公开了一种多孔陶瓷基体，其包含多个彼此粘附的陶瓷颗粒、和多个由相邻陶瓷颗粒的表面限定的通道，所述通道各自具有0.5-2.5μm的平均直径。优选地，陶瓷还具有25.0-40.0％的孔隙率、1.57-34.8×10-14m2的达西渗透率和25-64MPa的机械强度。还公开了制备这种多孔陶瓷基体的方法，包括：提供包含催化剂、粘合剂、和涂布有单体的陶瓷颗粒的丸粒；通过加热使单体以固态聚合，然后碳化和烧结所述丸粒。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】多孔陶瓷基体
技术介绍
多孔陶瓷基体由于其在严苛环境如高温、氧化还原气氛和腐蚀性液体中的热稳定性和化学稳定性以及其机械可靠性和耐用性而在多种工业应用(例如，催化载体和水处理)中大受欢迎。已经开发了很多技术来制备多孔陶瓷基体。参见Chevalier, J. Pharm. Sc1.,97 (3) ,1135-1154，2008。其中，鉴于聚合物造孔填料的低成本和易于通过热分解去除，在陶瓷处理中使用聚合物造孔填料依然是很受欢迎的选择。但是，聚合物填料的自成卷和团聚趋势可能导致由该方法制备的多孔陶瓷基体的渗透率低，这是因为聚合物填料可能无法形成连续相。这样的问题可通过增加聚合物填料的装载来解决，但是这以陶瓷基体的机械性能为代价。需要制备具有期望渗透率和机械性能的多孔陶瓷基体。
技术实现思路
本专利技术的一个方面涉及一种多孔陶瓷基体。本专利技术的陶瓷基体包含多个彼此粘附的陶瓷颗粒、和多个由相邻陶瓷颗粒的表面限定的通道，所述通道各自的直径为0.5-2.5μπι。基体的特征为25. 0-40.0%的孔隙率、1. 57-34. 8Xl(T14m2(例如，20-34. 8x l(T14m2)的达西渗透率和 25_64MPa(例如，40-60MPa)的机械强度。任选地，通道包括狭窄段，每一个所述狭窄段的直径都小于lOOnm。陶瓷颗粒可以由以下制成氧化钇、氧化锆、氧化铝、铝硅酸盐、二氧化硅、二氧化铈、钆掺杂的二氧化铈、氧化镁、镍掺杂的氧化镁、氧化锌、氮化硼、碳化硅、氮化硅、氧化钇稳定的氧化锆、氧化镧、碱土金属掺杂的氧化镧，或它们的组合。本专利技术的另一个方面涉及一种制备多孔陶瓷基体的方法。所述方法包括以下步骤(I)提供包含催化剂、粘合剂和涂布有单体的陶瓷颗粒的陶瓷丸粒；(2)通过加热使单体以固态聚合以形成嵌入陶瓷丸粒中的聚合物；(3)在一定温度(例如，300-1000°C )下使聚合物、催化剂和粘合剂碳化以形成多孔陶瓷丸粒；(4)在一定温度(例如，1000-1700°C)下烧结多孔陶瓷丸粒以形成多孔陶瓷基体。单体按重量计为陶瓷颗粒的1_10%、催化剂按重量计为1_5%、粘合剂按重量计为1-20%。单体的实例包括但不限于丙烯酰胺、对苯二甲酸、对苯二胺、对羟基苯甲酸、4，41 _氧双邻苯二甲酸酐、4,4’ -二氨基二苯醚、3, 3’ - 二氨基联苯胺、4,6-二氨基-1,3-苯-二酌■二盐酸盐、2, 5- 二氨基-1,4-苯二硫醇二盐酸盐、3, 3’- 二氨基联苯胺，或它们的组合。聚合步骤中使用的催化剂可以是任何适于固态热聚合的催化剂。其包括但不限于(1)用于自由基聚合的引发剂(例如，过硫酸铵、过氧化苯甲酰及其组合)，和⑵用于逐步聚合的基于路易斯酸的催化剂(例如，氯化锂、氯化铍、氢氟酸、三氟化硼、氯化铝及其组合)。