CN105272339B

CN105272339B - 一种氧化铝通孔陶瓷阀的制备方法

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Publication number: CN105272339B
Application number: CN201510672800.2A
Authority: CN
Inventors: 霍伟荣; 于天来; 梁亚春
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2015-10-13
Filing date: 2015-10-13
Publication date: 2017-10-27
Anticipated expiration: 2035-10-13
Also published as: CN105272339A

Abstract

本发明公开了一种氧化铝通孔陶瓷的制备方法，以氧化铝粉、有机单体、交联剂、分散剂、铝粉以及烧结助剂为原料，加入一定量氨水调节pH值为8.0～9.0的水中，经球磨制得浆料，再向所述浆料中加入引发剂，经成型、干燥、排胶以及烧结过程，制得氧化铝通孔陶瓷阀。本发明提供的氧化铝通孔陶瓷阀的制备方法可制备外形复杂的氧化铝通孔陶瓷阀，且所制备的氧化铝通孔陶瓷阀具有高气孔率、高抗弯强度且通孔分布均匀等优点。

Description

一种氧化铝通孔陶瓷阀的制备方法

技术领域

本发明属于多孔陶瓷材料技术领域，具体涉及一种氧化铝通孔陶瓷阀的制备方法。

背景技术

多孔氧化铝陶瓷具有高强度、高硬度、耐高温、耐腐蚀、化学稳定性好，气孔率高等特点，在化工、环保、生物、能源、冶金等领域得到了广泛应用。应用领域不同对多孔氧化铝陶瓷的性能指标要求也不同。例如作为建筑隔热和耐热材料，要求陶瓷内部的气孔以闭气孔形式存在，闭气孔的存在，使得热传播中的对流减弱，从而降低了其放热效率，同时，由于多孔结构的存在，使得热辐射经过散射、反射和吸附减弱到极限，使得其抗震性能优良、热传导率低而被用于建筑隔热和耐热材料。但作为过滤材料或通气阀的多孔陶瓷对孔径要求较高，除了孔径尺寸及分布均匀性要求外，还要求气孔为通孔。同时，由于多孔陶瓷阀的形状复杂，并需要等净尺寸成型，传统的成型工艺难以满足要求，而凝胶注模成型法是利用有机单体聚合将陶瓷粉料悬浮体原位固化，然后经干燥、排胶、烧结等工艺过程制备形状复杂的近净尺寸陶瓷部件。但现有的技术对通孔气孔率大小、均匀性一致性的控制有限。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题，提供一种氧化铝通孔陶瓷阀的制备方法，该制备方法可制备外形复杂、气孔分布均匀且满足一定机械强度的氧化铝通孔陶瓷阀。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种氧化铝通孔陶瓷的制备方法，以氧化铝粉、有机单体、交联剂、分散剂、铝粉以及烧结助剂为原料，加入一定量的水中，经球磨制得浆料，所述水由氨水调节pH值为8.0～9.0，再向所述浆料中加入引发剂，经成型、干燥、排胶以及烧结过程，制得氧化炉通孔陶瓷阀，其中，氧化铝粉加入量为氧化铝粉与水质量总和的65％～75％，有机单体加入量为氧化铝粉质量的4％～5％，交联剂加入量为有机单体质量的5％～8％，分散剂量加入量为氧化铝粉质量的20％～44％，铝粉加入量为水质量的2％～8％，烧结助剂的加入量为氧化铝粉质量的2.6％～5.2％，引发剂的加入量为浆料体积的0.6％～3.5％。

按照以上方法所述的质量配比，具体包括以下步骤：

(1)制备浆料：取水，使用氨水调节pH值为8.0～9.0，将氧化铝粉、有机单体、交联剂和水混合球磨2～3小时，再加入铝粉和烧结助剂，球磨0.5～1小时后得到悬浮稳定的浆料备用；

(2)成型及干燥：取步骤(1)制得的浆料中，按加入引发剂并混合均匀，采用常规技术注模，注模后在55℃的条件下恒温凝固，1～2小时后脱膜，脱膜后的湿坯在55℃的条件下干燥5小时，然后自然冷却至室温，制得初坯；

