一种采用引发剂在YSZ颗粒表面进行原位聚合形成高固相含量的水系流延浆料制备方法。本发明专利技术涉及在YSZ颗粒表面采用原位聚合的分散方式制备高固相含量的YSZ浆料，在引发剂的作用下，吸附在YSZ颗粒表面的丙烯酸单体分子沿着YSZ颗粒表面进行聚合，颗粒表面的聚合物没有多余的链环和链尾与相邻颗粒发生桥连、絮凝，将经表面聚合的YSZ颗粒与粘结剂、增塑剂、溶剂按一定的比例配制，形成稳定、分散均匀的高固相含量(66vol％)的流延浆料。此方法制备的YSZ浆料不但固含量高，而且均匀性和稳定性也高于用商品化的分散剂制备的YSZ浆料。该方法工艺简单、成本低廉、适合于工业化生产，制得的电解质相对密度大于97.8％、厚度可控制在8～20μm，由其组成的SOFC单电池具有优良的电催化性能。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及在微米级、亚微米级及纳米级的YSZ颗粒表面采用丙烯酸原位聚合的分散方式制备稳定、分散均匀的高固相含量的YSZ流延浆料及其薄层电解质的制备方法，属于平板型固体氧化物燃料电池(SOFC)领域。
技术介绍
燃料电池中最有应用前景之一的是固体氧化物燃料电池(SOFC)。近年来世界各主要工业国在SOFC的关键材料、工艺过程和系统集成的研究与开发方面投入巨额资金并取得了重大的进展。平板型SOFC通常具有较高的电流密度和单位体积功率密度，可有效降低单位功率所需制备成本。固体氧化物燃料电池的电解质材料一般采用氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)为原料，YSZ致密烧结体是一种很好的高温离子传导材料，通过增大面积和减薄电解质层厚度到5μm～20μm左右，可以减少内电阻，并使其在中温下保持较高的氧离子电导，从而实现SOFC的中温化。平板型SOFC单电池中的薄层电解质的主要制备方法是流延法，目前普遍使用的为非水系流延。由于有机溶剂的大量使用，其有毒和易燃性造成了严重的环境污染。随着全球对环境保护的重视，水系流延取代非水系流延成为国内外研究的热点。以水取代有机溶剂，带来众多的科学和工艺问题尚未解决。对于纳米粉体较亚微米粉体无论非水基还是水基悬浮体，其固含量总是小10～20vol％左右，其主要原因是在介质中特别是在水介质中纳米颗粒间表面作用力极为复杂、作用力强、易团聚等；由于微米级、亚微米级 尤其是纳米级的颗粒的曲率大，而分散剂在溶液中一般以线团状形态存在，在粉体颗粒表面一些部位吸附线团状的分散剂分子后，使得相当部分的线团不易解开，这样不利于线团状的分散剂在颗粒表面的充分展开，于是分散剂分子有相当部分以链轨的构象形式吸附在颗粒表面，这不但使得其亲水基团难于稳定地吸附在颗粒表面的作用位点上，而且还增大了颗粒间的距离，从而造成固含量较低及浆料不稳定；另外，所购买的分散剂普遍存在分子量分布宽、针对性差的问题，很难满足不同颗粒尺寸的粉体需要不同分子量的分散剂的要求。因此开发新型高效分散剂和分散方式很有必要。本专利将在YSZ颗粒表面采用丙烯酸原位聚合，使粉体表面被聚合物包裹，形成一定的静电排斥和空间位阻作用，只有链轨构象而没有链环构象。将经丙烯酸表面聚合的YSZ颗粒与聚乙烯醇(线形分子)-B1070乳胶(球形)复合粘结剂、增塑剂聚乙二醇、溶剂水按一定的比例配制，可形成稳定、均匀、固相含量达到66vol％的流延浆料。由于YSZ颗粒表面的共聚物没有多余的链环和链尾与相邻颗粒发生桥连产生絮凝，有利于形成分散均匀、稳定的高固相含量浆料，这种新型高效的分散作用方式是制备稳定分散的高固相含量的浆料的关键所在。在陶瓷粉体的流延成型领域，本专利提出的在微米级、亚微米级及纳米级的YSZ颗粒表面采用丙烯酸原位聚合的分散方式，在理论上是迄今为止的最理想的一种分散方式。迄今为止尚没有一种商品化的分散剂可同时适用于微米级、亚微米级及纳米级的YSZ粉体。-->