粘合剂的实例包括但不限于聚乙烯缩丁醛、聚乙烯醇、聚环氧乙烷、丙烯酸类聚合物、纤维素衍生物(例如纤维素醚、甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素和羟乙基纤维素),或它们的组合。具有刚性链结构的聚合物在本专利技术中是优选的。聚合物的实例包括但不限于聚丙烯酰胺、聚对苯二甲酰对苯二胺、聚对羟基苯甲酸酯、聚酯、聚酰亚胺、聚苯并咪唑、聚苯并11恶唑、聚苯并噻唑、芳香族梯形聚合物，或它们的组合。优选聚合物的平均聚合度为5至100。通过上述方法制备的多孔陶瓷基体也在本专利技术的范围内。以下描述中给出了本专利技术的一个或更多个 实施例的细节。从实施例的详细描述以及从所附权利要求中，本专利技术的其他特征、目的和优点将很明显。专利技术详述本专利技术部分基于以下出人意料的发现新制备方法产生了具有极好的渗透性和可靠的机械性能的多孔陶瓷基体。多孔陶瓷基体包括(I)多个彼此粘附的陶瓷颗粒，和(2)多个广泛互连的通道。通道由相邻陶瓷颗粒的表面限定。在一个实施方案中，全部或显著数目的通道包括一个或更多个狭窄段(即，喉状孔)，其每一个的直径均小于lOOnm。这种独特的通道结构导致当被压力驱使的稀聚合物溶液通过陶瓷基体时，陶瓷基体引起剪切稀化效应的不寻常的能力。上述喉状孔有助于拉伸溶剂化的聚合物分子，使得流料的粘性降低。以下是制备本专利技术的多孔陶瓷基体的示例性工序，其中陶瓷颗粒由氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)制成。将单体(例如，对苯二甲酸和对苯二胺)溶解在溶剂(例如，乙醇)中以形成溶液，之后将YSZ颗粒引入到溶液中并且搅拌以形成悬浮体。然后将溶剂蒸发，产生均匀单体涂布的YSZ颗粒。如果单体不能溶解但是具有低熔点，那么就可以将其与YSZ颗粒一起加热，在熔化后涂布YSZ颗粒。接下来，将粘合剂(例如，聚乙烯丁缩醛)溶解在另一溶剂(例如，2-丁酮和甲苯)中以形成粘合剂溶液。粘合剂溶液中还可以包含非离子型表面活性剂(例如，Span-80)、抗絮凝剂(例如，鱼油)和/或增塑剂(例如，邻苯二甲酸二丁酯)。然后，向该粘合剂溶液中加入催化剂(例如，在乙醇中的氯化锂)，之后加入单体涂布的YSZ颗粒。将所得浆体通过搅拌均化，之后使溶剂蒸发以产生经干燥的固体，将其研磨且筛分细粉。然后将细粉放置到模架(die set)中并且加压以获得陶瓷丸粒，其中单体通常按重量计为陶瓷颗粒的1-10%、催化剂按重量计为1_5%、粘合剂按重量计为1-20%。陶瓷丸粒还可以通过X. Chen 等，J. Am. Ceram. Soc. , 93 [I] 96-103, 2010 中所述的不同添加顺序来形成。随后，在惰性气氛(例如，氩气)中将陶瓷丸粒加热以使单体以固态聚合。加热温度因单体而不同。如以下实施例中所示，延长聚合作用持续时间(例如，12或24小时)可在通道中产生直径小于O. 01 μ m的狭窄段。将由此获得的聚合物与有机添加物(例如，粘合剂和催化剂)在炉中通过缓慢升温(例如，300-100(TC )而烧尽，在陶瓷颗粒之间留下通道，所述通道由连接孔形成。为了确保完全除去碳，可以保温一段时间(例如，400°C下4小时)。在烧尽过程中，可以向炉中供应空气以提高燃烧速率。最后，将温度升高至烧结温度(例如，1000-1700°C )以形成多孔陶瓷基体。在本专利技术的方法中，在紧凑环境(即陶瓷丸粒)中原位制成造孔聚合物。该造孔方法具有三个优点第一，小尺寸单体可以比其大分子量对应物在陶瓷丸粒中得到更高的均匀度。