CN105036788A

CN105036788A - 泡沫陶瓷的制备方法

Info

Publication number: CN105036788A
Application number: CN201510551464.6A
Authority: CN
Inventors: 崔月华; 彭洋
Original assignee: Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology of CAS
Current assignee: Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology of CAS
Priority date: 2015-09-01
Filing date: 2015-09-01
Publication date: 2015-11-11
Anticipated expiration: 2035-09-01
Also published as: CN105036788B

Abstract

本发明提供了一种泡沫陶瓷的制备方法，包括：步骤1，取丙烯酰胺5-15wt％、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺0.5-5wt％、碱金属盐0.5-3wt％、水40-70wt％在室温下搅拌溶解；步骤2，取陶瓷粉20-45wt％；步骤3，将步骤1和2中的各组分混合后球磨制得浆料；步骤4，称取100-200g浆料，向其中加入：阳离子表面活性剂1.0-5.0g、阴离子表面活性剂0.2-1.0g；步骤5，将上述浆料置于密闭容器中，通入氮气排尽容器中的空气，然后低速搅拌2min，加入引发剂0.1-2ml，再低速搅拌2min，加入催化剂0.01-1.00ml，再高速搅拌2-15min；步骤6，待步骤5处理后的物质凝胶成坯体后，将坯体取出，并室温干燥；步骤7，烧结。该方法可以实现高气孔率，具有强度高、耐高温、耐酸碱腐蚀、耐有机溶剂腐蚀等特点，还有密度小的特点。

Description

泡沫陶瓷的制备方法

技术领域

本发明涉及泡沫陶瓷领域，特别涉及一种泡沫陶瓷的制备方法。

背景技术

泡沫陶瓷是一种三维的立体网络骨架结构的陶瓷制品。它存在分布均匀且相互贯通的微孔，因而具有密度小、气孔率高、比表面积大、热传导率低、耐高温、耐腐蚀等特点。并且，可以通过选择不同的原料和控制加工工艺过程，制成适合于不同用途的泡沫陶瓷制品。泡沫陶瓷的气孔率一般可高达70％-90％，体积密度只有0.3-0.6g/cm³，根据气孔在其中的形态可分为开孔结构陶瓷和闭孔结构陶瓷。但大部分的泡沫陶瓷制品既存在开孔结构，也存在闭孔结构。一般的，气孔直径小于2nm的为微孔陶瓷，在2-50nm之间的为介孔陶瓷，大于50nm的为宏孔陶瓷。目前，泡沫陶瓷已广泛应用于隔热隔音、工业污水处理、汽车尾气处理、电工电子、医用材料及生物化学等领域。

目前为止，模板法、添加造孔剂法和直接发泡法是制备泡沫陶瓷的三种主要方法，其中添加造孔剂法有添加无机固体造孔剂和添加有机液体造孔剂两种。中国专利公告号CN103011887A，公告日是2013年4月3日，名称为“碳化硅泡沫陶瓷及其制备方法”中公开了用聚氨酯海绵作为模板，采用浸渍有机溶剂浆料的方法制备泡沫陶瓷。其不足之处在于制备过程中使用大量的有机溶剂(40份-170份，按重量计)，而且需要在惰性气氛下进行烧结。

中国专利公告号CN101955371A，公告日是2011年1月26日，名称为“一种闭合气孔泡沫陶瓷的制备方法”中公开了添加高温分解的硫酸钙发泡剂和无机高温氧化碳化硅造孔剂复合造孔的方法制备泡沫陶瓷。其不足之处在于烧结温度较高(1350℃-1400℃)，保温时间长(2h-6h)。

中国专利公告号CN103787691A，公告日是2014年5月14日，名称为“一种氧化铝泡沫陶瓷的制备方法”中公开了以水和环戊烷的混合物作为造孔剂，通过聚醚或聚酯多元醇的聚合反应固化，然后将固化体经开孔处理，最后高温烧结的方法制备泡沫陶瓷。其不足之处是在乙炔和氧气的环境中用电子火点燃进行开孔处理增加了工序，具有一定危险，而且烧结温度高(1650℃)。

中国专利公告号CN102838379A，公告日2012年12月26日，名称为“一种轻质泡沫陶瓷及其制备方法”中公开了先分别制作生料和泡沫，再将生料、固化剂和泡沫按照一定比例混匀，经固化、烧结制备泡沫陶瓷。其不足之处在于生料和泡沫的分开制备使得工序繁琐，且需要加热固化(60℃-90℃)。

