本发明专利技术涉及在CeO2基陶瓷粉体颗粒表面络合吸附丙烯酰胺单体，通过球磨激活引发剂进行原位聚合，使陶瓷粉体颗粒表面被聚合物所包裹。将经表面聚合的CeO2基陶瓷粉体与聚乙烯吡咯烷酮-丁苯乳胶复合粘结剂、增塑剂聚乙二醇、溶剂水按一定的比例配制，可形成稳定、分散均匀的高固相含量为87wt％的流延浆料。使用本发明专利技术制备的流延浆料，不但其固含量、均匀性和稳定性都高于用商品化的分散剂制备的流延浆料，而且所制备的流延坯片平整度高、表面缺陷少及具有很好的热压叠层等综合性能，便于生产上对生坯片的剪裁、加工。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98.6％、厚度可控制在8～200μm之间，具有优良的电性能。
【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陶瓷粉体颗粒表面采用原位聚合的分散方式制备稳定、分散均勻的高固相含量的CeO2基电解质材料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
平板式固体氧化物燃料电池(SOFC)中目前最常用的电解质陶瓷材料是 Y2O3稳定的&02(YSZ)，由于YSZ在高温(约1000°C )才具有较高的离子电导率，而且燃料电池在高温运行时将带来一系列问题，例如阳极中的电催化剂在高温因烧结而失活、电极与电解质界面的高温反应等。因此，开发中、低温范围内的电解质材料以降低电池的工作温度就尤为必要。SOFC的中、低温化的另一重要途径就是电解质的薄膜化，即减薄电解质层厚度到5 μ m-20 μ m左右并使其相对烧结密度达97%以上，因为降低运行温度可以使得SOFC 材料的选择空间更大，延长SOFC的使用寿命，减少热应力，提高可靠性及降低SOFC的成本。 与YSZ相比，掺杂的CeO2具有更好的离子导电率和更低的导电活化能。由于CeO2基电解质材料的工作温度范围较窄、在低氧分压和还原气氛下不够稳定、Ce4+易被还原成Ce3+而出现电子电导使材料的电性能恶化、在Ce4+还原成Ce3+的过程中并伴有晶格膨胀、易开裂、难以烧结等问题，因此必须通过在CeO2表面涂膜或对CeO2进行掺杂来解决上述问题。目前，掺杂的CeO2已成为中温SOFC电解质最有潜力的候选材料之一。CeO2基固体电解质的制备技术对材料的气孔率和导电性的影响很大。最初制备CeO2基固体电解质是采用干压法，后来发展了热压、等静压、热等静压等方法。但是这几种成型法制备的电解质材料的厚度太大， 而且只能制备简单形状的电解质。电解质的薄层化可减少材料的缺陷，降低欧姆电阻，提高电池性能，并使其低温运行成为可能。要在大面积的平板式固体氧化物燃料电池(SOFC)的阳极衬底上制备致密的电解质层薄膜，需要具备两个条件，一是电解质粉体要具有高的烧结活性和堆积密度，二是要采用合适的薄膜制备工艺。目前平板型SOFC单电池中的薄层电解质的主要制备方法是非水系流延法，由于大量使用有机溶剂，造成了严重的环境污染。因此用水系流延取代非水系流延是SOFC产业化的必然发展方向。分散效果的好坏是水系流延浆料制备中的最重要的一个环节。商品化分散剂在水溶液中一般以线团状形态存在，线团状的分散剂分子中的一些链段在粉体颗粒表面吸附后，往往不利于线团状的分散剂分子在颗粒表面的充分展开，其中以链轨的构象形式在溶液中伸展的片段不但增大了颗粒间的距离，而且还可能造成发生桥连产生絮凝，从而造成固含量较低及浆料不稳定。使用现有的商品化分散剂，目前对于纳米粉体，无论非水基还是水基悬浮体，其固含量都偏低。因此研发新型的分散方式势在必行。我们的研究发现虽然聚丙烯酸是陶瓷粉体水系流延浆料中最常用的分散剂，但丙烯酸单体或过硫酸铵引发剂分子在CeO2基粉体材料的颗粒表面的吸附是弱吸附，95%左右的丙烯酸单体游离在水溶液中，通过升温激活引发剂的聚合方式，主要是丙烯酸单体在溶液中的聚合，而不是在颗粒表面的聚合，从而达不到有效分散的效果。 由于丙烯酰胺单体在水溶液中对CeO2基粉体颗粒表面具有较强的配位络合能力，在球磨分散过程中，由于球磨子的碰撞，将能量传递给吸附在颗粒表面的引发剂，从而引发丙烯酰胺单体在颗粒表面的聚合，形成只有链轨构象而没有链环构象的分散方式，缩短了颗粒间的距离，不会造成桥连及絮凝，从而有利于制备高固含量的稳定均勻的流延浆料。而在溶液中的非吸附态的引发剂分子由于没有受到球磨子的直接碰撞，却不会引发丙烯酸单体在溶液中的聚合；将经表面聚合的高度分散的CeO2基粉体颗粒与聚乙烯吡咯烷酮(线形分子)_丁苯乳胶(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、分散均勻、固相含量高达87wt%的流延浆料。
