CN102093075A

CN102093075A - 一种孔梯度泡沫陶瓷的制备方法

Info

Publication number: CN102093075A
Application number: CN 201010618924
Authority: CN
Inventors: 王淑梅; 周竹发; 郭新爽; 赵松
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2010-12-31
Filing date: 2010-12-31
Publication date: 2011-06-15

Abstract

本发明涉及一种孔梯度泡沫陶瓷的制备方法。按设计要求将聚合物或有机物球体排列成梯度分布的模板，经加热、加压使球体互相粘连成一整体，再装入成型模具后注入凝胶注模浆料，干燥后脱模，成为球与固化浆料于一体的成型坯体，将脱模后的坯体浸入溶剂中或加温，去除球体，成为只有固化浆料的网络状体，经排胶和高温烧结后得到孔梯度泡沫陶瓷。按本发明技术方案所制备的泡沫陶瓷孔径呈梯度分布，孔梯度的大小可设计和控制；成型坯体强度高，可加工切割成所需形状，制品的大小、形状可控；解决了通常泡沫陶瓷制备中产品形状大小和孔的尺寸受有机载体制约的难题，克服了浸渍法成型吸浆少、盲孔多和制品强度低的弱点。

Description

一种孔梯度泡沫陶瓷的制备方法

技术领域

本发明涉及一种采用不同粒径的聚合物球作为成型体模板结合凝胶注模成型工艺制备孔梯度泡沫陶瓷材料的方法，属陶瓷材料制备加工技术领域。

背景技术

泡沫陶瓷（Ceramic foams，也称网眼陶瓷Reticulated ceramics）是一种造型上像泡沫状的基本等大孔径的多孔陶瓷，它是继普通多孔陶瓷、蜂窝多孔陶瓷之后发展起来的第三代多孔陶瓷产品。泡沫陶瓷开口气孔率高达70%～90%，具有连续网络状陶瓷骨架和三维连续贯通孔的一种多孔结构陶瓷。而梯度泡沫陶瓷（Graded ceramic foams）是指泡沫陶瓷体的孔径随厚度作有规律的缩小或增大的陶瓷，它是一种新型的泡沫陶瓷材料。对于许多特殊应用场合是人们更期望得到的一种陶瓷过滤材料。由于其孔径呈梯度连续变化，与一般泡沫陶瓷材料相比更具应用前景，其过滤阻力更低、分离效率更高。可作为生物相容性植入材料、热障材料和防热震结构材料，用于液态金属过滤将有更好的效率与过滤效果，三维孔梯度泡沫陶瓷材料将因在光电子、新型催化剂、高效吸收剂和分离介质、生物医用等领域的潜在用途而倍受关注。

梯度泡沫陶瓷与孔径均一泡沫陶瓷比较其制备过程和性能有着很大的差异，而与目前一般意义上所讲的孔梯度陶瓷材料也有着本质的区别，后者指得是类似于陶瓷过滤膜状的材料，采用浆料成型方法，靠不同颗粒度组成的浆料逐层叠加而成，且这类孔梯度陶瓷材料孔径小，孔梯度差异小，气孔率在30～50%，不能满足泡沫陶瓷所需的性能要求。文献“孔梯度泡沫陶瓷的制备”（[J]武汉化工学院学报,2002,24(4):31-33）公开了一种采用不同粒度的Al₂O₃和高温粘结剂混合物浆料利用注凝成型技术制备微孔梯度陶瓷材料的方法。文献“注凝成型微孔梯度陶瓷材料制备新工艺的研究(Ⅲ)”（[J]硅酸盐通报,2001,(5):11-15）中，采用的技术方案是将经过预处理的具有不同孔径的前驱体分别浸渍后按前驱体的孔隙从大到小的顺序叠放在一起经干燥、烧成而成为具有一定孔梯度的泡沫陶瓷。由于不同粒度层的干燥和烧成收缩不同，在制品的制备过程中常易出现层与层分离现象。于景媛等研究者将发泡聚苯乙烯小球排列成有序的模板，通过离心成型技术制备孔壁致密、孔径均匀的Al₂O₃–ZrO₂泡沫陶瓷（[J]硅酸盐学报，2007,35(8):1086-1091）。然而，目前对于能够满足经济合理，便于制作的严格意义上的孔梯度泡沫陶瓷材料的制备工艺方法，至今未见报道。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种孔梯度的大小可设计和控制，且成型坯体强度高的孔梯度泡沫陶瓷的制备方法。

本发明的技术方案是提供一种孔梯度泡沫陶瓷的制备方法，其步骤如下：

（1）按孔梯度设计要求选取不同直径的球体，将球体进行表面修饰和改性处理；所述的球体为聚合物球体或加温后可挥发的有机物球体；

（2）在模腔内将球体排列成按梯度分布的模板，对模腔进行加热、加压，使球体接触部位互相粘连成一整体；

（3）装入成型模具后注入凝胶注模浆料，干燥后脱模，得到球体与固化浆料于一体的成型坯体；

（4）去除坯体中的球体，得到陶瓷组分的网络状体固化浆料，再经高温烧结后得到孔梯度泡沫陶瓷；

本发明所述的聚合物球体为聚苯乙烯或聚丙烯球体。所述的有机物球体由活性炭、淀粉或石蜡加工而成。

所述的对球体进行表面修饰和改性处理方法为将球体置于羧甲基纤维素、无机溶胶或丙烯酸溶液中处理。

所述的去除坯体中的球体为：将坯体浸入到溶剂中溶解去除聚合物球体，或对坯体加温后挥发去除有机物球体。

所述的凝胶注模浆料的组分包括陶瓷粉体、分散剂、引发剂、催化剂和有机单体溶剂，其固相体积分数为45～55%；陶瓷粉体为Al₂O₃、ZrO₂、Si₃N₄或它们的复合粉体。

