CN102643111B - 一种多孔陶瓷的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多孔陶瓷的制备方法，其具体工艺为按质量份计取颗粒骨料为基准，加入面粉、发酵剂，或同时再加入粘结剂进行配料，搅拌获得均匀的混合料；按混合料总质量的10%~30%往混合料中加入水，混合后获得所需形状的坯体；将坯体放入封闭的空间内进行发酵；在常压、空气或保护气氛下对坯体进行蒸制或者烘烤，使二氧化碳气体逸出；在常压、空气或氮气或惰性气体保护气氛下对蒸制或烘烤后坯体进行烧结，使有机物挥发，得到本发明的多孔陶瓷。所需原材料来源广泛、绿色环保；多孔陶瓷的制备工艺简单、效率高、成本低，可以获得高气孔率、高质量、低密度的多孔陶瓷，可以推广大规模应用。

Description

一种多孔陶瓷的制备方法

技术领域

本发明属于多孔陶瓷领域，涉及一种多孔陶瓷的制备方法。

背景技术

多孔陶瓷一般是由骨料、粘结剂和成孔剂等组分经过高温烧成，体内具有大量彼此相通并与材料表面也相贯通的孔道结构的一种新型陶瓷材料。由于多孔陶瓷具有气孔率高、化学稳定性良好、体积密度小、比表面积大、导热性低以及耐高温、耐腐蚀、强度和刚度高等特点[鞠银燕，宋士华，陈晓峰. 多孔陶瓷的制备、应用及其研究进展. 硅酸盐通报，2007，26（5）：969-974]，在冶金、化工、环保、能源、生物等领域得到了广泛应用，如流体过滤、净化分离、催化剂载体、吸声减震、保温材料、生物医用植入材料、墙体材料和传感器材料等方面[王慧，曾令可，张海文，等. 多孔陶瓷—绿色功能材料. 中国陶瓷，2002，38（3）：6-8]。特别是，随着科学技术和工业生产的飞速发展，能源、资源、三废治理等问题更加受到重视，对多孔陶瓷的需求和质量提出了更高要求。

多孔陶瓷首要特征是其多孔特性，制备的关键和难点是形成多孔结构。根据使用目的和对材料性能的要求不同，近年来开发出了一些制备方法，包括添加造孔剂法、挤出成型法、颗粒堆积成型法、发泡法、有机泡沫浸渍法、溶胶-凝胶法等[朱时珍，赵振波，刘庆国. 多孔陶瓷材料的制备技术. 材料科学与工程，1996，14（3）：33-39]。

添加造孔剂法通过在陶瓷配料中添加造孔剂，利用造孔剂在坯体中占据一定的空间，然后经过烧结，造孔剂离开基体而形成气孔，从而制得多孔陶瓷。该方法的优点是可制取各种气孔结构的陶瓷制品，气孔尺寸10μm~1mm，气孔率可高达50%左右；缺点是气孔分布均匀性差，气孔率偏低。

挤出成型法是将制备好的泥条通过一种预先设计好的具有蜂窝网格结构的模具挤出成型，经过烧结制得多孔陶瓷。该方法的优点是可以根据需要对孔形状和孔大小进行精确设计；缺点是不能成形复杂孔道结构和孔尺寸较小的材料，同时对挤出物料的塑性有较高要求。

颗粒堆积成型法是在粗颗粒中加入相同组分的细颗粒，利用细颗粒易于烧结的特点，在高温状况下粗颗粒依靠细颗粒熔化粘合，颗粒结合部形成多孔结构。该方法的优点是可通过调整颗粒级配对孔结构进行控制，制品的空隙率一般为20%~30%左右；缺点是气孔率偏低、气孔的均匀性较差。

发泡法是在陶瓷组分中添加有机或无机化学物质，在处理期间形成挥发性气体，产生泡沫，经干燥和烧结制成网眼型和泡沫型两种多孔陶瓷。该方法的优点是特别适于制取闭气孔的陶瓷制品，气孔率大，强度高；缺点是对原料的要求高，工艺条件不易控制，孔与孔之间大多数是非连通的。

有机泡沫浸渍法是是凭借有机泡沫体所具有的开孔三维网状骨架的特殊结构，将制备好的料浆均匀地涂覆在有机泡沫网状基体上，干燥后烧掉有机泡沫体而获得一种网眼多孔陶瓷。该方法的优点是能制取高气孔率的陶瓷制品，试样强度好；缺点是制品的形状受限制，制品的成分和密度不易控制。

溶胶-凝胶法是以金属醇盐及其化合物为原料，在一定的介质和催化剂作用下，进行水解-缩聚反应，使溶液由溶胶变成凝胶，再经干燥、热处理而得到多孔制品。该方法的优点是适于制取微孔陶瓷，特别是微孔陶瓷薄膜，气孔分布均匀；缺点是原料受限制，生产率低，陶瓷制品形状受限制。

