CN103360048A

CN103360048A - 一种二氧化钛多孔陶瓷及制备方法

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Publication number: CN103360048A
Application number: CN2013103171638A
Authority: CN
Inventors: 许建文; 卞伯同; 王继元; 堵文斌; 陈韶辉; 杨爱武; 柏基业; 庞焱; 朱庆奋
Original assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Yangzi Petrochemical Co Ltd
Current assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Yangzi Petrochemical Co Ltd
Priority date: 2013-07-25
Filing date: 2013-07-25
Publication date: 2013-10-23

Abstract

本发明提供一种高强度TiO₂多孔陶瓷，包含二氧化钛、金属氧化物，本发明的高强度TiO₂多孔陶瓷抗压强度高、气孔率高，制备工艺简单，成本较低，适宜工业化生产。

Description

一种二氧化钛多孔陶瓷及制备方法

技术领域

本发明涉及一种二氧化钛陶瓷及其制备方法，具体而言涉及一种高强度、高气孔率二氧化钛多孔陶瓷的制备方法。

背景技术

多孔陶瓷又称为气孔功能陶瓷，是指具有一定尺寸和数量的孔隙结构的新型陶瓷材料。因具有高温稳定性、抗热震性好、热导率低、化学稳定性良好等特性而广泛地应用于生物材料、耐火材料、分离、过滤、催化反应、反应电极、发动机尾气处理等领域。

多孔陶瓷可根据陶瓷基体材料种类的不同，将其分为氧化铝基、氧化锆基、碳化硅基及二氧化钛基等。氧化铝基多孔陶瓷是一类应用广泛的陶瓷材料，现有技术氧化铝基多孔陶瓷制备工艺复杂，所用的烧结温度高达1500～1600℃，产品的功能性较差，表现在抗热震性和隔热性差，此外，氧化铝基多孔陶瓷的强度也存在缺陷。

因TiO₂材料具有化学稳定性好、烧结温度低、耐腐蚀性强等特点，出现以其为基体材料制备的TiO₂多孔陶瓷，比如中国专利CN1793027（一种多孔二氧化钛陶瓷的制备方法），中国专利CN101260006（含二氧化钛的蜂窝陶瓷的制备方法、制备原料及产品），罗平等（二氧化钛基多孔陶瓷材料的制备.上海交通大学学报,2007,41(2):306-309.），这些现有制备二氧化钛多孔陶瓷的技术存在着抗压强度较差，气孔率不高的不足。

因此需要一种二氧化钛多孔陶瓷，其具有足够的抗压强度和高气孔率。

发明内容

本发明人在现有技术基础上经刻苦研究发现，通过加入金属氧化物在二氧化钛基体上焙烧，即可以解决前述问题，完成本发明。

具体而言，本发明涉及以下内容：

1、一种高强度TiO₂多孔陶瓷，其特征在于：包含二氧化钛、金属氧化物，所述的金属氧化物选自CeO₂、ZrO₂，所述的陶瓷中各组分的质量比以TiO₂为基准为：CeO₂：ZrO₂：TiO₂为0.01～0.1：0.01～0.2：1，其抗压强度为100～200N/cm，气孔率为30～70%。

2、上述的TiO₂多孔陶瓷的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将CeO₂、ZrO₂、TiO₂、造孔剂、稀硝酸按预定比例接触，捏合均匀获得接触产物的步骤；

(2)挤出成型所述接触产物，获得成型接触产物的步骤；

(3)焙烧所述成型接触产物，得到二氧化钛多孔陶瓷的步骤。

上述任一方面的制备方法，所述的造孔剂选自聚苯乙烯微球、碳纤维、甲基纤维素、羟乙基甲基纤维素、聚甲基丙烯酸甲酯、淀粉、石墨粉、聚乙烯醇中的任一种或其组合。

上述任一方面的制备方法，所述的造孔剂颗粒直径为1～5μm。

上述任一方面的制备方法，所述稀硝酸加入是为了使步骤1中各组分便于胶溶，获得接触产物；

上述任一方面的制备方法，所述预定比例使得经过所述接触步骤、成型步骤、焙烧步骤后最终获得的二氧化钛多孔陶瓷符合本发明前述的规定即可，优选以质量份数计CeO₂、1～10份，ZrO₂、1～20份，TiO₂、100份，造孔剂、1～50份。

上述任一方面的制备方法，所述接触没有特别限定，可以采用现有技术常用的混合。

根据本发明，在所述接触步骤中，对各原料组分（即CeO₂、ZrO₂、TiO₂、造孔剂、稀硝酸）的接触次序没有特别限定，并且对所述接触步骤的进行方式没有特别限制，只要可以实现各原料组分的充分接触，并形成均匀的接触产物即可，比如可按照本领域已知的任何方式混合（必要时辅助搅拌）各原料组分至均匀即可。

