CN105645993A - 一种纳米结构刚玉质泡沫陶瓷材料及其制备方法 - Google Patents

一种纳米结构刚玉质泡沫陶瓷材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种纳米结构刚玉质泡沫陶瓷材料及其制备方法，该泡沫陶瓷材料由纳米晶氧化铝、高岭土、纳米晶氧化镁和羟丙基甲基纤维素烧结而成，而纳米晶氧化铝由纳米晶勃姆石煅烧后得到，纳米晶氧化镁由纳米晶氢氧化镁煅烧后得到。本发明以纳米晶氧化铝为主要原料，辅以少量纳米晶氧化镁制成纳米结构的蜂窝陶瓷，具有高温力学性能优异、抗热震性及耐磨性能优良的特点，而纳米氧化铝作为弥散硬质点与纳米晶氧化镁混合后烧结，不仅增强了烧结后材料的高温硬度，同时由于其特殊的尺寸范围，在材料中弥散分布，还能使材料保持较高的韧性，并能够明显抑制材料的脆性断裂、显著提高材料的抗热震性能。

Description

一种纳米结构刚玉质泡沫陶瓷材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及到蜂窝陶瓷材料的生产领域，具体的说是一种纳米结构刚玉质泡沫陶瓷材料及其制备方法。
背景技术
泡沫陶瓷属于多孔陶瓷的一种，是具有三维空间网架结构的高气孔率的多孔陶瓷体。泡沫陶瓷气孔率高达80～90%、比表面积大、抗热震、耐高温、耐化学腐蚀性能好，此外还具有良好的机械强度和过滤吸附性能，可广泛用作催化剂载体、过滤材料、热交换材料、汽车尾气净化及反应塔、吸收塔的化工填料等。西方工业发达国家早在上世纪70年代就已开始了泡沫陶瓷的研制工作，并相继应用于汽车尾气净化、冶金工业熔融态金属过滤及催化剂载体等领域，并取得了非常好的效果。我国开始此项研究工作稍晚，起步于上世纪80年代中期，所研制的泡沫陶瓷也已应用于有色金属过滤、汽车尾气净化等领域。
泡沫陶瓷在上世纪70年代研发初期，仅仅用于细菌过滤材料领域。随着制备技术的发展，各种新材质的应用及多孔结构水平控制的显著提高，泡沫陶瓷极大地拓宽了应用领域。现在应用于泡沫陶瓷的材料有氧化铝、氧化锆、碳化硅、莫来石、堇青石等。具体应用大致有以下几类。
1、过滤器
泡沫陶瓷过滤器由于具有过滤面积大，热震稳定性好、化学稳定性高的优点和良好的抗金属冲刷性能以及过滤效率好的特点，因此在金属熔体过滤净化技术中，可以作为一种新型高效过滤器使用；
2、催化剂载体
泡沫陶瓷因为具有巨大的比表面积而具有良好的吸附能力和活性。如果被覆高效催化剂后，反应物流过泡沫陶瓷孔道时，将大大提高催化效率和反应速率。由于泡沫陶瓷具有比表面积高、热稳定性好、耐磨、不易中毒、低密度等特点，特别作为汽车尾气催化净化器载体已被广泛使用。泡沫陶瓷汽车尾气催化器可以使汽油车排出的烃类、CO、NO有害气体转化成CO2、H2O、N2，转化率可达90%以上；而用在柴油车上，碳粒净化率在50%以上。积满碳粒的泡沫陶瓷滤芯可以采用催化氧化法或电控燃烧法进行再生，达到长期使用的效果；
3、隔热换热材料
存在闭气孔的泡沫陶瓷中，由于减少了热传播过程中的对流，降低了其放热效率，使泡沫陶瓷具有热传导率低，加上其固有的抗热震性能优良等特性，是一种理想的耐热材料。目前，泡沫陶瓷材料是世界上最好的隔热材料，多用于传统的窑炉和高温电炉的内衬。它还被用于航天飞机的外壳隔热。泡沫陶瓷具有巨大的比表面积，在高温条件下，由于热交换面积大，可用作换热材料。如放在加热炉烟道口，炉内高温气体通过泡沫陶瓷进入烟道时进行热交换，把泡沫陶瓷体加热到接近炉内温度。然后，泡沫陶瓷向炉内辐射热能，减少热能散失。此种技术，可节能30%以上；