综上所述，目前多孔陶瓷生产中存在着过程复杂且工艺条件不易控制、效率低、成本高、原材料和制品形状受限制、过程污染较重以及造孔方法单一、气孔率较低、制品密度不易控制等问题。

众所周知，在做馒头或面包时，将面粉、发酵剂和水等混合后，在微生物发酵过程中将产生大量二氧化碳；在蒸制或烘烤的过程中，随着温度升高至80~260 ℃并保温一段时间，酵母菌死亡，其呼吸产物二氧化碳会因受热而膨胀，在面团中留下大量气孔，从而使馒头或面包变得松软。另外，在800 ℃以上的高温下烧结时，馒头或面包的面团（有机物）将燃烧并挥发。

由此可见，如果将骨料、粘结剂、面粉、发酵剂和水等按适当比例进行均匀混合，然后进行发酵产生二氧化碳，接着在80~260 ℃保温一段时间，使得二氧化碳气体逸出，在坯体中将产生大量气孔；再在高温下进行烧结，使面团（有机物）燃烧挥发而留下气孔，将进一步增加气孔的数量。

因此，针对现有多孔陶瓷制备方法的不足，引入微生物发酵产生二氧化碳气体技术，并结合有机物高温燃烧挥发原理，有望开发出一种生产工艺简单、效率高、成本低、原材料来源广泛、绿色环保且能获得高质量、高气孔率、低密度及多品种的多孔陶瓷制备方法。

发明内容

本发明的目的在于将微生物发酵技术引入多孔陶瓷的制备中，将微生物发酵产生的二氧化碳气体受热逸出和面团（有机物）在高温下燃烧挥发相结合，实现二者综合作用造孔，提高气孔率及其质量，开发一种多孔陶瓷的制备方法，解决目前多孔陶瓷制备中存在的上述问题。

一种多孔陶瓷的制备方法，其具体工艺如下：

（1）按质量份计取100份颗粒骨料为基准，加入50~150份面粉、1~5份发酵剂，或同时再加入2~10份粘结剂进行配料，搅拌30~120分钟，获得均匀的混合料；

（2）按混合料总质量的10%~30%往混合料中加入温度为20~50 ℃的水，在20~240转/分钟的条件下混合1~20分钟，获得所需形状的坯体；

（3）将坯体放入封闭的空间内，在20~40 ℃的条件下，放置120~240分钟，进行发酵；

（4）在常压、空气或氮气或惰性气体保护气氛下对坯体进行蒸制，蒸制温度为80~120 ℃，蒸制时间为20~60分钟，使二氧化碳气体逸出；或者在常压、空气或氮气或惰性气体保护气氛下对坯体进行烘烤，烘烤温度为180~260 ℃，烘烤时间为10~40分钟，使二氧化碳气体逸出；

（5）在常压、空气或氮气或惰性气体保护气氛下对蒸制或烘烤后坯体进行烧结，烧结温度为800~1750 ℃，烧结时间为60~300分钟，使有机物挥发，得到本发明的多孔陶瓷。

本发明所述的颗粒骨料可以是金属颗粒、金属氧化物颗粒、非金属陶瓷颗粒或金属陶瓷颗粒等中的至少一种，包括但不限于铁颗粒、铜颗粒、钛颗粒、石墨颗粒、氧化铝颗粒、氧化锆颗粒、氧化硅颗粒、二氧化钛颗粒、氧化钇颗粒、碳化硅颗粒、氮化硅颗粒、碳化钛颗粒、氮化钛颗粒、碳氮化钛颗粒、碳化铬颗粒、合金钢颗粒、铜基颗粒、铁基颗粒、高岭土颗粒、滑石颗粒、堇青石颗粒、莫来石颗粒、羟基磷灰石颗粒。

本发明所述的粘结剂可以是有机粘结剂、无机粘结剂或金属粉末粘结剂等中的至少一种，包括但不限于聚乙烯醇、聚碳硅烷、聚乙烯蜡、聚乙二醇、浆糊。

本发明所述的面粉可以是普通级面粉或精制级面粉等中的至少一种。

本发明所述的发酵剂可以是酵母、小苏打或老面等中的至少一种。

本发明所述的水可以是自来水、去离子水、蒸馏水、热水或纯净水等中的至少一种。

进一步的，所述步骤（2）是在20~120转/分钟的条件下混合，获得所需形状的坯体。

本发明具有以下优点：

（1）所需成孔剂由面粉、发酵剂和水构成，原材料来源广泛、绿色环保；

（2）多孔陶瓷的制备工艺简单、效率高、成本低，可以推广大规模应用；

（3）由于混合后的面团本身具有很好的粘结性能，因此在多孔陶瓷的制备中甚至可以取消传统工艺所需添加的粘结剂，减少对环境的污染；

（4）将二氧化碳气体的受热逸出和面团（有机物）的高温挥发相结合，进行多孔陶瓷的制备，实现了气体逸出和固体挥发相结合的造孔方法，避免了传统单一造孔方法的不足，可以获得高气孔率的多孔陶瓷；