技术实现思路
本专利技术涉及在CeO2基粉体颗粒表面络合吸附丙烯酰胺单体，通过球磨激活引发剂进行原位聚合的方式，使CeO2基电解质材料的颗粒表面被聚合物包裹。将经表面聚合的CeO2基陶瓷粉体颗粒与聚乙烯吡咯烷酮_ 丁苯乳胶复合粘结剂、增塑剂聚乙二醇、 溶剂水按一定的比例配制，可形成分散均勻、稳定及固相含量为87wt%的流延浆料。使用本专利制备的陶瓷粉体浆料，其固含量、均勻性和稳定性都高于用商品化的分散剂制备的水系流延浆料。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 98. 6%、厚度可控制在8 200 μ m，由其组成的SOFC单电池具有优良的电催化性能。针对现有技术的不足，本专利技术在环保型的水介质中，在CeO2基粉体颗粒表面络合吸附丙烯酰胺单体，通过球磨激活引发剂进行原位聚合的方式，使CeO2基电解质材料的颗粒表面被聚丙烯酰胺包裹。将经表面聚合的CeO2基陶瓷粉体颗粒与聚乙烯吡咯烷酮_ 丁苯乳胶复合粘结剂、增塑剂聚乙二醇、溶剂水按一定的比例配制，可形成稳定、分散均勻的高固相含量的流延浆料。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(I)CeO2基粉体、丙烯酰胺单体、引发剂和水按一定的比例称量放入球磨罐中，在球磨过程中进行表面聚合；(2)将表面聚合的CeO2基粉体进行离心分离，用水洗涤；(3)将洗涤过的经表面聚合的CeO2基粉体与聚乙烯吡咯烷酮_ 丁苯乳胶复合粘结剂、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)将制得的电解质复合素坯膜进行烧结，制成平整的薄层电解质材料。优选的排塑条件为450-600°C，升温速度为0. 5-rC /min。优选的高温烧结条件为1400-1500°C下烧结2-10小时。优选的电解质素坯膜流延成型条件是刀高60-130 μ m,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；以丙烯酰胺为单体；以过硫酸铵为引发剂；以聚乙烯吡咯烷酮-丁苯乳胶复合粘结剂为复合粘结剂；以聚乙二醇 (PEG400)为增塑剂；电解质浆料中各组分的质量百分比具体组成为=CeO2基粉体100g，聚丙烯酰胺表面聚合物0.4-1. 5g，聚乙烯吡咯烷酮(质量比10-50%)-丁苯乳胶(质量比90-50%)组成的复合粘结剂连接剂5-7g、增塑剂聚乙二醇(PEG400)0. 3-1. 4g、水17_30g ；本专利技术在CeO2基粉体颗粒表面聚合的表面聚合物主要以链轨的分散方式吸附在 CeO2基粉体颗粒表面，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、分散均勻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)使用商品化的分散剂制备的&02基粉体浆料的固含量不如采用原位聚合的分散方式制备的CeO2基粉体浆料的高，其均勻性和稳定性也不如原位聚合的分散方式好。(3)采用原位聚合的分散方式制备的CeO2基粉体水系浆料，用流延法制备的大面积电解质素坯膜片，该坯片具有柔韧性好、表面无缺陷、强度高、叠层性能好等特性。具体实施方案为了更清本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．在ＣｅＯ２基粉体颗粒表面采用球磨激活引发剂的原位聚合方式制备高固相含量的ＣｅＯ２基粉体浆料，其特征在于通过球磨子碰撞激活引发剂的作用下，使分别吸附在微米级、亚微米级及纳米级的ＣｅＯ２基粉体颗粒表面的单体分子沿着颗粒表面进行聚合。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：吴也凡，张家嵩，
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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