除此之外，泡沫陶瓷还可用于吸声材料、生物材料、燃烧器，并在扩散、渗透和吸附方面得到应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种纳米结构刚玉质泡沫陶瓷材料及其制备方法，本方法制得的泡沫陶瓷材料可以在较低的温度下烧结，而且还具有优异的高温力学性能、抗热震性能和耐磨性能。
本发明为解决上述技术问题采用的技术方案为：一种纳米结构刚玉质泡沫陶瓷材料，该泡沫陶瓷材料由纳米晶氧化铝、高岭土、纳米晶氧化镁和羟丙基甲基纤维素烧结而成，且各成分的重量百分含量为：纳米晶氧化铝90～95%、高岭土2～5%、纳米晶氧化镁0.5～5%和羟丙基甲基纤维素1～3%；其中，纳米晶氧化铝由纳米晶勃姆石在1100～1300℃温度下煅烧1～3h后得到；纳米晶氧化镁由纳米晶氢氧化镁在350～500℃温度下煅烧20～30min后得到。
所述纳米晶勃姆石煅烧得到纳米晶氧化铝的具体工艺为：纳米晶勃姆石先在500～600℃预烧20min～1h，预烧后以200～400℃/min的降温速率急速冷却至常温，得到纳米氧化铝粉体，然后再将得到的纳米氧化铝粉体在1100～1300℃温度下煅烧1～3h，煅烧结束后以300～500℃/min的降温速率急速冷却至常温，即得到纳米晶氧化铝。
所述纳米晶氢氧化镁在350～500℃温度下煅烧20～30min后，再以200～400℃/min的降温速率急速冷却至常温，即得到纳米晶氧化镁。
上述纳米结构刚玉质泡沫陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：
1）按照上述的比例称取各组成原料并混合，然后向其中加入其总重40～60%的水后粉磨2～3h，得到陶瓷浆料，备用；
2）将步骤1）得到的陶瓷浆料浸渍在聚氨酯泡沫上，并在100～130℃的条件下烘干成粉状，并加工成具有所需要形状和尺寸的陶瓷坯体；
3）将步骤2）得到的陶瓷坯体在1300～1500℃温度下煅烧2～10h，自然冷却后即得到产品。
所述步骤3）中陶瓷坯体在1300～1500℃温度下煅烧时，温度由常温升至1300～1500℃的升温速率为1～5℃/min。
所述纳米晶氢氧化镁的合成方法可以有以下两种：
方法一：按照专利号为200910065165.6、专利名称为一种高纯氢氧化镁纳米晶的制备方法的记载制备出的纳米晶氢氧化镁；
方法二：水热法合成
将水溶性Mg2+溶液在搅拌条件下加入到氢氧化钠溶液中，然后在压力为0.05～0.5MPa、温度为110～151℃的条件下水热反应4～10h，自然冷却后进行陈化，并抽滤得到沉淀，将沉淀清洗、烘干后得到纳米级氢氧化镁晶体；
将得到的纳米级氢氧化镁晶体浸泡在去离子水中6-12h，并超声波震荡0～30min，然后抽滤并在130℃条件下烘干即得到纳米晶氢氧化镁。
本发明中所用的纳米晶勃姆石是依照专利号为201210395756.1、专利名称为一种勃姆石纳米晶或纳米晶须的制备方法的记载制备出的纳米级勃姆石；本发明所述的纳米晶氢氧化镁可以按照专利号为200910065165.6、专利名称为一种高纯氢氧化镁纳米晶的制备方法的记载制备出的纳米晶氢氧化镁，或者是采用水热法合成，水热法合成时所述的水溶性Mg2+溶液是指溶于水中能够离解出Mg2+离子的盐类水溶液，如氯化镁溶液、硝酸镁溶液等。
由于纳米材料本身的颗粒细小，比表面积巨大，因此，极容易出现团聚现象，常规意义上说的纳米材料是在透射电镜（国家标准以透射电镜为准）下显示的单个颗粒为几个到100纳米粒径，但是在马尔文激光粒度仪上显示时基本为几十微米的粒径，究其原因，是因为纳米材料本身的团聚效应，团聚后的纳米材料在外观上显示已经达到几十微米的粒径，这样使得即使加入纳米级的颗粒材料，实际上仍然为微米级，除非经过一系列的处理使团聚的纳米颗粒分散；