（5）多孔陶瓷的制备工艺参数易于控制，扩大了制品形状和品种的范围，包括易于制备梯度多孔陶瓷、层状多孔陶瓷和复合多孔陶瓷等特种多孔陶瓷；

（6）可以制得高质量、低密度的多孔陶瓷。

附图说明

图1是本发明实施例1所制备的氧化铝多孔陶瓷的微观结构图。

具体实施方式

实施例1：

按质量份计取100份氧化铝颗粒骨料为基准，加入2份聚乙烯醇有机粘结剂、150份普通级面粉、5份酵母进行配料，搅拌120分钟，获得均匀的混合料；按混合料总质量的30%往混合料中加入温度为25 ℃的自来水，在40转/分钟的条件下混合3分钟，获得所需形状的坯体；将坯体放入封闭的空间内，在20 ℃的条件下，放置240分钟，进行发酵；在常压、空气气氛下对坯体进行蒸制，蒸制温度为100 ℃，蒸制时间为50分钟，使二氧化碳气体逸出；在常压、空气气氛下对蒸制后坯体进行烧结，烧结温度为1500 ℃，烧结时间为200分钟，使有机物挥发，得到高气孔率、低密度、高质量的氧化铝多孔陶瓷。图1是本发明实施例1所制备的氧化铝多孔陶瓷的微观结构图，由图看出所制备的氧化铝多孔陶瓷具有高气孔率、低密度、高质量的特性。

实施例2：

按质量份计取100份碳化硅颗粒骨料为基准，加入10份聚碳硅烷无机粘结剂、50份普通级面粉、1份酵母进行配料，搅拌30分钟，获得均匀的混合料；按混合料总质量的10%往混合料中加入温度为40 ℃的热水，在20转/分钟的条件下混合20分钟，获得所需形状的坯体；将坯体放入封闭的空间内，在40 ℃的条件下，放置120分钟，进行发酵；在常压、空气气氛下对坯体进行烘烤，烘烤温度为260 ℃，烘烤时间为10分钟，使二氧化碳气体逸出；在常压、空气气氛下对烘烤后坯体进行烧结，烧结温度为1400 ℃，烧结时间为150分钟，使有机物挥发，得到高气孔率、低密度、高质量的碳化硅多孔陶瓷。

实施例3：

按质量份计取100份氮化硅颗粒骨料为基准，加入5份聚乙烯醇有机粘结剂、100份精制级面粉、3份酵母进行配料，搅拌90分钟，获得均匀的混合料；按混合料总质量的20%往混合料中加入温度为30 ℃的纯净水，在30转/分钟的条件下混合10分钟，获得所需形状的坯体；将坯体放入封闭的空间内，在30 ℃的条件下，放置180分钟，进行发酵；在常压、空气气氛下对坯体进行烘烤，烘烤温度为180 ℃，烘烤时间为40分钟，使二氧化碳气体逸出；在常压、流动氮气保护气氛下对烘烤后坯体进行烧结，烧结温度为1750 ℃，烧结时间为90分钟，使有机物挥发，得到高气孔率、低密度、高质量的氮化硅多孔陶瓷。

实施例4：

按质量份计取100份氧化锆颗粒和氧化钇颗粒的混合颗粒（其中50份氧化锆颗粒、50份氧化钇颗粒）骨料为基准，加入80份普通级面粉、2份酵母进行配料，搅拌50分钟，获得均匀的混合料；按混合料总质量的10%往混合料中加入温度为40 ℃的蒸馏水，在120转/分钟的条件下混合2分钟，获得所需形状的坯体；将坯体放入封闭的空间内，在30 ℃的条件下，放置180分钟，进行发酵；在常压、氮气气氛下对坯体进行烘烤，烘烤温度为180 ℃，烘烤时间为30分钟，使二氧化碳气体逸出；在常压、空气气氛下对烘烤后坯体进行烧结，烧结温度为1700 ℃，烧结时间为150分钟，使有机物挥发，得到高气孔率、低密度、高质量的氧化钇/氧化锆复合多孔陶瓷。