上述任一方面的制备方法，所述焙烧是在500～1000℃下进行的。

根据本发明，所述成型接触产物制备后，尤其是在成型接触产物含水量高、成型较软时，有时可通过本领域已知的任何方式进行烘干，比如在100℃下，以除去在制备过程中可能引入的任何分散介质（比如水），根据本发明，将所述经过烘干的成型接触产物也称为成型接触产物。

上述任一方面的制备方法，所述的CeO₂颗粒直径为0.1～20μm，优选3～5μm。

上述任一方面的制备方法，所述的ZrO₂颗粒直径为0.1～20μm，优选3～5μm。

上述任一方面的制备方法，所述的TiO₂颗粒直径为0.1～20μm，优选10～15μm。

本发明的TiO₂多孔陶瓷，所述的抗压强度是按化工行业标准HG/T2782-1996测定；所述的气孔率是采用阿基米德原理按GB/T1966-1996标准测定。

技术效果：

根据本发明的二氧化钛多孔陶瓷，将CeO₂和ZrO₂加入到TiO₂基体中，由于CeO₂、ZrO₂和TiO₂之间具有良好的化学和物理相容性，因此形成的CeO₂-ZrO₂-TiO₂三元相结构可改善TiO₂的力学性能，显著提高了TiO₂陶瓷的抗压强度。另一方面，在TiO₂陶瓷的成型过程中加入造孔剂，通过高温焙烧，这些造孔剂得以分解，形成新的孔道结构，因此通过改变造孔剂的种类和含量可以有效地控制TiO₂陶瓷的气孔率。

相对于现有技术来说，本发明的优点是：其一，TiO₂陶瓷的抗压强度高、气孔率高。其二，TiO₂多孔陶瓷的制备工艺简单，成本较低，适宜工业化生产。

具体实施方式

下面通过实施例进一步描述本发明的技术特征，但不局限于实施例。

实施例1

(1)将①5份颗粒直径为5μm的CeO₂粉体、②15份颗粒直径为5μm的ZrO₂粉体、③100份颗粒直径为5μm的TiO₂粉体、④10份颗粒直径为2μm的聚苯乙烯微球、⑤40份浓度为10%的稀硝酸混合后，捏合均匀；

(2)将捏合后的物料挤出成型(挤出物直径3mm)，切成5mm的长条；

(3)所述的长条经100℃干燥10h、700℃焙烧4h得到TiO₂多孔陶瓷。

本实施例得到的TiO₂多孔陶瓷的性能见表1。

实施例2

(1)将①1份颗粒直径为0.1μm的CeO₂粉体、②3份颗粒直径为0.1μm的ZrO₂粉体、③100份颗粒直径为0.1μm的TiO₂粉体、④1份颗粒直径为1μm的碳纤维、⑤30份浓度为10%的稀硝酸混合后，捏合均匀；

(3)所述的长条经100℃干燥10h、500℃焙烧4h得到TiO₂多孔陶瓷。

本实施例得到的TiO₂多孔陶瓷的性能见表1。

实施例3

(1)将①10份颗粒直径为20μm的CeO₂粉体、②20份颗粒直径为20μm的ZrO₂粉体、③100份颗粒直径为20μm的TiO₂粉体、④50份颗粒直径为5μm的甲基纤维素、⑤60份浓度为10%的稀硝酸混合后，捏合均匀；

(3)所述的长条经100℃干燥10h、1000℃焙烧4h得到TiO₂多孔陶瓷。

本实施例得到的TiO₂多孔陶瓷的性能见表1。

实施例4

(1)将①1份颗粒直径为5μm的CeO₂粉体、②20份颗粒直径为5μm的ZrO₂粉体、③100份颗粒直径为5μm的TiO₂粉体、④50份颗粒直径为5μm的羟乙基甲基纤维素、⑤40份浓度为10%的稀硝酸混合后，捏合均匀；

本实施例得到的TiO₂多孔陶瓷的性能见表1。

实施例5

(1)将①10份颗粒直径为5μm的CeO₂粉体、②2份颗粒直径为5μm的ZrO₂粉体、③100份颗粒直径为5μm的TiO₂粉体、④10份颗粒直径为5μm的聚甲基丙烯酸甲酯、⑤40份浓度为10%的稀硝酸混合后，捏合均匀；

(3)所述的长条经100℃干燥10h、600℃焙烧4h得到TiO₂多孔陶瓷。

本实施例得到的TiO₂多孔陶瓷的性能见表1。

实施例6

(1)将①2份颗粒直径为1μm的CeO₂粉体、②5份颗粒直径为1μm的ZrO₂粉体、③100份颗粒直径为1μm的TiO₂粉体、④5份颗粒直径为2μm的淀粉、⑤35份浓度为10%的稀硝酸混合后，捏合均匀；

(3)所述的长条经100℃干燥10h、550℃焙烧4h得到TiO₂多孔陶瓷。

本实施例得到的TiO₂多孔陶瓷的性能见表1。

实施例7

(1)将①8份颗粒直径为16μm的CeO₂粉体、②15份颗粒直径为10μm的ZrO₂粉体、③100份颗粒直径为15μm的TiO₂粉体、④40份颗粒直径为4μm的石墨粉、⑤50份浓度为10%的稀硝酸混合后，捏合均匀；