可见，现有技术中的泡沫陶瓷的制备方法具有工序复杂、耗能高的问题。

发明内容

本发明提供了一种泡沫陶瓷的制备方法，以解决现有技术中的泡沫陶瓷制备过程中存在的工序复杂、耗能等问题。

本发明提供了一种泡沫陶瓷的制备方法，包括：

步骤1，取丙烯酰胺5-15wt％、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺0.5-5wt％、碱金属盐0.5-3wt％、水40-70wt％，优选地还包括羧甲基纤维素钠0-0.6wt％、在室温下搅拌溶解，优选地所述碱金属盐为钠钾的硫酸盐；其中，丙烯酰胺和N,N’-亚甲基双丙烯酰胺的聚合、交联反应可以在室温下固化坯体，碱金属盐可以降低坯体的烧结温度，羧甲基纤维素钠可以调节浆料的粘度。

步骤2，取陶瓷粉20-45wt％；例如，可以是三氧化二铝、和/或二氧化硅。

步骤3，将步骤1和2中的各组分混合后球磨制得浆料；例如，球磨4h。

步骤4，称取100-200g浆料，向其中加入：阳离子表面活性剂1.0-5.0g、阴离子表面活性剂0.2-1.0g；

步骤5，将上述浆料置于密闭容器中，通入氮气排尽容器中的空气，然后低速搅拌2min，加入引发剂0.1-2ml，再低速搅拌2min，加入催化剂0.01-1.00ml，再高速搅拌2-15min；

步骤6，待步骤5处理后的物质凝胶成坯体后，将坯体取出，并室温干燥；

步骤7，烧结。

本发明采用机械搅拌的直接发泡法制备泡沫陶瓷，浆料的制备、发泡和固化连续完成，制备过程中所用溶剂为纯水，机械搅拌发泡中用阴阳离子表面活性剂互配来提高起泡性和泡沫稳定性，通过丙烯酰胺和N,N’-亚甲基双丙烯酰胺的交联聚合在室温下固化坯体，干燥坯体在空气氛围中即可以较低温度进行烧结(900-1100℃)，因而简化了工序、降低了耗能。

可见，本发明从原料配比和制备加工工艺两方面入手，实现了一种工序简单、节能环保的泡沫陶瓷制备方法。该方法可以实现高气孔率，从而，用该方法制备的泡沫陶瓷不仅具有传统陶瓷制品强度高，耐高温，耐酸碱腐蚀，耐有机溶剂腐蚀等特点，还有密度小的特点。而且该方法适用于多种陶瓷原料，如二氧化硅，三氧化二铝，容易实现规模化生产。

优选地，步骤2中，所述陶瓷粉可以是单组份的，也可以是多组分的。

优选地，步骤4中，所述阳离子表面活性剂为十二烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基溴化铵中的一种或两种；所述阴离子表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠中的一种或两种。上述阴离子表面活性剂的起泡性能较好，而阳离子表面活性剂的稳泡性能较好，且四种表面活性剂均已实现规模化生产，为该制备方法的规模化应用提供了条件。

优选地，步骤5中，所述低速搅拌的转速为200-500rpm，所述高速搅拌为的转速1500-3000rpm。

优选地，步骤5中，所述引发剂为质量浓度2％-3％的过硫酸铵溶液，所述催化剂为四甲基乙二胺。

优选地，步骤7中将干燥后的坯体在空气氛围中烧结，具体包括：由室温由升温速率1-5℃/min升温至110℃，并在110℃保持30min；然后，以升温速度0.5-8℃/min升温至450℃；然后，以升温速率2-10℃/min升温至900-1100℃，并保温0.5-2h。

本发明制备的泡沫陶瓷具有强度高，密度小，气孔率高，耐酸碱及有机溶剂腐蚀的特点，成型样品的抗压强度在3MPa以上，密度为0.2-0.6g/cm³，体积气孔率70％-90％。

附图说明

图1是直接发泡法制备的泡沫陶瓷；

图2是直接发泡法制备的泡沫陶瓷的扫描电子显微镜图。

具体实施方式

实施例一

步骤1，取丙烯酰胺15wt％，N,N’-亚甲基双丙烯酰胺5wt％，硫酸钠3wt％，水40％，室温搅拌溶解；

步骤2，取二氧化硅粉末37wt％；

步骤3，将各组分按实验设计配好后倒入球磨机里面球磨4h，取出浆料。称取170g浆料，向浆料中加入试剂，其加入量：十二烷基三甲基溴化铵3g，十二烷基苯磺酸钠0.5g；

