CN101182233A - 梯度多孔陶瓷膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种梯度多孔陶瓷膜，孔径尺寸为0.1－100μm，孔隙率为20－90％，孔隙定向排列，孔具有定向开口连通性且孔径在厚度方向上梯度变化，制备方法是按陶瓷粉体∶去离子水∶聚丙烯酸铵∶聚乙烯醇∶聚乙二醇＝0.1～0.8∶0.2～0.8∶0.001～0.1∶0.05～0.5∶0.05～0.8(重量比)进行球磨混合，得到的浆料经真空除泡后在金属衬底上进行流延成型，通过刮刀控制膜厚度。流延膜经低温冷冻，真空干燥以及脱粘烧结后，得到孔隙率高且可控的梯度多孔陶瓷膜，有望在催化剂载体、分级吸附催化膜、过滤器件等领域具有好的应用前景。

Description

梯度多孔陶瓷膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种梯度多孔陶瓷膜及其制备方法，更确切的说是利用流延法结合冷冻干燥工艺制备出具有开口定向孔结构和高孔隙率以及孔径在膜厚度方向梯度变化的多孔陶瓷膜的制备方法，属于多孔陶瓷领域。
背景技术
多孔陶瓷材料由于耐化学腐蚀、耐磨、耐高温，以及轻质、高渗透率、具有大的比表面积等优点，在常温及高温过滤器件、催化剂载体以及无机反应分离器件等领域具有广阔的应用前景。关于多孔陶瓷的制备方法有很多报道，例如，方旭东等人(中国专利，专利号200410041065)采用α-Al2O3为主要原料，以氧化钙和稀土氧化物为添加剂，通过高温下的烧结反应形成结构性开口微孔、微孔大小均匀且机械强度高的氧化铝多孔陶瓷，在用作催化剂载体时能够担载更多的催化剂，且催化反应率高；CN200410067101采用泡沫浸渍法制备出了大孔径、网眼结构孔隙的碳化硅多孔陶瓷，通过采用MgO-Al2O3-SiO2体系作为烧结体系，在1200℃～1400℃的温度下实现对网眼多孔碳化硅陶瓷的烧结，制备了抗压强度在1.0MPa以上、且孔径在500μm～4mm范围内调控、耐火度在1580℃～1730℃的网眼碳化硅多孔陶瓷，可以用做气体过滤器以及高温催化剂载体等材料。
在作为过滤器、载体材料以及无机反应分离器件时，必须具有较大的比表面积和孔隙率，且要求孔隙定向排列。然而，用上述方法很难得到孔隙率大于80％、孔径为0.1～100μm且具有定向孔结构的多孔陶瓷。冷冻干燥工艺可以利用定向生长的冰晶升华后形成独特的孔隙，得到高孔隙率、气孔定向分布的多孔陶瓷。
发明内容
本发明目的在于通过结合传统的流延工艺以及冷冻干燥工艺，制备出了具有高孔隙率的、孔定向分布且孔径梯度变化的多孔陶瓷膜，优化了陶瓷结构，可以实现多孔陶瓷膜的分级吸附、催化过滤等特点。这是本发明的构思所在。
具体工艺过程：在球磨罐中球磨子，按陶瓷粉体∶去离子水∶聚丙稀酸铵∶聚乙烯醇∶聚乙二醇＝0.1～0.8∶0.2～0.8∶0.001～0.1∶0.05～0.5∶0.05～0.8(重量比)配料，首先是陶瓷粉体、去离子水和聚丙烯酸铵进行预球磨12～36h，然后再在浆料中加入聚乙烯醇和聚乙二醇，再球磨12～36h。球磨后的浆料经过真空除泡后，在金属衬底上进行流延，通过刮刀控制其厚度，刮刀高度为0.1～5mm。然后把样品在0℃下进行冷冻，保持1～48h，保证样品完全冻实，将冻结的样品快速转移到冷冻干燥机中，在0～80℃和1～100Pa的环境下冷冻干燥，使冷冻膜内的冰晶升华，从而得到多孔陶瓷坯体。
上述使用的陶瓷粉体可以是碳化硅、氧化铝、氮化硅、二氧化钛等。
冷冻干燥后的坯体置于马弗炉中，在空气气氛下以1～10℃/min的速率升温到600℃，保温0.5～5h，进行排塑，然后以1～10℃/min的升温速率到900～1400℃保温1～10h。然后随炉冷却，得到梯度多孔陶瓷膜。
使用本发明提供方法制备的梯度多孔陶瓷膜的典型微观结构如图1和2所示。从图中可以看到，孔径从左到右梯度增大，而图1和图2为两种不同固含量和组成的浆料所制的，可以看出孔形貌也发生了改变。本发明制备的多孔陶瓷具有较高的孔隙率和定向开口连通性，孔径尺寸为0.1-100μm，孔隙率为20-90％，孔隙定向排列，且孔径在厚度方向上梯度变化。
随着固含量的升高，孔隙率降低，连通性降低，孔形貌发生变化。
本发明提供的方法可以用来制备包括碳化硅、氧化铝、氮化硅、二氧化钛等多种梯度多孔陶瓷膜。用此方法制备的梯度多孔膜兼有高孔隙率和高连通性等特点，在催化剂载体、分级吸附催化膜、过滤器件等领域具有好的应用前景。
附图说明
图1浆料固含量为10wt％、1000℃保温1h烧结的多孔陶瓷膜断面SEM形貌。孔径从左到右逐渐增大，开口孔隙率为88.33％。
图2浆料固含量为50wt％、1000℃保温1h烧结的多孔陶瓷膜断面SEM形貌。孔径从左到右逐渐增大，开口孔隙率为74.22％。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明做进一步的说明，但本发明绝非仅限于实施例。工艺实施例如下表所示：
表1：实施例1～4的浆料配方及相应梯度多孔膜的开口孔隙率。
  实施例 二氧化钛粉体(g) 水(g)   聚丙烯酸铵(g)   聚乙烯醇(10wt％溶液)(g)    聚乙二醇(g) 开口孔隙率(％)
  1     5  27.75   0.05     15.0     2.25   88.33
  2     10  25.63   0.10     12.5     1.88   87.55
  3     15  23.50   0.15     10.0     1.50   85.96
  4     20  21.38   0.20     7.5     1.13   81.85
实施例1
在球磨罐中放入50g氧化锆球磨子，加入27.75g水、0.05g聚丙稀酸铵和5g二氧化钛粉进行预球磨，球磨24h后，再加入浓度为10wt％的聚乙烯醇水溶液15g，和聚乙二醇2.25g，进行二次球磨，球磨时间为24h，将球磨好的浆料进行真空抽气，然后在金属基板上进行流延，刮刀高度为0.5mm，将样品连同基板一起放入低温冰箱中进行冷冻，冷冻12h，然后快速转移至冷冻干燥机中进行真空干燥，在50℃和5Pa的环境下干燥24h，冰晶升华后得到多孔坯体。冷冻干燥后的坯体置于马弗炉中，在空气气氛下以2℃/min的速率升温到600℃，保温1h，进行排塑，然后以5℃/min的升温速率到1000保温1h。然后随炉冷却，得到开口孔隙率为88.33％的梯度多孔二氧化钛膜。
实施例2-4的浆料组成按表1中配方进行，后期浆料的流延冷冻过程以及坯体排塑、烧结过程均同实施例1。由此可以得到具有不同开口孔隙率的梯度多孔二氧化钛膜。

