CN102795783A - 一种多孔玻璃材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种多孔玻璃材料的制备方法，它涉及一种多孔材料的制备方法。本发明目的是解决现有制备的多孔玻璃材料不能同时满足具有微米孔径，大小均匀，且高孔隙率的问题。方法，一、首先对金属进行超声清洗和干燥得到干净的金属粉；二、制备玻璃溶胶；三、制备金属粉/玻璃凝胶混合物；四、首先将金属粉/玻璃凝胶混合物转移至模具中，然后进行高温热压烧结，随炉冷却至室温后退模，得到烧结材料；五、将烧结材料放入酸中进行酸腐蚀，除去烧结材料中的金属粉，即得到多孔玻璃材料。优点：一、微米孔径、孔径大小及分布均匀，孔隙率可达到70%以上；二、多孔玻璃强度高。本发明主要用于制备多孔玻璃材料。

Description

一种多孔玻璃材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种多孔材料的制备方法。

背景技术

自从美国康宁公司研发人员在20世纪30年代制备出多孔玻璃以后，多孔玻璃便渐渐发展成为一种新型功能材料，由于其独特的优点和个性，使得在多孔材料中的位置变得更为重要。

多孔玻璃作为一种新型多孔材料，具有热稳定性高、耐腐蚀、强度高、价格便宜、再生能力强、环境友好等优点，适于用作吸附剂、精制剂、药物缓释剂及催化剂载体。随着现代化工、生化、环保、医药等领域的不断发展，多孔玻璃的研究和应用不断深入。

多孔玻璃的制备方法有很多种，主要包括发泡烧结法、熔融分相法、有机泡沫浸渍法、添加造孔剂法、溶胶-凝胶法等，不同的方法制备的多孔玻璃有很大的差异，这几种方法介绍如下：

1、发泡烧结法：最早是由美国彼兹堡康宁公司发明的，原料是碎玻璃、发泡剂、发泡促进剂和改性添加剂等，经过粉碎处理，均匀混合后，再经过高温熔化，发泡、退火等工序制成的多孔玻璃材料。这种方法制备出来的多孔玻璃以超大孔为主，孔径在微米级（一般为100μm以上），甚至几个毫米左右。主要功能是隔热和吸收声波，因此广泛应用于建筑墙体的隔热、隔音，工业设备器壁的保温材料。此外，这种多孔玻璃密度很小是水的四分之一左右，并且容易调控，其机械强度同整体密度成正比，因此可以控制生产条件制备出各种抗压性能的多孔玻璃，因为此方法制备的多孔玻璃材料平均孔径大于200μm以上，因此不能用于作为固定化细胞载体。

2、熔融分相法：原料是氧化硅、氧化钠、氧化硼等无机材料，粉碎处理并混合均匀后在1400℃~1500℃左右熔融制备硼硅酸钠玻璃体，然后在550℃~700℃高温下分相处理，再经过酸浸析即可得到多孔玻璃。这种制备方法由于原料都是无机材料，因此原料成本较低，但熔融温度高达1500℃，其能耗成本太高，对设备也有很苛刻的要求。在如此高的温度下氧化硼容易挥发，因此对玻璃成分有很大影响，不易精确控制硼硅酸纳玻璃的成分比例，得到的多孔玻璃孔径。

3、有机泡沫浸渍法：最早在1963年由Schwartzwalden等人提出来的。原料是硅酸乙酯、磷酸三乙酯、四水硝酸钙等通过溶胶凝胶法制备生物活性玻璃58S，其成分为氧化硅、氧化磷和氧化钙，然后以聚氨酯泡沫为模板剂放入58S生物活性玻璃粉体酱料中浸渍，热处理去模板后即可得到多孔玻璃，主要用作生物玻璃多孔支架材料。这种方法制备的多孔生物玻璃空隙率高，有良好的贯通性，并且容易控制玻璃的孔径。因为具有开孔三维空间网状骨架结构，所以能成为理想的骨组织修复支架材料。