第二，在该受限的聚合环境中产生较短的分子链，由此使得随机缠结和聚集的影响尽可能小，所述随机缠结和聚集为较长聚合物链的热力学趋势。第三，在原位固态热聚合过程中形成的聚合物链可通过链的渗透和结合发生空间占据，在其最终被除去后留下互连的孔通道和更多的开孔。与通过常规方法制备的多孔陶瓷基体相比，如此获得的多孔陶瓷基体具有极好地渗透性和破裂抗性。本专利技术的多孔陶瓷基体可用于水处理、催化载体、气敏元件、固体氧化物电池和生物医疗装置中。 无须赘述，据信本领域技术人员可以基于本文的公开内容最大程度地利用本专利技术。因此，应当将以下具体实施例解释为仅仅是说明性的，而不是以任何方式限制本公开的其余内容。本文所引用的全部出版物通过引用并入本文。具有单体的多孔YSZ基体的制备(i)用单体涂布YSZ颗粒将对苯二甲酸(TA,98%,Sigma-AIdrich)和对苯二胺(p-PDA, Sigma-Aldrich)的等摩尔混合物引入30mL乙醇中。将所得固-液混合物机械搅拌30分钟。本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.06.30 US 61/398,8031.一种多孔陶瓷基体，所述基体包括多个彼此粘附的陶瓷颗粒、和多个由相邻陶瓷颗粒的表面限定的通道，所述通道各自具有O. 5-2. 5 μ m的平均直径，其中所述基体的特征在于25. 0-40. O %的孔隙率、1. 57-34. 8 X l(r14m2的达西渗透率和25_64MPa的机械强度。2.根据权利要求1所述的多孔陶瓷基体，其中所述通道包括狭窄段，每一个所述狭窄段的直径小于lOOnm。3.根据权利要求1所述的多孔陶瓷基体，其中所述陶瓷颗粒由以下制成氧化钇、氧化锆、氧化铝、铝硅酸盐、二氧化硅、二氧化铈、钆掺杂的二氧化铈、氧化镁、镍掺杂的氧化镁、氧化锌、氮化硼、碳化硅、氮化硅、氧化钇稳定的氧化锆、氧化镧、碱土金属掺杂的氧化镧，或它们的组合。4.根据权利要求3所述的多孔陶瓷基体，其中所述陶瓷颗粒由氧化钇稳定的氧化锆制成。5.根据权利要求4所述的多孔陶瓷基体，其中所述通道包括狭窄段，每一个所述狭窄段的直径小于lOOnm。6.根据权利要求1所述的多孔陶瓷基体，其中所述达西渗透率为20-34.8X 10_14m2，所述机械强度为40-60MPa。7.根据权利要求6所述的多孔陶瓷基体，其中所述通道包括狭窄段，每一个所述狭窄段的直径小于lOOnm。8.根据权利要求6所述的多孔陶瓷基体，其中所述陶瓷颗粒由以下制成氧化钇、氧化锆、氧化铝、二氧化硅、二氧化铈、钆掺杂的二氧化铈、氧化镁、镍掺杂的氧化镁、氮化硼、碳化硅、氮化硅、氧化钇稳定的氧化锆、氧化镧、碱土金属掺杂的氧化镧，或它们的组合。9.根据权利要求8所述的多孔陶瓷基体，其中所述陶瓷颗粒由氧化钇稳定的氧化锆制成。10.根据权利要求9所述的多孔陶瓷基体，其中至少一个所述通道具有一个或更多个各自的直径小于IOOnm的狭窄段。11.一种用于制备多孔陶瓷基体的方法，所述方法包括 提供包含催化剂、粘合剂和涂布有单体的陶瓷颗粒的陶瓷丸粒； 通过加热使所述单体以固态聚合从而形成嵌入所述陶瓷丸粒中的聚合物； 使所述聚合物、催化剂和粘...
【专利技术属性】
技术研发人员：洪亮，陈鑫炜，
申请(专利权)人：新加坡国立大学，
类型：
国别省市：
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