al2O3·2SiO2(2)硝酸铝在碱性条件下水解成Al2O3或Al(OH)3溶胶，再与硅溶胶混合成凝胶，Al2O3或Al(OH)3和SiO2在熔盐中反应生成莫来石晶须包覆在堇青石陶瓷的表面上，从而实现对堇青石陶瓷的改性。利用硅铝凝胶粉在高温熔融盐体系中反应生成莫来石纤维束而实现对堇青石陶瓷进行表面改性，得到一种新型的堇青石陶瓷表面形貌，即在堇青石陶瓷基体上生长莫来石纤维，使堇青石陶瓷表面形貌发生明显改变。本专利技术的具有特殊表面形貌的堇青石陶瓷应用于汽车尾气催化载体上。本专利技术的具体制备过程按以下步骤进行：步骤1，将饱和硝酸铝溶液和硅溶胶混合，搅拌均匀，得到硅铝混合溶液，其中，饱和硝酸铝溶液和硅溶胶的用量满足摩尔比Al：Si＝3：1；步骤2，用氨水调节混合溶液的pH≥9，得到前驱体溶胶，在110℃条件下烘干得到干凝胶；步骤3，将步骤2得到的干凝胶和助熔剂按1:(1～2)的质量比混合研磨均匀，得到均匀分散的凝胶粉和助熔剂混合粉体；具体的，所述助熔剂为硫酸钠或硫酸钾-氯化钾；步骤4，将待改性的堇青石陶瓷埋于步骤3得到的混合粉体中，于900～1200℃下保温2～6小时后自然冷却；步骤5，将经步骤4处理过的改性堇青石陶瓷于沸水浴中煮沸至其表面残留的助熔剂完全溶解，然后经冷却、洗涤、干燥得到表面改性后的堇青石陶瓷材料。本专利技术获得的表面改性后的堇青石陶瓷材料可用作为汽车尾气催化剂载体。以下给出本专利技术的具体实施例，需要说明的是本专利技术并不局限于以下具体实施例中，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本专利技术的保护范围。实施例1将饱和硝酸铝溶液和硅溶胶混合，大强度搅拌均匀，得到硅铝混合溶液，其中，饱和硝酸铝溶液和硅溶胶的用量满足摩尔比Al：Si＝3:1；在混合溶液中滴加氨水(NH3·H2O)调节至pH≥9，得到前驱体溶胶，然后在110℃条件下烘干得到干凝胶；将上述干凝胶和硫酸钠按1:2的质量比混合研磨均匀，得到均匀分散的凝胶粉和硫酸钠混合粉体；将待改性的堇青石陶瓷埋于混合粉体中，于1000℃下保温2小时后自然冷却；将经处理过的待改性堇青石陶瓷于沸水浴中煮沸至其表面残留的助熔剂完全溶解，然后经冷却、洗涤、干燥得到表面改性后的堇青石。经过以上工艺改性的堇青石陶瓷弯曲强度与原始试样相比没有显著变化。但其表面形貌发生了改变，通过扫描电镜照片观察其微观形貌的变化。图1是本实施例原始堇青石的断口形貌，从图中可以看出，堇青石蜂窝陶瓷表面分布着微米级的孔洞，然而由于堇青石蜂窝陶瓷采用挤压成型且烧成温度较高，在烧成过程中，玻璃相的形成使堇青石蜂窝陶瓷的致密度增加，而其比表面积略有降低。图2是本实施例改性后的形貌，从中可以看到表面已经被莫来石的纤维丛所取代，莫来石纤维从堇青石陶瓷的表面垂直生长，形成堇青石/莫来石晶须表面层。实施例2本实施例与实施例1的区别在于：待改性的堇青石陶瓷与混合粉体的反应温度为1000℃下保温4小时。堇青石蜂窝陶瓷表面形貌与实施例1相似，鉴于篇幅，此处不再赘述。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种堇青石陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括：将待改性的堇青石陶瓷埋于凝胶粉与助熔剂的混合粉体中加热，去除堇青石表面残留的助熔剂，得到表面改性后的堇青石陶瓷材料；所述的凝胶粉为饱和硝酸铝溶液和硅溶胶混合得到；所述的助熔剂为硫酸钠或硫酸钾‑氯化钾。

【技术特征摘要】
1.一种堇青石陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括：将待改性的堇青石陶瓷埋于凝胶粉与助熔剂的混合粉体中加热，去除堇青石表面残留的助熔剂，得到表面改性后的堇青石陶瓷材料；所述的凝胶粉为饱和硝酸铝溶液和硅溶胶混合得到；所述的助熔剂为硫酸钠或硫酸钾-氯化钾。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，具体过程按以下步骤进行：步骤1，将饱和硝酸铝溶液和硅溶胶混合，搅拌均匀，得到硅铝混合溶液，其中，饱和硝酸铝溶液和硅溶胶的用量满足摩尔比Al：Si＝3：1；步骤2，调节混合溶液pH≥9，得到前驱体溶胶，在110℃条件下烘...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜炜，王伟，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61