3D打印制备木材生物质多孔碳化硅的方法及多孔碳化硅技术

本发明专利技术属于多孔碳化硅陶瓷材料相关技术领域，其公开了一种3D打印制备木材生物质多孔碳化硅的方法及多孔碳化硅，所述方法包括：将粉碎的木材生物质加入碱液中浸泡，然后干燥得到木粉；将所述木粉与酚醛树脂和硅粉按化学计量比加入有机溶剂中均匀混合，然后采用湿法造粒技术获得有机碳源/硅复合粉体；将所述有机碳源/硅复合粉体通过3D打印技术按照产品三维模型成形得到木材生物质坯体；将所述木材生物质坯体进行碳化原位反应烧结得到多孔碳化硅。本申请中方法即解决了硅残留的问题同时可以实现复杂结构的制备，工艺简单，得到的多孔碳化硅力学性能好，功能性强。功能性强。功能性强。

【技术实现步骤摘要】
3D打印制备木材生物质多孔碳化硅的方法及多孔碳化硅


[0001]本专利技术属于多孔碳化硅陶瓷材料相关
，更具体地，涉及一种3D打印制备木材生物质多孔碳化硅的方法及多孔碳化硅。

技术介绍

[0002]多孔碳化硅陶瓷重量轻，具有优异的力学性能、化学稳定性、耐热性及电学性能等，可用作催化剂载体、电磁波吸收器件、电池电极及高温传感器等。以木材等生物质材料为模板制备仿生多孔碳化硅充分利用了木材本身固有的微观多孔特征，使得碳化硅陶瓷成品具有和木材相仿的微观形貌。木材仿生多孔碳化硅陶瓷的传统制备工艺通常是以木材块体或粉体为生物模板，并对块体进行机械切割或将粉体与液态树脂混合热压加工成一定形状的高分子素坯，然后对素坯碳化后得到热解碳陶瓷，最后对碳陶瓷进行液相或气相渗硅反应烧结得到多孔碳化硅，然而这种方法会因为木材杂质、渗硅量无法控制等问题使得碳化硅内部存在大量的缺陷并残留大量的硅，严重影响碳化硅陶瓷产品的性能。此外，碳化硅陶瓷硬度大、脆性高，难以通过机械加工得到理想形状，制约了多孔碳化硅产品的使用范围。
[0003]CN2009100839716公开了一种制备碳化硅木陶瓷的方法，该方法先是将200～300目的木粉在高温条件及气氛保护下制得1500～10000目的超细碳粉，然后通过注浆成形获得碳坯，最后采用液相渗硅法获得碳化硅木陶瓷，该方法会破坏木材微观生物形态，难以提高碳浆固含量，且成品中残硅量较多。CN2018103864761提供了一种利用聚碳硅烷和木粉制备碳化硅木陶瓷的方法，该方法对聚碳硅烷浸渍的木粉进行热压值得预制体，然后经过高温气氛裂解得到碳化硅木陶瓷，这一方法会使得木粉碳化以碳的形式残留在碳化硅木陶瓷中，严重降低碳化硅力学性能与高温性能。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种3D打印制备木材生物质多孔碳化硅的方法及多孔碳化硅，本申请中方法即解决了硅残留的问题同时可以实现复杂结构的制备，工艺简单，制备结构的多孔性能好。
[0005]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种3D打印制备木材生物质多孔碳化硅的方法，所述方法包括：S1：将粉碎的木材生物质加入碱液中浸泡，然后干燥得到木粉；S2：将所述木粉、酚醛树脂和硅粉按化学计量比加入有机溶剂中均匀混合，然后采用湿法造粒技术获得有机碳源/硅复合粉体；S3：将所述有机碳源/硅复合粉体通过3D打印技术按照产品三维模型成形得到木材生物质坯体；S4：将所述木材生物质坯体进行碳化
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原位反应烧结得到多孔碳化硅。
[0006]优选地，所述碱液为氢氧化钠和亚硫酸钠溶于纯水中制得，氢氧化钠、亚硫酸钠和纯水的质量比为(3～5)∶(1～2)∶1。
[0007]优选地，所述有机溶剂为甲醇、乙醇或丙酮中的一种或几种。
[0008]优选地，所述酚醛树脂为热固性酚醛树脂，所述木粉、酚醛树脂、硅粉的质量比为(1～3)∶(1～3)∶(1～2.5)。
[0009]优选地，所述热固性酚醛树脂与所述有机溶剂的质量比为(1～1.5)∶(1～2)。
[0010]优选地，所述木粉的粒径为70～100微米；所述硅粉的粒径为0.5～5微米；所述有机碳源/硅复合粉体的粒径为10～90微米。。
[0011]优选地，步骤S4具体包括：碳化过程：将所述木材生物质坯体放入底部铺有碳化硅粗粉的石墨坩埚中，然后放入管式炉中，抽真空后通入惰性气体然后进行加热，管式炉内气压为0.1～0.2MPa，加热温度为600～800℃，升温速率为0.5～1℃/min，碳化时间为2～5h；原位反应过程：碳化过程完成后进行升温，持续升至1300～1600℃，升温速率为5～10℃/min，然后持续5～10h。
[0012]优选地，所述木材生物质为枯叶、树枝、树杈、树干、木块、边角料、废弃木质家具、办公废纸中的一种或几种的混料。
[0013]优选地，所述的3D打印技术为激光选区烧结、三维喷印或数字光处理成形工艺。按照本专利技术的另一个方面，提供了一种采用上述的3D打印制备木材生物质多孔碳化硅的方法制备的多孔碳化硅。
[0014]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，本专利技术提供的一种3D打印制备木材生物质多孔碳化硅的方法及多孔碳化硅具有如下有益效果：