本发明中，通过对纳米晶勃姆石进行烧结之后并急速冷却，这样制得的纳米材料并不会出现团聚现象，也就是说，烧结后形成的氧化铝颗粒是处于单个纳米颗粒分散状态，并不会表现出团聚现象，这样就使得其在加入其余物料时仍表现出纳米级颗粒的性质，由于颗粒呈现出纳米级别，因此，在加入后可以认为是仍处于单相体系，不仅弥散性好、分布均匀，而且结合也更加紧密。
本发明中，MgO-Al2O3-CaO-SiO2体系的低共熔温度为1375℃，因此，少量氧化镁及高岭土的引入可以降低高温液相出现的温度，从而降低烧结温度。此外，镁铝尖晶石的硬度为8，氧化镁的引入不仅可以降低烧结温度，促使烧结体致密化，防止晶粒异常长大，并且还不影响最后烧结体的硬度及使用性能；
有益效果：本发明以纳米晶氧化铝为主要原料，辅以少量纳米晶氧化镁，由于制成的泡沫陶瓷具有纳米结构，使得产品高温力学性能优异、抗热震性及耐磨性能优良，而纳米晶氧化铝是通过对纳米级勃姆石进行煅烧、然后急速冷却从而得到呈分散状态的纳米氧化铝，与常规的微米级氧化铝相比，纳米氧化铝作为弥散硬质点与纳米晶氧化镁混合后烧结，不仅增强了烧结后材料的高温硬度，同时由于其特殊的尺寸范围，在材料中弥散分布，还能使材料保持较高的韧性，并能够明显抑制材料的脆性断裂、显著提高材料的抗热震性能。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案进行进一步的阐述，以下各实施例中所用的纳米晶勃姆石是依照专利号为201210395756.1、专利名称为一种勃姆石纳米晶或纳米晶须的制备方法的记载制备出的纳米级勃姆石；所用的纳米晶氢氧化镁可以按照专利号为200910065165.6、专利名称为一种高纯氢氧化镁纳米晶的制备方法的记载制备出的纳米晶氢氧化镁，或者是采用水热法合成，水热法合成时所述的水溶性Mg2+溶液是指溶于水中能够离解出Mg2+离子的盐类水溶液，如氯化镁溶液、硝酸镁溶液等。
实施例1
一种纳米结构刚玉质泡沫陶瓷材料，该泡沫陶瓷材料由纳米晶氧化铝、高岭土、纳米晶氧化镁和羟丙基甲基纤维素烧结而成，且各成分的重量百分含量为：纳米晶氧化铝90%、高岭土2%、纳米晶氧化镁5%和羟丙基甲基纤维素3%；其中，纳米晶氧化铝由纳米晶勃姆石在1100℃温度下煅烧3h后得到；纳米晶氧化镁由纳米晶氢氧化镁在350℃温度下煅烧30min后得到；
所述纳米晶勃姆石煅烧得到纳米晶氧化铝的具体工艺为：纳米晶勃姆石先在500℃预烧1h，预烧后以200℃/min的降温速率急速冷却至常温，得到纳米氧化铝粉体，然后再将得到的纳米氧化铝粉体在1100℃温度下煅烧3h，煅烧结束后以300℃/min的降温速率急速冷却至常温，即得到纳米晶氧化铝；
所述纳米晶氢氧化镁在350℃温度下煅烧30min后，再以200℃/min的降温速率急速冷却至常温，即得到纳米晶氧化镁。
上述纳米结构刚玉质泡沫陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：
1）按照上述的比例称取各组成原料并混合，然后向其中加入其总重40%的水后粉磨3h，得到陶瓷浆料，备用；
2）将步骤1）得到的陶瓷浆料浸渍在聚氨酯泡沫上，并在100℃的条件下烘干成粉状，并加工成具有所需要形状和尺寸的陶瓷坯体；
3）将步骤2）得到的陶瓷坯体在1300℃温度下煅烧10h，自然冷却后即得到产品。
以上为本实施例的基本实施方式，可在以上基础上做进一步的限定：
如，所述步骤3）中陶瓷坯体在1300℃温度下煅烧时，温度由常温升至1300℃的升温速率为1℃/min；
又如，所述纳米晶氢氧化镁的合成方法可以有以下两种：
方法一：按照专利号为200910065165.6、专利名称为一种高纯氢氧化镁纳米晶的制备方法的记载制备出的纳米晶氢氧化镁；
方法二：水热法合成