4、添加造孔剂法：用金属锌和双氧水反应制备Zn(OH)₂，用硅酸乙酯，乙醇和水反应制备硅溶胶，然后将两者混合后制备出嵌有Zn(OH)₂的玻璃前躯体，然后经过长时间的老化、热处理，使Zn(OH)₂失水形成纳米氧化锌颗粒嵌入氧化硅玻璃中，最后用酸除去氧化锌即可得到介孔玻璃。这种方法是以纳米氧化锌为造孔剂，由于纳米氧化锌颗粒的尺寸比较均匀，因此以它为模板剂制备出的介孔玻璃孔径分布很窄。但缺点是这种介孔玻璃其实并不是本质意义上的玻璃，因为它处理温度比较低，严格来讲这应该是介孔硅胶。再者以纳米氧化锌为模板剂，造孔剂即使分布均匀也很难实现连续性，因此酸浸析脱除造孔剂时材料内部的氧化锌很难析出，这种所谓的介孔玻璃耐高温性能比较差。

5、溶胶-凝胶法：传统的溶胶凝胶法是利用原硅酸乙酯、硼酸乙酯和乙醇钠等有机醇盐通过水解合成而来的，为了节约成本，除硅酸乙酯外的醇盐用硼酸，氢氧化钠和硝酸钠来代替，这样一来降低了成本的同时还减少了有机成分带来的毒性。通过溶胶凝胶法制备出玻璃活性前躯体后，在1170℃左右即可熔融得到硼硅酸钠玻璃，600℃下分相后再经过酸浸析除去硼钠相即可得到多孔玻璃。这种方法制备的多孔玻璃可以很容易的控制孔径分布和孔容，因此可以制备微孔玻璃，介孔玻璃和大孔玻璃，如此多孔玻璃的多样性能够满足很多领域中的应用。不过这种方法制备的多孔玻璃最大孔径几百纳米，不能制备更大孔径的多孔玻璃。

在上述方法中熔融分相法、有机泡沫浸渍法、添加造孔剂法和溶胶-凝胶法制备的多孔玻璃孔隙都在10nm~500nm之间。然而实际应用中，纳米级孔隙的多孔玻璃已不能满足广泛需求。特别是作为某些固定化细胞载体，微米级孔隙结构有利于减小反应物分子进入及生成物分子离开时的阻力，避免孔通道堵塞。虽然发泡烧结法可以制备微米级孔径大小的多孔玻璃，但是却存在孔隙大小分布不均匀的现象，而且孔隙率较低。因此现有制备的多孔玻璃材料不能同时满足具有微米孔径，大小均匀，且高孔隙率的问题。