[0015]1.本申请中的木材生物质通过碱化处理可以影响木粉的化学结构，以提高木粉与酚醛树脂的化学亲和性，从而使得酚醛树脂在湿法造粒的时候将木粉包裹的更好，进而影响成形坯体的微观结构，提高多孔碳化硅的强度。
[0016]2.按照化学计量比获得有机碳源/硅复合粉体，有效降低了反应烧结后多孔碳化硅构件的残硅量和残碳量，得到的组织更加均匀，杂质少，性能提升。
[0017]3.采用湿法造粒技术有利于将粉材分散，让多种材料混合均匀，酚醛树脂可溶于有机溶剂中，在液体条件下可实现对硅粉和木粉的均匀包覆，制取的粉材流动性好、松装密度高，使得3D打印成为可能。同时得到有机碳源/硅复合粉体的微观形貌和粒径均匀，硅粉有利于在后续的碳化
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原位反应后得到组织结构均匀的多孔碳化硅。
[0018]4.木粉、酚醛树脂、硅粉的质量比为(1～3)∶(1～3)∶(1～2.5)，即保证了碳源、硅源的较少残留，又可以实现3D打印的有效进行，避免打印溃散现象的产生；热固性酚醛树脂与所述有机溶剂的质量比为(1～1.5)∶(1～2)既可以实现固体粉末的完全溶解，得到适宜浓度的溶液又利于后续的快速干燥，极大的提高了处理效率。
[0019]5.所述硅粉的粒径为0.5～5微米；所述有机碳源/硅复合粉体的粒径为10～90微米；所述硅粉与木粉的粒径相差较大有利于硅与碳充分反应，便于形成组织结构均匀的多孔碳化硅，同时该粒径下便于3D打印技术复杂结构的成形要求。
[0020]6.本申请通过对木材废弃物预处理，有机碳源/硅复合粉体的湿法造粒，3D打印工艺成形木材生物质坯体，一步碳化
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反应烧结工艺等步骤实现了微观
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木材生物质多孔及宏观
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3D打印复杂构型一体化的碳化硅的制备，采用该方法使得木材废弃物得到回收及重复利用，可成形高性能复杂形状的多孔碳化硅，且最终成品中无残硅、缺陷少，是一种符合生态文明观念的绿色3D打印木材生物质多孔碳化硅制造工艺。
[0021]7.本专利技术所使用的多种3D打印工艺能够充分利用有机碳源/硅复合粉的特点，根
据需求个性化地制备具有复杂微观
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宏观结构的多孔碳化硅，能够实现具有不同使用特点和用途的多孔碳化硅构件，扩大了3D打印木材生物质仿生多孔碳化硅的应用范围。
附图说明
[0022]图1是本实施例的3D打印制备木材生物质多孔碳化硅的方法的步骤图；
[0023]图2是本实施例的3D打印制备木材生物质多孔碳化硅的方法的流程图；
[0024]图3A是本实施例的有机碳源/硅复合粉的微观示意图；
[0025]图3B是本实施本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种3D打印制备木材生物质多孔碳化硅的方法，其特征在于，所述方法包括：S1：将粉碎的木材生物质加入碱液中浸泡，然后干燥得到木粉；S2：将所述木粉、酚醛树脂和硅粉按化学计量比加入有机溶剂中混合，然后采用湿法造粒技术获得有机碳源/硅复合粉体；S3：将所述有机碳源/硅复合粉体通过3D打印技术按照产品三维模型成形得到木材生物质坯体；S4：将所述木材生物质坯体进行碳化
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原位反应烧结得到多孔碳化硅。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碱液为氢氧化钠和亚硫酸钠溶于纯水中制得，氢氧化钠、亚硫酸钠和纯水的质量比为(3～5)∶(1～2)∶1。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有机溶剂为甲醇、乙醇或丙酮中的一种或几种。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述酚醛树脂为热固性酚醛树脂，所述木粉、酚醛树脂、硅粉的质量比为(1～3)∶(1～3)∶(1～2.5)。5.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，所述热固性酚醛树脂与所述有机溶剂的质量比为(1～1.5)∶(1～2)。6...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫春泽，王长顺，吴思琪，李昭青，陈安南，史玉升，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：