将水溶性Mg2+溶液在搅拌条件下加入到氢氧化钠溶液中，然后在压力为0.05MPa、温度为110℃的条件下水热反应10h，自然冷却后进行陈化，并抽滤得到沉淀，将沉淀清洗、烘干后得到纳米级氢氧化镁晶体；
将得到的纳米级氢氧化镁晶体浸泡在去离子水中6h，并超声波震荡30min，然后抽滤并在130℃条件下烘干即得到纳米晶氢氧化镁。
实施例2
一种纳米结构刚玉质泡沫陶瓷材料，该泡沫陶瓷材料由纳米晶氧化铝、高岭土、纳米晶氧化镁和羟丙基甲基纤维素烧结而成，且各成分的重量百分含量为：纳米晶氧化铝95%、高岭土2%、纳米晶氧化镁2%和羟丙基甲基纤维素1%；其中，纳米晶氧化铝由纳米晶勃姆石在1300℃温度下煅烧1h后得到；纳米晶氧化镁由纳米晶氢氧化镁在500℃温度下煅烧20min后得到；
所述纳米晶勃姆石煅烧得到纳米晶氧化铝的具体工艺为：纳米晶勃姆石先在600℃预烧20min，预烧后以400℃/min的降温速率急速冷却至常温，得到纳米氧化铝粉体，然后再将得到的纳米氧化铝粉体在1300℃温度下煅烧1h，煅烧结束后以500℃/min的降温速率急速冷却至常温，即得到纳米晶氧化铝；
所述纳米晶氢氧化镁在500℃温度下煅烧20min后，再以400℃/min的降温速率急速冷却至常温，即得到纳米晶氧化镁。
上述纳米结构刚玉质泡沫陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：
1）按照上述的比例称取各组成原料并混合，然后向其中加入其总重60%的水后粉磨2h，得到陶瓷浆料，备用；
2）将步骤1）得到的陶瓷浆料浸渍在聚氨酯泡沫上，并在130℃的条件下烘干成粉状，并加工成具有所需要形状和尺寸的陶瓷坯体；
3）将步骤2）得到的陶瓷坯体在1500℃温度下煅烧2h，自然冷却后即得到产品。
以上为本实施例的基本实施方式，可在以上基础上做进一步的限定：
如，所述步骤3）中陶瓷坯体在1500℃温度下煅烧时，温度由常温升至1500℃的升温速率为5℃/min；
又如，所述纳米晶氢氧化镁的合成方法可以有以下两种：
方法一：按照专利号为200910065165.6、专利名称为一种高纯氢氧化镁纳米晶的制备方法的记载制备出的纳米晶氢氧化镁；
方法二：水热法合成
将水溶性Mg2+溶液在搅拌条件下加入到氢氧化钠溶液中，然后在压力为0.5MPa、温度为151℃的条件下水热反应4h，自然冷却后进行陈化，并抽滤得到沉淀，将沉淀清洗、烘干后得到纳米级氢氧化镁晶体；
将得到的纳米级氢氧化镁晶体浸泡在去离子水中12h，然后抽滤并在130℃条件下烘干即得到纳米晶氢氧化镁。
实施例3
一种纳米结构刚玉质泡沫陶瓷材料，该泡沫陶瓷材料由纳米晶氧化铝、高岭土、纳米晶氧化镁和羟丙基甲基纤维素烧结而成，且各成分的重量百分含量为：纳米晶氧化铝92.5%、高岭土5%、纳米晶氧化镁0.5%和羟丙基甲基纤维素2%；其中，纳米晶氧化铝由纳米晶勃姆石在1200℃温度下煅烧2h后得到；纳米晶氧化镁由纳米晶氢氧化镁在425℃温度下煅烧25min后得到；
所述纳米晶勃姆石煅烧得到纳米晶氧化铝的具体工艺为：纳米晶勃姆石先在550℃预烧40min，预烧后以300℃/min的降温速率急速冷却至常温，得到纳米氧化铝粉体，然后再将得到的纳米氧化铝粉体在1200℃温度下煅烧2h，煅烧结束后以400℃/min的降温速率急速冷却至常温，即得到纳米晶氧化铝；
所述纳米晶氢氧化镁在425℃温度下煅烧25min后，再以300℃/min的降温速率急速冷却至常温，即得到纳米晶氧化镁。
上述纳米结构刚玉质泡沫陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：
1）按照上述的比例称取各组成原料并混合，然后向其中加入其总重50%的水后粉磨2.5h，得到陶瓷浆料，备用；