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术在环保型的水介质中，在引发剂的作用下使吸附在YSZ颗粒表面的丙烯酸单体分子沿着颗粒表面进行聚合，表面聚合物主要以链轨的方式分散吸附在YSZ颗粒表面，颗粒表面的聚合物没有多余的链环 和链尾与相邻颗粒发生桥连、絮凝，可形成稳定、分散均匀的高固相含量的流水系延浆料。该方法工艺简单、成本低廉，易实现大面积、大规模生产。本专利技术包括配料、球磨、除气、流延、排塑、烧结过程，包括下述步骤：(1)将氧化钇稳定的氧化锆粉体、丙烯酸单体、引发剂和水按一定的比例称量放入反应器中，充分搅拌均匀，在恒温水浴条件下进行表面聚合。(2)将表面聚合的氧化钇稳定的氧化锆粉体(YSZ)粉体进行离心分离，用水洗涤。(3)将洗涤过的经表面聚合的氧化钇稳定的氧化锆粉体(YSZ)粉体与聚乙烯醇-B1070乳胶复合粘结剂、聚乙二醇增塑剂及水按一定的比例称量，放入球磨罐中进行球磨；(4)球磨混合浆料，除气，将浆料在流延机上进行成型，制成电解质素坯膜片；(5)将氧化钇稳定的氧化锆粉体、NiO、淀粉造孔剂、调墨油和增塑剂按一定的比例称量，将其调匀，制成阳极生坯泥料；(6)将阳极生坯泥料经轧膜成型工艺制备阳极生坯膜片。(7)将电解质素坯膜片与阳极素坯膜片经热压叠层，制成阳极支撑型薄层电解质复合素坯膜片；(8)将制得的阳极支撑型薄层电解质复合素坯膜片进行烧结，制成平整的阳极支撑型/薄层电解质复合材料半电池。优选的排塑条件为450～650℃，升温速度为0.5～1℃/分。优选的高温烧结条件为1350～1450℃下烧结2～10小时。优选的电解质素坯膜片流延成型条件是刀高65～130μm，优选的阳极素坯膜片的轧制厚度为0.1～1mm，并在室温下干燥20～30小时。在本专利技术的电解质素坯膜片实施例中，以水为溶剂；以丙烯酸为单体；以过硫酸铵为引发剂；以聚乙烯醇-B1070乳胶为复合粘结剂；以聚乙二醇(PEG400)为增塑剂；在本专利技术的阳极生坯膜片实施例中，以调墨油和增塑剂按一定的比例将氧化钇稳定的氧化锆粉体、NiO粉体、淀粉造孔剂调匀，制成阳极生坯泥料；电解质浆料中各组分的质量百分比具体组成为：氧化钇稳定的氧化锆100g，丙烯酸表面聚合物0.2～0.8g，聚乙烯醇(10～60wt％)-B1070乳胶(90～50wt％)组成的复合粘结剂粘结剂5～7g、增塑剂聚乙二醇0.3～0.9g、水17～30g；阳极生坯膜片各组分的质量百分比具体组成为：氧化钇稳定的氧化锆40～50g，NiO65～50g，造孔剂10～30g，调墨油5～10g，聚乙二醇0.1～1.2g，针对不同的粉料，可采取不同的配比方式。本专利技术在YSZ颗粒表面的聚合的表面聚合物主要以链轨的方式分散吸附在YSZ颗粒表面，颗粒表面的聚合物没有多余的链环和链尾与相邻颗粒发生桥连、絮凝，从而可形成稳定、分散均匀的高固相含量的流水系延浆料。本专利技术的优点在于：(1)流延法工艺简单、成本低廉、无污染，且易实现大面积生产；-->(2)使用已经合成的分散剂制备的YSZ浆料的固含量不如使用原位聚合的分散方式制备的YSZ浆料固含量高，其均匀性和稳定性也不如原位聚合的分散方式制备的YSZ浆料。