(3)排胶：以200～300℃/小时的升温速率，将步骤(2)得到的初坯加热至300～400℃，并在300℃的条件下保温1～2小时。

(4)烧结：在步骤(3)的基础上，以300～400℃/小时的升温速率升温至1250-1300℃，保温1.5～3小时后随炉冷却至常温，制得氧化铝通孔陶瓷阀烧结体。

以上方法中，所述分散剂为木质素磺酸钠。

以上方法中，所述有机单体为丙烯酰胺。

以上方法中，所述交联剂为亚甲基双丙烯酰胺。

以上方法中，所述引发剂为过硫酸铵，其浓度为3mol/L。

以上方法中，所述烧结助剂为二氧化硅和二氧化钛，所述二氧化硅的加入量为氧化铝粉的1.8％～3.6％，所述二氧化钛的加入量为氧化铝粉的0.8％～1.6％。

以上方法中，所述铝粉粒径为40～50μm。

有机单体在引发剂的作用下，和交联剂交联聚合形成三维立体网状聚合物凝胶，从而固定住氧化铝颗粒，并通过氧化铝颗粒和聚合物凝胶相互间的吸附作用而使浆料固定化成型，有机单体的含量对浆料的凝胶固化时间有着直接的影响，但是有机单体的含量不能过高，否则一是浪费、成本增加，二是导致坯体表面有有机单体析出，部分有机单体具有毒性，会影响操作人员的健康，三是过量的有机单体导致坯体内水分难排出，排胶时间增长，坯体开裂，烧结中烧失量增加，因而影响烧结后瓷体的强度。此外，交联剂主要作用是使聚丙烯酰胺交联成三维网络结构，其加入量对坯体的强度有影响，随着交联剂的加入量增加，提供单体交联反应的交联点增多，聚丙烯酰胺线型长链交联成三维网络度增加，因而坯体的强度也提高，但是当聚丙烯酰胺全部交联成三维网络后，交联剂的增加不能进一步提高网络的交联度，因此也就不能增加坯体的强度，相反，由于交联剂的过量引入，过量的交联剂使三维网络的空隙增大，导致坯体的强度降低。经本发明人大量的实验研究发现，当有机单体的含量为氧化铝粉的4％～5％，交联剂加入量为有机单体质量的5％～8％，浆料固化成型时间较短，且制备的氧化铝通孔陶瓷阀强度高。在本发明中，有机单体优选丙烯酰胺，交联剂优选亚甲基双丙烯酰胺。

引发剂的作用是为聚合反应提供自由基，以促进聚合反应的顺利进行。如果引发剂的含量过少，则聚合反应不能充分进行，不但使凝胶固化时间延长，引起颗粒分层，还会大大降低坯体的强度，以致破坏材料的性质，如果引发剂含量过高，将会导致聚合反应加速，浆料迅速固化，这样不利于浆料充填注模，一些未来得及参与反应的引发剂还会残留在坯体中，不但影响坯体的均匀性，还会破坏材料的烧结性能。经过本发明人大量的探索发现，当引发剂的加入量为浆料体积的0.6％～3.5％，且加入后进行快速搅拌均匀，有利于缩短凝胶固化时间，而制备的氧化铝通孔陶瓷阀有较高的强度。本发明中，引发剂优选过硫酸铵，其浓度为3mol/L。

本发明的创新点在于：分散剂采用木质素磺酸钠，而其又可为造孔剂。木质素磺酸的钠盐即为木质素磺酸钠，其是一种天然高分子聚合物，阴离子型表面活性剂，具有很强的分散能力，适于将固体分散在水介质中。此外，本发明中还同时加入铝粉，铝粉在弱碱条件下与水反应，反应产物和未完全反应的铝粉在烧结过程中有利于生成通孔。进一步的，微量氧化铝与加入的烧结助剂二氧化硅和二氧化钛一起在烧结过程中形成玻璃相，而玻璃相有助于降低烧结温度。木质素磺酸钠和铝粉的加入作为本发明的创新点，对制备外形复杂、气孔分布均匀且满足一定机械强度的氧化铝通孔陶瓷阀起到十分重要的作用。

值得说明的是，在浆料的制备过程中，仅仅依靠粉体本身的静电斥力来维持胶体稳定性的作用十分有限，从而限制了浆料的固相含量的提高，加入分散剂可以有效提高其分散性及稳定性，进而提高浆料固相含量。而由于本发明中作为分散剂的木质素磺酸钠还兼做造孔剂，因此加入量比通常作为分散剂时加入量多，经本发明人探索发现，木质素磺酸钠加入量为氧化铝粉质量的20％～44％最为合适。而烧结助剂优选二氧化硅和二氧化钛，二氧化硅的加入量为氧化铝粉的1.8％～3.6％，二氧化钛的加入量为氧化铝粉的0.8％～1.6％。