发明内容

本发明目的是解决现有制备的多孔玻璃材料不能同时满足具有微米孔径，大小均匀，且高孔隙率的问题，而提供一种多孔玻璃材料的制备方法。

一种多孔玻璃材料的制备方法，具体是按以下步骤完成的：一、清洗：首先将粒径为10μm~150μm的金属粉加入无水乙醇中，并在频率为24KHz~35KHz下进行超声清洗1~3次，单次超声清洗时间为10min~30min，然后在温度为20℃~40℃下干燥20min~40min，即得到干净的金属粉；二、制备玻璃溶胶：首先在200r/min~600r/min的搅拌速度下将玻璃形成体加入有机溶剂中，再加入去离子水，搅拌混匀后得到玻璃形成体溶液，然后向玻璃添加物中加入去离子水，完全溶解后即得到玻璃添加物溶液，再将玻璃添加物溶液加入玻璃形成体溶液中，继续在200r/min~600r/min的搅拌速度下搅拌混均，即得到混合物，然后采用质量分数为65%~68%的硝酸水溶液将混合物的pH值调节至3.5~4.5，并在温度为50℃~70℃的水浴条件下加热回流反应40min~80min，即得到玻璃溶胶；三、润湿干燥：首先将玻璃溶胶加入干净的金属粉中，然后在温度为40℃~100℃下干燥1h~5h，得到金属粉/玻璃凝胶混合物；四、烧结：首先将金属粉/玻璃凝胶混合物转移至模具中，然后在温度为600℃~1200℃和机械施压力为20MPa~40MPa的真空条件下烧结2h~4h，然后随炉冷却至室温，退模后得到烧结材料；五、酸腐蚀：将烧结材料放入酸中进行酸腐蚀，酸腐蚀至烧结材料中的金属粉全部除去为止，即得到多孔玻璃材料；步骤二中所述的玻璃形成体与有机溶剂的体积比为(0.5~2)∶1；步骤二中所述的玻璃形成体与去离子水的体积比为(2~5)∶1；步骤二中所述的玻璃添加物质量与溶剂体积的比为(100g~600g)∶1L；步骤二中所述的玻璃形成体溶液与玻璃添加物溶液的体积比为(0.5~2)∶1；步骤三中所述的干净的金属粉质量与玻璃溶胶体积的比为(8kg~40kg)∶1L。

本发明优点：一、本发明通过控制金属粉末的粒径大小及分布，达到控制多孔玻璃材料的孔径大小及分布的目的，制备的多孔玻璃材料孔径为10μm~150μm，作为固定化细胞载体使用时与孔径为10nm~500nm的多孔玻璃材料相比有利于减小反应物分子进入及生成物分子离开时的阻力，避免孔通道堵塞，且本发明制备的多孔玻璃材料孔隙率可达到70%以上；二、本发明采用溶胶凝胶法制备玻璃溶胶，因此其化学成分和配比控制精确，并且经过高温的热压烧结，增强了多孔玻璃材料强度。

本发明制备的多孔玻璃材料可用于固定化细胞载体或吸声等。

附图说明

图1是试验一步骤一得到干净的金属粉500倍的SEM图；图2是试验一步骤三得到的金属粉/玻璃凝胶混合物500倍的SEM图；图3是试验一制备的多孔玻璃材料200倍的SEM图；图4是试验一步骤四得到的烧结材料SEM背散射图；图5是试验一步骤四得到的烧结材料中Fe元素的面分布图；图6是试验一步骤四得到的烧结材料中Si元素的面分布图；图7是试验一步骤四得到的烧结材料10000倍的场发射透射电子显微镜图；图8是试验一步骤四得到的烧结材料包覆层部分的电子衍射图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式是一种多孔玻璃材料的制备方法，具体是按以下步骤完成的：

一、清洗：首先将粒径为10μm~150μm的金属粉加入无水乙醇中，并在频率为24KHz~35KHz下进行超声清洗1~3次，单次超声清洗时间为10min~30min，然后在温度为20℃~40℃下干燥20min~40min，即得到干净的金属粉；二、制备玻璃溶胶：首先在200r/min~600r/min的搅拌速度下将玻璃形成体加入有机溶剂中，再加入去离子水，搅拌混匀后得到玻璃形成体溶液，然后向玻璃添加物中加入去离子水，完全溶解后即得到玻璃添加物溶液，再将玻璃添加物溶液加入玻璃形成体溶液中，继续在200r/min~600r/min的搅拌速度下搅拌混均，即得到混合物，然后采用质量分数为65%~68%的硝酸水溶液将混合物的pH值调节至3.5~4.5，并在温度为50℃~70℃的水浴条件下加热回流反应40min~80min，即得到玻璃溶胶；三、润湿干燥：首先将玻璃溶胶加入干净的金属粉中，然后在温度为40℃~100℃下干燥1h~5h，得到金属粉/玻璃凝胶混合物；四、烧结：首先将金属粉/玻璃凝胶混合物转移至模具中，然后在温度为600℃~1200℃和机械施压力为20MPa~40MPa的真空条件下烧结2h~4h，然后随炉冷却至室温，退模后得到烧结材料；五、酸腐蚀：将烧结材料放入酸中进行酸腐蚀，酸腐蚀至烧结材料中的金属粉全部除去为止，即得到多孔玻璃材料。