Claims (9)

1.梯度多孔陶瓷膜，其特征在于孔径尺寸为0.1-100μm，孔隙率为20-90％，孔隙定向排列，孔具有定向开口连通性且孔径在厚度方向上梯度变化。
2.按权利要求1所述的梯度多孔陶瓷膜，其特征在于陶瓷膜的组分为碳化硅、氧化铝、氮化硅、二氧化钛。
3.按权利要求1或2所述的梯度多孔陶瓷膜的制备方法，包括下述步骤：
(1)按重量比陶瓷粉体∶去离子水∶聚丙稀酸铵∶聚乙烯醇∶聚乙二醇＝0.1～0.8∶0.2～0.8∶0.001～0.1∶0.05～0.5∶0.05～0.8配料，首先是陶瓷粉体、去离子水和聚丙烯酸铵进行预球磨12～36h，然后再在浆料中加入聚乙烯醇和聚乙二醇，再球磨12～36h；
(2)球磨后的浆料经过真空除泡后，在金属衬底上进行流延；
(3)然后把样品在0℃下进行冷冻保证样品完全冻结，将冻结的样品快速转移到冷冻干燥机中冷冻干燥，使冷冻膜内的冰晶升华，从而得到多孔陶瓷坯体；
(4)冷冻干燥后的坯体置于马弗炉中，升温排塑，然后在900～1400℃保温1～10h。然后随炉冷却，得到梯度多孔陶瓷膜。
4.按权利要求3所述的梯度多孔陶瓷膜的制备方法，其特征在于流延过程中，刮刀高度为0.1～5mm。
5.按权利要求3或4所述的梯度多孔陶瓷膜的制备方法，其特征在于采用的陶瓷粉体是碳化硅、氧化铝、氮化硅、二氧化钛粉体。
6.按权利要求3或4所述的梯度多孔陶瓷膜的制备方法，其特征在于冷冻的条件为在0℃下进行冷冻，保持1～48h，保证样品完全冻实。
7.按权利要求3或4所述的梯度多孔陶瓷膜的制备方法，其特征在于冷冻干燥的条件为0～80℃和真空度1～100Pa。
8.按权利要求3或4所述的梯度多孔陶瓷膜的制备方法，其特征在于升温排塑的条件为1～10℃/min的速率升温到600℃，保温0.5～5h，进行排塑。
9.按权利要求3或4所述的梯度多孔陶瓷膜的制备方法，其特征在于保温条件以1～10℃/min的升温速率到900～1400℃保温1～10h。
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