需要说明的，上述氧化铝粉、丙烯酰胺、亚甲基双丙烯酰胺、木质素磺酸钠、铝粉、过硫酸铵以及二氧化硅和二氧化钛均可以通过普通市场购买获得，对于粒径或其它方面并无特殊要求。在本发明中，氧化铝粉粒径为100～200目，铝粉粒径为40～50μm。此外，在本发明的具体制备步骤中，球磨时间、球磨转速以及保温时间等因素并不影响本发明的核心所在，本发明仅仅给出一个优选的实施时间以及温度范围，在本发明步骤(1)制备浆料中，两次球磨均采用同一个球磨机，其球磨转速采用300r/min。

本发明的有益效果是：本发明提供的氧化铝通孔陶瓷阀的制备方法，采用凝胶注模成型法，大分子链的木质素磺酸钠既作为分散剂同时兼做造孔剂，相较于现有技术，不需要再单独添加发泡剂和稳泡剂，原料成分简化同时使制备过程更加可控；铝粉可以提高气孔率及其均匀性，同时，铝粉和作为烧结助剂的二氧化硅、二氧化钛形成玻璃相可降低烧结温度(1250～1300℃)，降低操作难度，对设备的要求也相应降低。本发明方法可制备外形复杂的氧化铝通孔陶瓷阀，且所制备的氧化铝通孔陶瓷阀具有高气孔率(30％～70％)、高抗弯强度(85～183MPa)且通孔分布均匀(孔径为20～40μm)等优点。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合具体实施例对本发明做进一步的详细说明：

实施例1

(1)制备浆料：取35ml去离子水，滴入氨水调节pH值在8.5附近，称取65g氧化铝陶瓷粉体放入去离子水中，加入13g木质素磺酸钠、3g丙烯酰胺和0.2g亚甲基双丙烯酰胺，充分球磨搅拌3小时，加入0.7g铝粉、1.75g二氧化硅和0.8g二氧化钛，搅拌1小时制得悬浮稳定的浆料备用；

(2)成型及干燥：取35ml制备好的浆料，在此浆料中加入0.2ml浓度为3mol/L的过硫酸铵溶液，快速搅拌后倒入准备好的5个模具中，在55℃烘箱中恒温凝固1小时后脱模，脱模后的湿坯在55℃烘箱中干燥5小时，自然冷却至室温，制得初坯；

(3)排胶：将步骤(2)制得的初坯样品置入高温炉中，以300℃/小时的升温速率，加热至300℃，并在此温度下保温2小时；

(4)烧结：在步骤(3)的基础上，以400℃/小时的升温速率升温至1250℃，保温2小时后随炉冷却至常温，制得氧化铝通孔陶瓷阀烧结体。

所制备的氧化铝通孔陶瓷阀的气孔率为(32±2)％，抗弯强度为(180±3)MPa。

实施例2

(1)制备浆料：取35ml去离子水，滴入氨水调节pH值在8.5附近，称取65g氧化铝陶瓷粉体放入去离子水中，加入28.6g木质素磺酸钠、3g丙烯酰胺和0.2g亚甲基双丙烯酰胺，充分球磨搅拌3小时，加入2.8g铝粉、1.75g二氧化硅和0.8g二氧化钛，搅拌1小时制得悬浮稳定的浆料备用；

(2)成型及干燥：取35ml制备好的浆料，在此浆料中加入0.2ml浓度为3mol/L的过硫酸铵溶液，快速搅拌后倒入准备好的5个模具中，在55℃烘箱中恒温凝固1小时后脱模，脱模后的湿坯在55℃烘箱中干燥5小时，自然冷却到室温，制得初坯；