本实施方式步骤二中所述的玻璃形成体与有机溶剂的体积比为(0.5~2)∶1；本实施方式步骤二中所述的玻璃形成体与去离子水的体积比为(2~5)∶1；本实施方式步骤二中所述的玻璃添加物质量与溶剂体积的比为(100g~600g)∶1L；本实施方式步骤二中所述的玻璃形成体溶液与玻璃添加物溶液的体积比为(0.5~2)∶1。

本实施方式步骤三中所述的干净的金属粉质量与玻璃溶胶体积的比为(8kg~40kg)∶1L。

一种材料内的两种物质的热膨胀系数不匹配，在高温热压烧结时很容易在材料内部产生内应力，而这种应力对最终得到完整的多孔玻璃材料是有害的。如果应力过大，很可能在化学腐蚀去除金属粉末的过程中，发生玻璃的断裂甚至解体。所以在玻璃的选择上要使其热膨胀系数尽量和金属粉末的热膨胀系数匹配。这里以纯铁粉为金属粉末为例。纯铁的热膨胀系数在12×10^-6/K左右，如选用含SiO₂的凝胶作包覆层，其中的玻璃形成物SiO₂的热膨胀系数在5.5×10^-7/K，这与纯铁的热膨胀系数相差非常大，因此选择玻璃添加物时应该选择那些能显著提高玻璃热膨胀系数的氧化物，可以参考捷姆金娜法或高桥健太郎法来进行玻璃热膨胀系数设计。以高桥健太郎法为例，其给出了常见氧化物的热膨胀加和性系数（这里可以简单的理解为热膨胀加和性系数越大，其可以使玻璃的热膨胀系数增加越大），这里热膨胀加和性系数较大的氧化物有：IA族、IIA族氧化物以及PbO，而IA族氧化物的加和性系数最大，PbO次之。按照高桥健太郎法我们估算出质量分数为66%的SiO₂，质量分数为4%的CaO和质量分数为30%的Na₂O组成的玻璃热膨胀系数在12×10^-6/K左右和纯铁的热膨胀系数基本匹配。常见的玻璃形成体的热膨胀系数都相当低，如要提高其热膨胀系数加入IA族、IIA族氧化物或PbO是最有效的方法。

本实施方式通过控制金属粉末的粒径大小及分布，达到控制多孔玻璃材料的孔径大小及分布的目的，制备的多孔玻璃材料孔径为10μm~150μm，作为固定化细胞载体使用时与孔径为10nm~500nm的多孔玻璃材料相比有利于减小反应物分子进入及生成物分子离开时的阻力，避免孔通道堵塞，且本实施方式制备的多孔玻璃材料孔隙率可达到70%以上。

本实施方式采用溶胶凝胶法制备玻璃溶胶，因此其化学成分和配比控制精确，并且经过高温的热压烧结，增强了多孔玻璃材料强度。

本实施方式制备的多孔玻璃材料可用于固定化细胞载体或吸声等

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤一中所述的金属粉为可溶于酸的金属粉末或可溶于酸的金属氧化物粉末；其中所述酸为质量分数为5%~30%的盐酸水溶液、5mol/L~12mol/L硫酸水溶液或4mol/L~10mol/L乙酸水溶液。其他与具体实施方式一相同。

本实施方式所述的金属粉为纯Fe粉、铁合金粉、Al铝合金粉、Mg镁合金粉、钢铜合金粉或Fe₃O₄粉。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一的不同点是：步骤二中所述的玻璃形成体为Si(OC₂H₅)₄或Si(OCH₃)₄。其他与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一的不同点是：步骤二中所述的有机溶剂为甲醇、乙醇和异丙醇中的一种或其中几种的混合物。其他与具体实施方式一至三相同。

