一种多孔陶瓷及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种多孔陶瓷及其制备方法。该制备方法，包括以下步骤：１）用海藻酸钠与陶瓷粉制备出固相含量为２％－３０％浆料；２）将步骤１）得到的浆料注入模具，喷覆固化剂，脱模后得到湿坯Ａ；３）将步骤２）得到的湿坯Ａ在酸性环境下脱水，得到湿坯Ｂ；４）将步骤３）得到的湿坯Ｂ进行溶剂置换，得到湿坯Ｃ；５）将步骤４）得到的湿坯Ｃ进行干燥、烧结，得到多孔陶瓷。本发明专利技术生产的多孔陶瓷的样品开口气孔率高，且在４０％－８０％之间可控；具有较高的强度，可以满足机加工和使用要求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无机非金属陶瓷领域，特别涉及。技术背景多孔陶瓷是一种经高温烧成，体内具有大量彼此相通或闭合气孔的陶瓷材料， 它具有化学稳定性好、耐腐蚀、耐高温、孔道分布均匀、发达的比表面积，良好的透过性能和生物相容性等特点。因此，它被广泛用于化工、石油、冶炼、纺织、制 药、食品机械、水泥等领域。譬如污水净化、熔融金属及酸碱溶液的过滤分离、催 化剂载体等等。这类多孔陶瓷材料种类多，要求高，比如对于过滤材料，要求产品 开口气孔率高，孔径分布窄且为直通孔结构，对流体阻力小，透过性能好；而催化 剂载体要求产品孔道排列均匀，具有低流动阻力，高比表面积，短扩散路径。然而， 目前传统的成型制备方法已难以满足要求。如现使用的添加造孔剂法，气孔分布不 均匀；模板法虽然可以得到六方有序排列的孔道结构，但难以制备微米级孔径的多 孔陶瓷，且工艺复杂、成本高；而冷冻干燥法制备的多孔陶瓷不具有高度平行有序 排列的孔道结构；挤出成型法制备的多孔蜂窝陶瓷虽然具有均匀的显微结构和有序 排列的孔道结构，但难以制备较小孔径的多孔陶瓷，且对挤出物料的塑性要求较高。 这些都限制了多孔陶瓷的应用领域，是该材料发展中急需要解决的关键问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供，利用该制备方法提供的多 孔陶瓷开口气孔率高，强度高。本专利技术提供的多孔陶瓷的制备方法，包括以下步骤1) 用海藻酸钠与陶瓷粉制备出固相含量为2%-30%桨料；2) 将步骤l)得到的浆料注入模具，喷覆固化剂，脱模后得到湿坯A;3) 将步骤2)得到的湿坯A在酸性环境下脱水，得到湿坯B;4) 将步骤3)得到的湿坯B进行溶剂置换，得到湿坯C;5) 将步骤4)得到的湿坯C进行干燥、烧结，得到多孔陶瓷。 上述步骤:l)中制备浆料的方法包括以下步骤将海藻酸钠溶于水，形成浓度为0.5%-3%的海藻酸钠溶液，然后与所述陶瓷粉或陶瓷粉的悬浮液混合，球磨得到 所述浆料；所述海藻酸钠溶液与陶瓷粉的质量之比为(7-49) : (1-3);所述陶瓷 粉是氧化铝(A1203)、氧化锆(Zr02)或羟基磷灰石(HAP)。上述步骤2)中，喷覆固化剂的方法包括以下步骤在所述浆料的表面均匀喷 施固化剂，待固化剂覆盖住所述的浆料表面后，将剩余固化剂充入模具。所述固化 剂与浆料的质量之比为1: (3-6)。固化剂的用量只要达到本领域中的过量均可。在一个实施例中，所述固化剂是浓度为0.5mol/L-2mol/L的氯化钙水溶液、氯 化铝水溶液和/或硝酸妈水溶液。由于要保证整个工艺的环保特性，所以别的一些可 用的离子，如Ci^+和Ba^没有采用。当浆料表面均匀喷覆固化剂(以C^+为例)后会发生如下反应形成一层"初始 薄膜"Ca2++2NaAlg~~ Ca(Alg)2+2Na+ 这层膜是由反应生成的无定形的海藻酸钙组成，结构比较致密，只允许低分子 量的电解质透过，Ca"透过"初始薄膜"与浆料发生反应。初始薄膜下一定厚度内孔 隙结构分布不均匀，这层结构的厚度占整个湿坯厚度的比例很小。海藻酸钠高分子链在<^2+的作用下凝结在一起，形成"蛋盒"(egg-box)状结构， 如图1所示，宏观表现为凝胶体积收縮。由于透过初始薄膜向下渗透的Ca^分布均 匀，所以离子凝胶反应发生后形成分布均匀且形状大小一致的孔结构。凝胶形成后， 多余的水分释放到孔道结构中，固相颗粒随着海藻酸钠一起固化形成孔壁。随着 (^2+在水中的进一步渗透扩散，于是在渗透方向上形成均匀的管状孔道结构。在另一个实施例中，为了提高多孔陶瓷的强度，所述步骤2)中，浆料在球磨 之后和注模之前加入明胶，加热搅拌溶解，加入明胶占浆料质量的百分比为 0.5%-2%。