针对孔梯度泡沫陶瓷所要求的孔大小及梯度，本发明选取不同粒径的聚合物球，然后用羧甲基纤维素（CMC）、无机溶胶、丙烯酸接枝等手段等对其表面进行修饰和改性，以提高其与浆料的润湿性能。再将聚合物球进行排列设计形成模板。注模的浆料采用凝胶注模工艺所用方法，将一定体积分数的陶瓷粉体加入配制好的有机单体溶液中，加入分散剂研磨一段时间后，加入适量引发剂APS 和催化剂TEMED混合为悬浮性能好的浆料，浇注入模，脱模干燥后的坯体浸入特制的溶剂，溶去聚合物球，成为只有陶瓷组分的网络状体，排胶后烧结得到孔梯度陶瓷制品。

与现有技术相比，本发明所述的聚合物球模板法制备孔梯度泡沫陶瓷的优点是：由于目前尚无梯度孔形的聚合物前驱体，而聚合物球制作十分便利，现有可供选择的种类也较多，如聚苯乙烯（EPS）、聚丙烯（PP）颗粒，还可利用易挥发的物质如活性炭、淀粉、石蜡预制成不等径球作为模板，使孔梯度的设计和实现成为可能；凝胶注模成型技术无须聚合物经络吸附浆料，实现原位一体成型，网络结构均一。按本发明技术方案，孔梯度可以设计和控制，且成型坯体强度高、可加工切割成所需形状，克服了浸渍法依靠聚合物经络吸浆差的致命弱点，制品强度高。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种孔梯度泡沫陶瓷的制备工艺流程图；

图2是本发明实施例提供的一种孔梯度泡沫陶瓷样品的侧面孔梯度分布图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

实施例一：参见附图1，本实施例提供一种孔梯度泡沫陶瓷的制备方法，其步骤如下：

步骤一：选取粒度约分别为2.0、2.5、3.0、3.5和4.0mm的聚苯乙烯球体（EPS），分别在丙烯酸溶液中搅拌后用筛网取出烘干，在金属模腔内按球径2.0、2.5、3.0、3.5、4.0mm从下至上每种排列，施以一定压力，加热至约120℃，EPS球体接触部位将互相粘连成一整体。

步骤二：配制凝胶注模浆料，有机单体：丙烯酰胺 (AM)，配制成质量浓度为12%溶液，交联剂：N,N’-亚甲基双丙烯酰胺（MBAM），质量含量为AM 的1/18，引发剂：过硫酸铵（APS），质量含量为AM 的0.5%，分散剂：聚丙烯酸胺（PAA-NH₄），质量含量为陶瓷粉体质量的0.3%。将粒径为1.2um、固相体积分数为50%的Al₂O₃陶瓷粉体（助熔剂5%）加入上述溶液中球磨8小时，取出后加入催化剂：四甲基乙二胺（TEMED），质量含量为AM 的0.15%；搅拌均匀。

步骤三：将步骤二制备的浆料注入步骤一的金属模内，干燥后脱模，得到球与固化浆料于一体的预成型坯体。

步骤四：将步骤三制备的预成型坯体浸入二氯甲烷溶剂，溶去聚合物球，成为只有固化浆料的网络状陶瓷坯体。经1500℃烧结后得到孔梯度泡沫陶瓷。

将孔梯度泡沫陶瓷体按测试要求切割，进行孔隙率、抗压强度测试。经测试，该样品的抗压强度达到3.89Mpa。参见附图2，它是本实施例提供的孔梯度泡沫陶瓷样品的侧面孔梯度分布图，由图可以观察到，其孔呈梯度分布，孔隙率约为75%。

Claims

1.一种孔梯度泡沫陶瓷的制备方法，其特征在于步骤如下：

按孔梯度设计要求选取不同直径的球体，将球体进行表面修饰和改性处理；所述的球体为聚合物球体或加温后可挥发的有机物球体；

在模腔内将球体排列成按梯度分布的模板，对模腔进行加热、加压，使球体接触部位互相粘连成一整体；

装入成型模具后注入凝胶注模浆料，干燥后脱模，得到球体与固化浆料于一体的成型坯体；

去除坯体中的球体，得到陶瓷组分的网络状体固化浆料，再经高温烧结后得到孔梯度泡沫陶瓷。

2.根据权利要求1所述的一种孔梯度泡沫陶瓷的制备方法，其特征在于：所述的聚合物球体为聚苯乙烯或聚丙烯球体。

3.根据权利要求1所述的一种孔梯度泡沫陶瓷的制备方法，其特征在于：所述的有机物球体由活性炭、淀粉或石蜡加工而成。

4.根据权利要求1所述的一种孔梯度泡沫陶瓷的制备方法，其特征在于：所述的对球体进行表面修饰和改性处理方法为将球体置于羧甲基纤维素、无机溶胶或丙烯酸溶液中处理。

5.根据权利要求1所述的一种孔梯度泡沫陶瓷的制备方法，其特征在于所述的去除坯体中的球体为：将坯体浸入到溶剂中溶解去除聚合物球体。

6.根据权利要求1所述的一种孔梯度泡沫陶瓷的制备方法，其特征在于所述的去除坯体中的球体为：对坯体加温后挥发去除有机物球体。

7.根据权利要求1所述的一种孔梯度泡沫陶瓷的制备方法，其特征在于：所述的凝胶注模浆料的组分包括陶瓷粉体、分散剂、引发剂、催化剂和有机单体溶剂，其固相体积分数为45～55%；陶瓷粉体为Al₂O₃、ZrO₂、Si₃N₄或它们的复合粉体。