本实施方式所述的有机溶剂为混合物时，各组分之间按任意比混合。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一的不同点是：步骤二中所述的玻璃添加物为NaNO₃和Ca(NO₃)₂·4H₂O中的一种或者两种任意比的混合物。其他与具体实施方式一至四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一的不同点是：步骤五中所述的酸为质量分数为5%~30%的盐酸水溶液、5mol/L~12mol/L硫酸水溶液或4mol/L~10mol/L乙酸水溶液。其他与具体实施方式一至五相同。

采用下述试验验证本发明效果：

试验一：一种多孔玻璃材料的制备方法，具体是按以下步骤完成的：一、清洗：首先将平均粒径约5μm的50g纯铁粉加入无水乙醇中，并在频率为30KHz下进行超声清洗2次，单次超声清洗时间为20min，然后在温度为30℃下干燥30min，即得到干净的金属粉；二、制备玻璃溶胶：首先在400r/min的搅拌速度下将25mL的Si(OCH₃)₄加入25mL的乙醇中，再加入90mL去离子水，搅拌混匀后得到玻璃形成体溶液，然后将9.26gNaNO₃和1.73gCa(NO₃)₂·4H₂O溶于30mL去离子水中，完全溶解后即得到玻璃添加物溶液，再将玻璃添加物溶液加入玻璃形成体溶液中，继续在400r/min的搅拌速度下搅拌混均，即得到混合物，然后采用质量分数为66.5%的硝酸将混合物的pH值调节至4，并在温度为60℃的水浴条件下加热回流反应60min，即得到玻璃溶胶；三、润湿干燥：首先将步骤二制备的玻璃溶胶加入步骤一得到干净的金属粉中，然后在温度为60℃下干燥3h，得到金属粉/玻璃凝胶混合物；四、烧结：首先将金属粉/玻璃凝胶混合物转移至模具中，然后在温度为1000℃和机械施压力为30MPa的真空条件下烧结3h，然后随炉冷却至室温，退模后得到烧结材料；五、酸腐蚀：将烧结材料放入质量分数为10%的稀盐酸中进行酸腐蚀，酸腐蚀至烧结材料中的金属粉全部除去为止，即得到多孔玻璃材料。

采用扫描电子显微镜观察本试验步骤一得到干净的金属粉、本试验步骤三得到的金属粉/玻璃凝胶混合物和本试验制备的多孔玻璃材料，如图1~3所示，图1是本试验步骤一得到干净的金属粉500倍的SEM图，图2是本试验步骤三得到的金属粉/玻璃凝胶混合物500倍的SEM图，图3是本试验制备的多孔玻璃材料200倍的SEM图，通过图2与图1对比铁粉已经被玻璃凝胶所包覆，为烧结后形成玻璃骨架提供了必要条件；通过图3可知本试验制备的多孔玻璃材料孔径约5μm，孔隙率约为75%。

采用万能电子力学试验机对本试验制备的多孔玻璃材料进行压缩强度进行检测，通过检测可知本试验制备的多孔玻璃材料的压缩强度为1.2MPa~2.2MPa。

采用扫描电子显微镜的背散射模式下观察本试验步骤四得到的烧结材料，检测结果如图4~图6所示，图4是本试验步骤四得到的烧结材料SEM背散射图；图5是本试验步骤四得到的烧结材料中Fe元素的面分布图；图6是本试验步骤四得到的烧结材料中Si元素的面分布图；通过图4~图6可证明腐蚀之前，铁的体积分数很高，为腐蚀后得到高孔隙率的多孔玻璃创造了条件。