如果浆料中加有明胶，所述固化剂可以是A与l-(3-二甲氨基丙基)-3-乙 基碳二亚胺(EDC)组成的混合溶液所述A为氯化钙、氯化铝和硝酸钙中的至少 一种；所述A在所述混合溶液中的浓度为0.5mol/L-2mol/L，所述l-(3-二甲氨基丙 基)-3-乙基碳二亚胺在所述混合溶液中的浓度为0.1mol/L-lmol/L。喷覆固化剂后，经过24-48小时，可以脱模，切去顶部和底部后得到湿坯A。 为了得到多孔结构，桨料中的固相含量只占2%-30% (质量百分比)，这样制 成的湿坯的固相含量也较低，所以当湿坯干燥时容易坍塌，因此需要将湿坯在酸性 环境中将机体内多余的水分脱出。为了避免较大的pH值梯度造成坯体收縮的不均匀和出于环保的目的，本专利技术选择了葡萄糖酸内酯作为氢离子源，通过葡萄糖酸内 酯在水中的缓慢水解释放来提供氢离子。所以，上述步骤3)中的酸性环境下脱水是将步骤2)得到的湿坯A置于葡萄糖酸内酯溶液中进行脱水，该脱水步骤进行时 的温度是6(TC，所用时间是12小时 24小时；所述葡萄糖酸内酯的浓度为0.15-0. 5g/ml。上述步骤4)中的溶剂置换所用的溶剂是乙醇、丙酮或叔丁醇，优选是乙醇或 叔丁醇。溶剂置换的方法将坯体放入盛有置换用的溶剂的容器中，使所述溶剂浸 没坯体12 24小时。无论对于冷冻干燥还是室温缓慢干燥，溶剂置换都是必须的。 对于冷冻干燥，因为水结冰7%-9%的体积膨胀会使坯体产生裂纹，所以我们使用乙 醇或叔丁醇置换坯体孔道内的水避免体积效应；而对于室温缓慢干燥，由于乙醇或 叔丁醇的表面张力比水小很多，所以能最大限度地保持孔道结构完好，减小干燥收 縮。上述步骤5)中干燥是冷冻干燥或室温干燥；所述烧结的方法包括以速率为 5-50。C/min升温，烧结温度为1200-1600°C，在1200-1600。C时的烧结时间是1~2小时。上述方法所制备的多孔陶瓷也属于本专利技术的保护范围制备。 样品的孔径大小、强度及透过性能可以通过固相含量、烧结温度以及添加剂等 来进行控制。随着固相含量的增加，样品的孔径变小，孔壁变厚，强度增大，透过 率降低；随着烧结温度的升高，样品的孔径变小，孔壁变得更加致密，强度逐渐增 大，透过率降低；增加样品的强度还可以通过在浆料中加入明胶，固化时加入EDC， 利用明胶和EDC的交联来进一步增加样品的强度。 本专利技术具有以下优点1) 整个工艺过程无毒无污染，绿色环保；2) 成本低，经济性好；3) 样品开口气孔率高，且在40%-80%之间可控；4) 样品孔道呈高度有序排列，且相互平行；5) 具有较高的强度，可以满足机加工和使用要求。附图说明图1为海藻酸钠与(^2+反应形成的"蛋盒"状结构。图2为不加明胶的陶瓷制备流程图。 图3为加明胶的陶瓷制备流程图。图4为不同固相含量样品的表面形貌，其中a的固相含量为5n/。(质量百分含量)；15的固相含量为10%; 0的固相含量为15%; (1的固相含量为20%。图5为使用不同干燥方法制得样品的表面形貌，(a)溶剂置换+冷冻干燥，(b)溶 剂置换+室温空气干燥，(c)室温空气干燥。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术作进一步说明，但本专利技术并不限于以下实施例。 下述实施例中，如无特殊说明，均为常规方法。 实施例l:用于制备碳纳米管的多孔氧化铝模板的制备1、 用于制备碳纳米管的多孔氧化铝模板的制备 制备流程如图2所示。将10g氧化铝粉末超声分散于190g浓度为1.5y。(质量百分含量)的海藻酸钠 溶液中，此时，海藻酸钠溶液与陶瓷粉的质量之比为190:10=本文档来自技高网...

【技术保护点】
多孔陶瓷的制备方法，包括以下步骤：　１）用海藻酸钠与陶瓷粉制备出固相含量为２％－３０％（质量百分比）浆料；　２）将步骤１）得到的浆料注入模具，喷覆固化剂，脱模后得到湿坯Ａ；　３）将步骤２）得到的湿坯Ａ在酸性环境下脱水，得到 湿坯Ｂ；　４）将步骤３）得到的湿坯Ｂ进行溶剂置换，得到湿坯Ｃ；　５）将步骤４）得到的湿坯Ｃ进行干燥、烧结，得到多孔陶瓷。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：黄勇，薛伟江，孙阳，谢志鹏，汪长安，杨金龙，康振杰，崔园园，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]