(4)烧结：再以400℃/小时的升温速率升温至1250℃，保温2小时后随炉冷却至常温，制得氧化铝通孔陶瓷阀烧结体。

所制备的氧化铝通孔陶瓷阀的气孔率为(68±2)％，抗弯强度为(88±3)MPa。

实施例3

(1)制备浆料：取25ml去离子水，滴入氨水调节pH值在9.0附近，称取75g氧化铝陶瓷粉体放入去离子水中，加入15g木质素磺酸钠、3.75g丙烯酰胺和0.28g亚甲基双丙烯酰胺，充分球磨搅拌3小时，加入0.5g铝粉、2.3g二氧化硅和1.1g二氧化钛，搅拌1小时制得悬浮稳定的浆料备用；

(2)成型及干燥：取35ml制备好的浆料，在此浆料中加入0.25ml浓度为3mol/L的过硫酸铵溶液，快速搅拌后倒入准备好的5个模具中，在55℃烘箱中恒温凝固1小时后脱模，脱模后的湿坯在55℃烘箱中干燥5小时，自然冷却至室温，制得初坯；

所制备的氧化铝通孔陶瓷阀的气孔率为(50±2)％，抗弯强度为(133±3)MPa。

实施例4

(1)制备浆料：取25ml去离子水，滴入氨水调节pH值在9.0附近，称取75g氧化铝陶瓷粉体放入去离子水中，加入33g木质素磺酸钠、3.75g丙烯酰胺和0.28g亚甲基双丙烯酰胺，充分球磨搅拌3小时，加入2.0g铝粉、2.3g二氧化硅和1.1g二氧化钛，搅拌1小时制得悬浮稳定的浆料备用；

所制备的氧化铝通孔陶瓷阀的气孔率为(61±2)％，抗弯强度为(153±3)MPa。

实施例5

(1)制备浆料：取30ml去离子水，滴入氨水调节pH值在8.5附近，称取70g氧化铝陶瓷粉体放入去离子水中，加入25g木质素磺酸钠、3.2g丙烯酰胺和0.23g亚甲基双丙烯酰胺，充分球磨搅拌3小时，加入1.5g铝粉、2.1g二氧化硅和1.05g二氧化钛，搅拌1小时制得悬浮稳定的浆料备用；

所制备的氧化铝通孔陶瓷阀的气孔率为(40±2)％，抗弯强度为(178±2)MPa。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种氧化铝通孔陶瓷的制备方法，其特征在于：以氧化铝粉、有机单体、交联剂、分散剂、铝粉以及烧结助剂为原料，加入由氨水调节pH值为8.0～9.0的水中，经球磨制得浆料，再向所述浆料中加入引发剂，经成型、干燥、排胶以及烧结过程，即可制得氧化炉通孔陶瓷阀，其中，氧化铝粉加入量为氧化铝与水质量总和的65％～75％，有机单体加入量为氧化铝粉质量的4％～5％，交联剂加入量为有机单体质量的5％～8％，分散剂量加入量为氧化铝粉质量的20％～44％，铝粉加入量为水质量的2％～8％，烧结助剂的加入量为氧化铝粉质量的2.6％～5.2％，引发剂的加入量为浆料体积的0.6％～3.5％，所述分散剂为木质素磺酸钠。

2.根据权利要求1所述的氧化铝通孔陶瓷的制备方法，其特征在于：按照权利要求1所述的质量配比，具体包括以下步骤：

(2)成型及干燥：取步骤(1)制得的浆料中，加入引发剂并混合均匀，采用常规技术注模，注模后在55℃的条件下恒温凝固，1～2小时后脱膜，脱膜后的湿坯在55℃的条件下干燥5小时，然后自然冷却至室温，制得初坯；

(3)排胶：以200～300℃/小时的升温速率，将步骤(2)得到的初坯加热至300～400℃，并在300℃的条件下保温1～2小时;

3.根据权利要求1或2所述的氧化铝通孔陶瓷的制备方法，其特征在于：所述烧结助剂为二氧化硅和二氧化钛，所述二氧化硅的加入量为氧化铝粉的1.8％～3.6％，所述二氧化钛的加入量为氧化铝粉的0.8％～1.6％。

4.根据权利要求1或2所述的氧化铝通孔陶瓷的制备方法，其特征在于：所述有机单体为丙烯酰胺。

5.根据权利要求1或2所述的氧化铝通孔陶瓷的制备方法，其特征在于：所述交联剂为亚甲基双丙烯酰胺。

6.根据权利要求1或2所述的氧化铝通孔陶瓷的制备方法，其特征在于：所述引发剂为过硫酸铵，其浓度为3mol/L。