采用场发射透射电子显微镜观察本试验步骤四得到的烧结材料，检测结果如图7所示，图7是本试验步骤四得到的烧结材料10000倍的场发射透射电子显微镜图，通过图7可以清晰的看出本试验步骤四得到的烧结材料中纯铁粉已经被玻璃包覆，在加速电压为300kV利用场发射透射电子显微镜观察本试验步骤四得到的烧结材料，如图8所示，图8是本试验步骤四得到的烧结材料包覆层部分的电子衍射图，通过图8玻璃的非晶衍射环说明包覆铁粉的物质是非晶态。

Claims (6)

1.一种多孔玻璃材料的制备方法，其特征在于多孔玻璃材料的制备方法是按以下步骤完成的：一、清洗：首先将粒径为10μm~150μm的金属粉加入无水乙醇中，并在频率为24KHz~35KHz下进行超声清洗1~3次，单次超声清洗时间为10min~30min，然后在温度为20℃~40℃下干燥20min~40min，即得到干净的金属粉；二、制备玻璃溶胶：首先在200r/min~600r/min的搅拌速度下将玻璃形成体加入有机溶剂中，再加入去离子水，搅拌混匀后得到玻璃形成体溶液，然后向玻璃添加物中加入去离子水，完全溶解后即得到玻璃添加物溶液，再将玻璃添加物溶液加入玻璃形成体溶液中，继续在200r/min~600r/min的搅拌速度下搅拌混均，即得到混合物，然后采用质量分数为65%~68%的硝酸水溶液将混合物的pH值调节至3.5~4.5，并在温度为50℃~70℃的水浴条件下加热回流反应40min~80min，即得到玻璃溶胶；三、润湿干燥：首先将玻璃溶胶加入干净的金属粉中，然后在温度为40℃~100℃下干燥1h~5h，得到金属粉/玻璃凝胶混合物；四、烧结：首先将金属粉/玻璃凝胶混合物转移至模具中，然后在温度为600℃~1200℃和机械施压力为20MPa~40MPa的真空条件下烧结2h~4h，然后随炉冷却至室温，退模后得到烧结材料；五、酸腐蚀：将烧结材料放入酸中进行酸腐蚀，酸腐蚀至烧结材料中的金属粉全部除去为止，即得到多孔玻璃材料；步骤二中所述的玻璃形成体与有机溶剂的体积比为(0.5~2)∶1；步骤二中所述的玻璃形成体与去离子水的体积比为(2~5)∶1；步骤二中所述的玻璃添加物质量与溶剂体积的比为(100g~600g)∶1L；步骤二中所述的玻璃形成体溶液与玻璃添加物溶液的体积比为(0.5~2)∶1；步骤三中所述的干净的金属粉质量与玻璃溶胶体积的比为(8kg~40kg)∶1L。

2.根据权利要求1所述的一种多孔玻璃材料的制备方法，其特征在于步骤一中述的金属粉为可溶于酸的金属粉末或可溶于酸的金属氧化物粉末；其中所述酸为质量分数为5%~30%的盐酸水溶液、5mol/L~12mol/L硫酸水溶液或4mol/L~10mol/L乙酸水溶液。

3.根据权利要求2所述的一种多孔玻璃材料的制备方法，其特征在于步骤二中所述的玻璃形成体为Si(OC₂H₅)₄或Si(OCH₃)₄。

4.根据权利要求3所述的一种多孔玻璃材料的制备方法，其特征在于步骤二中所述的有机溶剂为甲醇、乙醇和异丙醇中的一种或其中几种的混合物。

5.根据权利要求4所述的一种多孔玻璃材料的制备方法，其特征在于步骤二中所述的玻璃添加物为NaNO₃和Ca(NO₃)₂·4H₂O中的一种或者两种的混合物。

6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的一种多孔玻璃材料的制备方法，其特征在于步骤五中所述的酸为质量分数为5%~30%的盐酸水溶液、5mol/L~12mol/L硫酸水溶液或4mol/L~10mol/L乙酸水溶液。

Images