实施例5：

按质量份计取100份碳化钛颗粒骨料为基准，加入100份普通级面粉、4份酵母进行配料，搅拌100分钟，获得均匀的混合料；按混合料总质量的15%往混合料中加入温度为35 ℃的去离子水，在80转/分钟的条件下混合15分钟，获得所需形状的坯体；将坯体放入封闭的空间内，在35 ℃的条件下，放置200分钟，进行发酵；在常压、氩气保护气氛下对坯体进行烘烤，烘烤温度为180 ℃，烘烤时间为20分钟，使二氧化碳气体逸出；在常压、氩气保护气氛下对烘烤后坯体进行烧结，烧结温度为1650 ℃，烧结时间为180分钟，使有机物挥发，得到高气孔率、低密度、高质量的碳化钛多孔陶瓷。

实施例6：

按质量份计取100份氧化铝颗粒、滑石颗粒和高岭土颗粒的混合颗粒（其中15份氧化铝颗粒、40份滑石颗粒、45份高岭土颗粒）骨料为基准，加入120份普通级面粉、3份酵母进行配料，搅拌60分钟，获得均匀的混合料；按混合料总质量的20%往混合料中加入温度为30 ℃的热水，在100转/分钟的条件下混合2分钟，获得所需形状的坯体；将坯体放入封闭的空间内，在25 ℃的条件下，放置150分钟，进行发酵；在常压、空气气氛下对坯体进行烘烤，烘烤温度为200 ℃，烘烤时间为30分钟，使二氧化碳气体逸出；在常压、空气气氛下对烘烤后坯体进行烧结，烧结温度为1350 ℃，烧结时间为60分钟，使有机物挥发，得到高气孔率、低密度、高质量的堇青石多孔陶瓷。

Claims (10)

1.一种多孔陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）按质量份计取100份颗粒骨料为基准，加入50~150份面粉、1~5份发酵剂进行配料，搅拌30~120分钟，获得均匀的混合料；

（2）按混合料总质量的10%~30%向混合料中加入温度为20~50 ℃的水，在20~240转/分钟的条件下混合1~20分钟，获得所需形状的坯体；

（3）将坯体放入封闭的空间内，在20~40 ℃的条件下，放置120~240分钟，进行发酵；

（4）在常压、空气或惰性气体保护气氛下对坯体进行蒸制，蒸制温度为80~120 ℃，蒸制时间为20~60分钟，使二氧化碳气体逸出；或者在常压、空气或惰性气体保护气氛下对坯体进行烘烤，烘烤温度为180~260 ℃，烘烤时间为10~40分钟，使二氧化碳气体逸出；

（5）在常压、空气或惰性气体保护气氛下对蒸制或烘烤后坯体进行烧结，烧结温度为800~1750 ℃，烧结时间为60~300分钟，使有机物挥发，得到所述的多孔陶瓷。

2.根据权利要求1所述的多孔陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）可同时再加入2~10份的粘结剂进行配料。

3.根据权利要求1所述的多孔陶瓷的制备方法，其特征在于，所述的颗粒骨料是金属颗粒、金属氧化物颗粒、非金属陶瓷颗粒或金属陶瓷颗粒中的一种或几种混合。

4.根据权利要求2所述的多孔陶瓷的制备方法，其特征在于，所述的粘结剂是有机粘结剂、无机粘结剂中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的多孔陶瓷的制备方法，其特征在于，所述的面粉是普通级面粉或精制级面粉中的一种或其混合；所述的发酵剂是酵母、小苏打或老面中的一种或几种；所述的水是自来水、去离子水、蒸馏水、热水或纯净水中的至少一种。

6.根据权利要求1或3所述的多孔陶瓷的制备方法，其特征在于，所述的颗粒骨料是铁颗粒、铜颗粒、钛颗粒、石墨颗粒、氧化铝颗粒、氧化锆颗粒、氧化硅颗粒、二氧化钛颗粒、氧化钇颗粒、碳化硅颗粒、氮化硅颗粒、碳化钛颗粒、氮化钛颗粒、碳氮化钛颗粒、碳化铬颗粒、合金钢颗粒、铜基颗粒、铁基颗粒、高岭土颗粒、滑石颗粒、堇青石颗粒、莫来石颗粒、羟基磷灰石颗粒中的至少一种。

7.根据权利要求4所述的多孔陶瓷的制备方法，其特征在于，所述的粘结剂是聚乙烯醇、聚碳硅烷、聚乙烯蜡、聚乙二醇或浆糊中的至少一种。

8.根据权利要求1所述的多孔陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）是在20~120转/分钟的条件下混合，获得所需形状的坯体。

9.根据权利要求1所述的多孔陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）和（5）中的惰性气体为氩气。

10.根据权利要求1所述的多孔陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）和（5）中的惰性气体为氮气。