(3)所述的长条经100℃干燥10h、900℃焙烧4h得到TiO₂多孔陶瓷。

本实施例得到的TiO₂多孔陶瓷的性能见表1。

实施例8

(1)将①7份颗粒直径为12μm的CeO₂粉体、②11份颗粒直径为8μm的ZrO₂粉体、③100份颗粒直径为18μm的TiO₂粉体、④55份颗粒直径为3μm的聚乙烯醇、⑤45份浓度为10%的稀硝酸混合后，捏合均匀；

(3)所述的长条经100℃干燥10h、800℃焙烧4h得到TiO₂多孔陶瓷。

本实施例得到的TiO₂多孔陶瓷的性能见表1。

实施例9

(1)将①5份颗粒直径为15μm的CeO₂粉体、②17份颗粒直径为10μm的ZrO₂粉体、③100份颗粒直径为10μm的TiO₂粉体、④15份颗粒直径为2μm的聚苯乙烯微球、15份颗粒直径为4μm的甲基纤维素⑤35份浓度为10%的稀硝酸混合后，捏合均匀；

本实施例得到的TiO₂多孔陶瓷的性能见表1。

比较例1

本对比实例与实施例1相比较，按照专利CN1793027(一种多孔二氧化钛陶瓷的制备方法)描述的方法制备TiO₂多孔陶瓷。

(1)选用700nm球形聚甲基丙烯酸甲酯和500nm TiO₂为主要原料，聚乙烯亚胺和乙二醇为辅助原料。

(2)将上述主要原料聚甲基丙烯酸甲酯和TiO₂为分别加蒸馏水制成悬浮液，并调整好各自的pH值，通过电位测定，选用pH=7.8可以使得两者能够很好的黏附；其中在TiO₂悬浮液中加入0.05%聚乙烯亚胺作它的分散剂并进行超声10min。

(3)选用悬浮液体积比TiO₂/聚甲基丙烯酸甲酯=0.3，将超声好的TiO₂悬浮液慢慢地添加到聚甲基丙烯酸甲酯的悬浮液中，缓慢搅拌并加入0.1%乙二醇。

(4)将上述混合后的悬浮液通过真空抽滤，在空气中阴干，从而得到聚甲基丙烯酸甲酯和TiO₂的复合体。

(5)待上述复合体水分比较少时，将之放入干燥箱中干燥，然后以1℃/min的加热速度，将复合体放入电炉中于200℃下煅烧2h，在500℃下继续煅烧4h后在电炉中自然冷却，从而得到具有孔径分布均匀的TiO₂微米级多孔陶瓷。

本比较例得到的TiO₂多孔陶瓷的性能见表1。

表1TiO₂多孔陶瓷的性能

Figure 2013103171638100002DEST_PATH_IMAGE001

将比较例1与实施例1进行对比，可以看出，本发明方法制备的TiO₂多孔陶瓷的抗压强度和气孔率均较高，并且制备工艺简单，适宜工业化生产。

Claims

1.一种TiO₂多孔陶瓷，其特征在于：包含二氧化钛、金属氧化物，所述的金属氧化物选自CeO₂、ZrO₂。

2.根据权利要求1所述的多孔陶瓷，其特征在于：以TiO₂为基准，所述陶瓷中主要组分质量比：CeO₂：ZrO₂：TiO₂为0.01～0.1：0.01～0.2：1。

3.根据权利要求1所述的多孔陶瓷，其特征在于：所述多孔陶瓷抗压强度为100～200N/cm，气孔率为30～70%。

4.一种权利要求1所述的多孔陶瓷的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(2)挤出成型所述接触产物，获得成型接触产物的步骤;

(3)焙烧所述成型接触产物，得到二氧化钛多孔陶瓷的步骤。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征是：所述的造孔剂选自聚苯乙烯微球、碳纤维、甲基纤维素、羟乙基甲基纤维素、聚甲基丙烯酸甲酯、淀粉、石墨粉、聚乙烯醇中的任一种或其组合。

6.根据权利要求4任一方面的制备方法，所述的造孔剂颗粒直径为1～5μm。

7.根据权利要求4任一方面的制备方法，所述预定比例以质量份数计CeO₂、1～10份，ZrO₂、1～20份，TiO₂、100份，造孔剂、1～50份。

8.根据权利要求4任一方面的制备方法，所述的CeO₂粉体的颗粒直径为0.1～20μm。

9.根据权利要求4任一方面的制备方法，其特征是：所述的ZrO₂粉体的颗粒直径为0.1～20μm。

10.根据权利要求4任一方面的制备方法，其特征是：所述的TiO₂粉体的颗粒直径为0.1～20μm。

11.根据权利要求4任一方面的制备方法，其特征在于：所述的CeO₂粉体的颗粒直径3～5μm；所述的ZrO₂粉体的颗粒直径3～5μm；所述的TiO₂粉体的颗粒直径10～15μm。