步骤4，将上述浆料置于密闭容器中，通入氮气排尽容器中的空气。300rpm搅拌2min，加入质量浓度3％的过硫酸铵溶液1ml，再300rpm搅拌2min，加入四甲基乙二胺0.5ml，再2000rpm搅拌3min；

步骤5，凝胶后取出坯体，室温干燥。

步骤6，干燥后的坯体在空气氛围中烧结。程序升温：室温至110℃，升温速率5℃/min，保持110℃，30min；升温至450℃，升温速度7℃/min；升温至1000℃，升温速率9℃/min，保温1.5h。

泡沫陶瓷的样品如图1，泡沫陶瓷的微观结构如附图2。

实施例二

步骤1，取丙烯酰胺10wt％，N,N′-亚甲基双丙烯酰胺3wt％，硫酸钾3wt％，羧甲基纤维素钠(CMC)0.5wt％，水53.5wt％，室温搅拌溶解；

步骤2，取三氧化二铝30wt％；

步骤3，将各组分按实验设计配好后倒入球磨机里面球磨4h，取出浆料。称取180g浆料，向浆料中加入试剂，其加入量：十六烷基三甲基溴化铵2.5g，十二烷基硫酸钠0.5g；

步骤4，将上述浆料置于密闭容器中，通入氮气排尽容器中的空气。500rpm搅拌2min，加入质量浓度2％的过硫酸铵溶液1ml，再500rpm搅拌2min，加入四甲基乙二胺0.3ml，再3000rpm搅拌9min；

步骤5，凝胶后取出坯体，室温干燥。

步骤6，干燥后的坯体在空气氛围中烧结。程序升温：室温至110℃，升温速率3℃/min，保持110℃，30min；升温至450℃，升温速度5℃/min；升温至1100℃，升温速率8℃/min，保温2h。

实施例三

步骤1，取丙烯酰胺12wt％，N,N′-亚甲基双丙烯酰胺2wt％，硫酸钾2wt％，水44wt％，室温搅拌溶解；

步骤2，取二氧化硅30wt％，三氧化二铝10wt％；

步骤3，将各组分按实验设计配好后倒入球磨机里面球磨4h，取出浆料。称取150g浆料，向浆料中加入试剂，其加入量：十二烷基三甲基溴化铵1.5g，十六烷基三甲基溴化1.0g，十二烷基苯磺酸钠0.3g，十二烷基硫酸钠0.2g；

步骤4，将上述浆料置于密闭容器中，通入氮气排尽容器中的空气。500rpm搅拌2min，加入质量浓度2.5％的过硫酸铵溶液1ml，再500rpm搅拌2min，加入四甲基乙二胺0.3ml，再2800rpm搅拌10min；

步骤5，凝胶后取出坯体，室温干燥。

步骤6，干燥后的坯体在空气氛围中烧结。程序升温：室温至110℃，升温速率2℃/min，保持110℃，30min；升温至450℃，升温速度2℃/min；升温至1020℃，升温速率8℃/min，保温1.5h。

Claims

1.一种泡沫陶瓷的制备方法，其特征在于，包括：

步骤1，取丙烯酰胺5-15wt％、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺0.5-5wt％、碱金属盐0.5-3wt％、水40-70wt％，优选地还包括羧甲基纤维素钠0-0.6wt％，在室温下搅拌溶解，优选地所述碱金属盐为钠钾的硫酸盐；

步骤2，取陶瓷粉20-45wt％；

步骤3，将步骤1和2中的各组分混合后球磨制得浆料；

步骤7，烧结。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中，所述陶瓷粉可以是单组份的，也可以是多组分的。

3.根据权利要求1至2所述的方法，其特征在于，步骤4中，所述阳离子表面活性剂为十二烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基溴化铵中的一种或两种；所述阴离子表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠中的一种或两种。

4.根据权利要求1至3所述的方法，其特征在于，步骤5中，所述低速搅拌的转速为200-500rpm，所述高速搅拌为的转速1500-3000rpm。

5.根据权利要求1至4所述的方法，其特征在于，步骤5中，所述引发剂为质量浓度2％-3％的过硫酸铵溶液，所述催化剂为四甲基乙二胺。

6.根据权利要求1至5所述的方法，其特征在于，步骤7中将干燥后的坯体在空气氛围中烧结，具体包括：

由室温由升温速率1-5℃/min升温至110℃，并在110℃保持30min；

然后，以升温速度0.5-8℃/min升温至450℃；

然后，以升温速率2-10℃/min升温至900-1100℃，并保温0.5-2h。