2）将步骤1）得到的陶瓷浆料浸渍在聚氨酯泡沫上，并在115℃的条件下烘干成粉状，并加工成具有所需要形状和尺寸的陶瓷坯体；
3）将步骤2）得到的陶瓷坯体在1400℃温度下煅烧6h，自然冷却后即得到产品。
以上为本实施例的基本实施方式，可在以上基础上做进一步的限定：
如，所述步骤3）中陶瓷坯体在1400℃温度下煅烧时，温度由常温升至1400℃的升温速率为3℃/min；
又如，所述纳米晶氢氧化镁的合成方法可以有以下两种：
方法一：按照专利号为200910065165.6、专利名称为一种高纯氢氧化镁纳米晶的制备方法的记载制备出的纳米晶氢氧化镁；
方法二：水热法合成
将水溶性Mg2+溶液在搅拌条件下加入到氢氧化钠溶液中，然后在压力为0.3MPa、温度为130℃的条件下水热反应7h，自然冷却后进行陈化，并抽滤得到沉淀，将沉淀清洗、烘干后得到纳米级氢氧化镁晶体；
将得到的纳米级氢氧化镁晶体浸泡在去离子水中9h，并超声波震荡15min，然后抽滤并在130℃条件下烘干即得到纳米晶氢氧化镁。
实施例4
一种纳米结构刚玉质泡沫陶瓷材料，该泡沫陶瓷材料由纳米晶氧化铝、高岭土、纳米晶氧化镁和羟丙基甲基纤维素烧结而成，且各成分的重量百分含量为：纳米晶氧化铝90%、高岭土3.5%、纳米晶氧化镁3.5%和羟丙基甲基纤维素3%；其中，纳米晶氧化铝由纳米晶勃姆石在1300℃温度下煅烧3h后得到；纳米晶氧化镁由纳米晶氢氧化镁在350℃温度下煅烧20min后得到；
其制备方法如上。

Claims (5)

1.一种纳米结构刚玉质泡沫陶瓷材料，其特征在于：该泡沫陶瓷材料由纳米晶氧化铝、高岭土、纳米晶氧化镁和羟丙基甲基纤维素烧结而成，且各成分的重量百分含量为：纳米晶氧化铝90～95%、高岭土2～5%、纳米晶氧化镁0.5～5%和羟丙基甲基纤维素1～3%；其中，纳米晶氧化铝由纳米晶勃姆石在1100～1300℃温度下煅烧1～3h后得到；纳米晶氧化镁由纳米晶氢氧化镁在350～500℃温度下煅烧20～30min后得到。
2.根据权利要求1所述的一种纳米结构刚玉质泡沫陶瓷材料，其特征在于，所述纳米晶勃姆石煅烧得到纳米晶氧化铝的具体工艺为：纳米晶勃姆石先在500～600℃预烧20min～1h，预烧后以200～400℃/min的降温速率急速冷却至常温，得到纳米氧化铝粉体，然后再将得到的纳米氧化铝粉体在1100～1300℃温度下煅烧1～3h，煅烧结束后以300～500℃/min的降温速率急速冷却至常温，即得到纳米晶氧化铝。
3.根据权利要求1所述的一种纳米结构刚玉质泡沫陶瓷材料，其特征在于，所述纳米晶氢氧化镁在350～500℃温度下煅烧20～30min后，再以200～400℃/min的降温速率急速冷却至常温，即得到纳米晶氧化镁。
4.根据权利要求1所述的一种纳米结构刚玉质泡沫陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）按照权利要求1所述的比例称取各组成原料并混合，然后向其中加入其总重40～60%的水后粉磨2～3h，得到陶瓷浆料，备用；
2）将步骤1）得到的陶瓷浆料浸渍在聚氨酯泡沫上，并在100～130℃的条件下烘干成粉状，并加工成具有所需要形状和尺寸的陶瓷坯体；
3）将步骤2）得到的陶瓷坯体在1300～1500℃温度下煅烧2～10h，自然冷却后即得到产品。
5.根据权利要求1所述的一种纳米结构刚玉质泡沫陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述步骤3）中陶瓷坯体在1300～1500℃温度下煅烧时，温度由常温升至1300～1500℃的升温速率为1～5℃/min。
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