(3)采用原位聚合的分散方式制备的YSZ水系浆料用流延法制备的大面积电解质素坯膜片，该电解质素坯膜片具有柔韧性好、表面无缺陷、强度高、可卷曲、可剪裁、叠层性能好等特性。(4)将电解质素坯膜片与阳极素坯膜片经热压叠层，制得的阳极支撑型薄 层电解质复合素坯膜片，经共烧后，阳极孔隙率为30～35vol.％、孔隙分布均匀、各相显微结构均匀、厚度为0.5～1.0mm，电解质烧结相对密度大于98.7％、厚度可控制在8～20μm。附图说明1.图1是按实施例1制备的大面积电解质素坯膜片。2.图2是按实施例4制备的平板式SOFC在700℃以氢气为燃料时65小时的放电曲线图，燃料气流量为25ml/分，氧化气体(O2)流量为25ml/分。具体实施方案为了更清楚地理解本专利技术，以下结合具体实施方案来说明本专利技术实质性地进展和显著的进步，给出专利技术人的应用实例以对本专利技术作进一步的说明，但不仅局限于实施例。实施例1制备大面积、致密的YSZ电解质膜片取YSZ(8mol％Y2O3稳定的ZrO2)粉体100g，丙烯酸单体0.5g、过硫酸铵0.本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．在ＹＳＺ颗粒表面采用原位聚合的分散方式制备高固相含量的ＹＳＺ浆料，其特征在于在过硫酸铵引发剂的作用下，分别吸附在微米级、亚微米级及纳米级的ＹＳＺ颗粒表面的丙烯酸单体分子可沿着ＹＳＺ颗粒表面进行聚合。
【技术特征摘要】
1.在YSZ颗粒表面采用原位聚合的分散方式制备高固相含量的YSZ浆料，其特征在于在过硫酸铵引发剂的作用下，分别吸附在微米级、亚微米级及纳米级的YSZ颗粒表面的丙烯酸单体分子可沿着YSZ颗粒表面进行聚合。2.按权利要求1在YSZ颗粒表面采用原位聚合的分散方式制备高固相含量的YSZ浆料，包括配料、球磨、除气、流延、干燥、排塑、烧结过程。其特征在于下述步骤：(1)将氧化钇稳定的氧化锆粉体、丙烯酸单体、引发剂和水按一定的比例称量放入反应器中，充分搅拌均匀，在恒温条件下进行表面原位聚合。(2)将表面原位聚合的氧化钇稳定的氧化锆粉体(YSZ)粉体进行离心分离，用水洗涤。(3)将洗涤过的经表面原位聚合的氧化钇稳定的氧化锆粉体(YSZ)与聚乙烯醇-B1070乳胶复合粘结剂、增塑剂聚乙二醇、溶剂水按一定的比例称量，放入球磨罐中进行球磨；(4)球磨混合浆料，除气，将浆料流延成型制成电解质素坯膜片；(5)将氧化钇稳定的氧化锆粉体、NiO、造孔剂、调墨油和增塑剂按一定的比例称量，将其调匀，制成阳极生坯泥料；(6)将阳极生坯泥料经轧膜成型工艺制备阳极生坯膜片。(7)将电解质素坯膜片与阳极素坯膜片经热压叠层，制成阳极支撑型/薄层电解质复合素坯膜片；(8)将制得的阳极支撑型/薄层电解质复合素坯膜片进行烧结，制成阳极支撑型/薄层电解质复合膜片。3.按权利要求2阳极支撑型/薄层电解质复合膜片的制备方法，其特征在于步骤(8)所述的高温烧结条件为1300-1450℃下烧结2-10小时；排塑条件为450-650℃，升温速度为0.5-1℃/分。4.按权利要求2所述的大面积电解质膜材的制备方法，其特征在于步骤(3)的浆料中还加入分散剂、粘结剂和增塑剂。5.在YSZ颗粒表面采用原位聚合的分散方式制备高固相含量的YSZ浆料，其特征在于在过硫酸铵引发剂的作用下，分别吸附在微米级、亚微米级...
【专利技术属性】
技术研发人员：吴也凡，苏蕙，
申请(专利权)人：景德镇陶瓷学院，
类型：发明
国别省市：36
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