CN105884394A - 一种低温制备多孔碳化硅支撑体的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低温制备多孔碳化硅(SiC)多孔支撑体的方法。使用十二烷基苯磺酸钠(SDBS)和ZrO2作为烧结助剂，活性炭粉作为造孔剂，碳化硅粉体为骨料混合均匀，通过干压成型得到胚体，经烘箱干燥后，按烧结温度进行烧结，在1150℃左右即制备出碳化硅支撑体。该方法可降低烧结温度，能够节约能耗。本发明制备出来的支撑体具有高强度、高气体渗透性能、优良的化学稳定性，在高温烟气除尘、废水处理等方面具有很广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于多孔陶瓷材料技术领域，具体涉及一种低温制备多孔碳化硅支撑体的方法。
背景技术
多孔碳化硅具有耐高温、耐腐蚀性、热稳定性好、强度高等优点，在高温气体除尘、废水水处理等领域具有很大的应用前景。由于碳化硅陶瓷制备过程中所需的烧结温度过高，通常需要2000℃以上[Agnieszka G,Ludoslaw S,PawelL.J Eur Ceram Soc,2007；27(2-3):781-9]，导致其制备成本较高，限制了其规模化应用，因此在低温下制备出具有高渗透性能的多孔碳化硅陶瓷是目前亟待解决的问题。
为了降低陶瓷的烧结温度，通常使用的方法是添加烧结助剂法，通过在陶瓷骨料中加入金属氧化物，使其与碳化硅在较低温度下即反应烧结形成颈部连接，达到降低烧结温度的目的[Phys Eng Aspect,179,2001:201—208]。金志浩等[西南交通大学学报，2006，36(9)：971-974]采用SiO2、Al2O3、MgO、CaO等烧结助剂在1530-1600℃下制备碳化硅陶瓷材料。Young-Il Lee[J Mater Sci 2004；39(11):3801-3803]通过添加Al2O3、Y2O3、CaO等烧结助剂在1550-1750℃下制备碳化硅陶瓷材料。还有一种方法为先驱体转化法，通过采用含硅、碳等元素的聚合物，对其进行热处理使其裂解，通过调节热解温度、气氛来调节孔结构，成型出各种形状的陶瓷(J Eur Ceram Soc 2012,32:477-484)。Zeschky等人以聚倍半硅氧烷为原料，使其在1000℃热解得到硅氧碳多孔陶瓷(ActaMater.,2005,53:927-937)。但此类方法原料价格高昂，导致制备成本高，从而限制了其大规模应用。常用的烧结助剂有氧化铝、氧化锆等。氧化锆作为一种常见的无机金属氧化物，其化学稳定性好，耐腐蚀性强，添加氧化锆后陶瓷的烧结温度约为1550℃[Ind Eng Chem Res2015,54(1):226-32]。而1550℃的烧结温度仍能带来较大的能耗，因此在更低的温度下使得陶瓷烧结成型是目前面临的一大问题。
发明内容
本发明的目的在于实现低温制备多孔碳化硅支撑体，得到高温气体除尘碳化硅支撑体材料。本发明通过使用十二烷基苯磺酸钠以及氧化锆作为烧结助剂，降低了烧结温度。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种低温制备多孔碳化硅支撑体的方法，制备步骤如下：
(1)按一定比例配制混合粉体a，混合粉体a包括：碳化硅骨料、烧结助剂、造孔剂，并将其均匀混合；
(2)在混合粉体a中加入用于颗粒粘结的高分子聚合物造粒，使用干压法制备出一定形状尺寸的支撑体坯体，烘干，最终得到干燥后的坯体b；
(3)将坯体b按照一定的升温程序放入高温电炉中进行烧结，得到多孔碳化硅支撑体。
其中：
步骤(1)所述混合粉体a中烧结助剂为十二烷基苯磺酸钠和氧化锆，造孔剂为活性炭粉作，步骤(2)所述用于颗粒粘结的高分子聚合物为聚乙烯醇溶液。
步骤(1)所述的混合粉体a按质量配比为：氧化锆5-10％，活性炭粉为0-20％，十二烷基苯磺酸钠为4-8％，剩余的为碳化硅。
步骤(2)所述的聚乙烯醇溶液添加量为混合粉体质量的1-4％，所述的聚乙烯醇溶液的质量浓度为5-10％。
步骤(2)所述的烘干温度为60-90℃，烘干时间为60-90min。
步骤(3)所述的升温程序为0-100℃时，以1℃/min升温至100℃，保温1-2h，然后以2-3℃/min升温至500℃，保温1-3h，然后以2-3℃/min升温至900℃，从900℃开始，以1℃/min的速率升温至1100-1150℃，保温4-6h，之后自然降温。
所述的压制支撑体坯体b有平板状或管状。
所述碳化硅粉料的平均粒径为50-100μm，氧化锆粉体的平均粒径为2-5μm，活性炭粉的平均粒径为10-20μm。
本发明制备的多孔碳化硅支撑体材料应用于高温烟气除尘领域。其制备原理在于，利用颗粒堆积法以及加入造孔剂，制备出高气体渗透性能的多孔材料，利用烧结助剂加入陶瓷骨料之间，其与骨料在较低温度就能发生反应形成颈部连接，使陶瓷具有一定的强度，达到了降低陶瓷烧结温度的目的。
测试分析：试样的孔隙率采用阿基米德排水法测定，抗弯强度采用三点抗弯强度仪表征，微观结构采用扫描电子显微镜表征。
本发明的有益效果：
1)可降低烧结温度，节约能耗，1150℃的烧结温度即可获得高强度的碳化硅支撑体；
2)低温制备的多孔碳化硅具有良好的气体渗透性能和化学稳定性，可以应用于高温气体除尘。
附图说明
图1是本发明低温制备多孔碳化硅支撑体的工艺流程图。
图2是实施例5和对比例制备所得的多孔碳化硅支撑体的SEM图，(A)为未加十二烷基苯磺酸钠的对比例样品1，(B)为加入8％十二烷基苯磺酸钠的实施例5样品。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做更进一步地解释，下列实施例仅用于说明本发明，但并不用来限定本发明的实施范围。
实施例1
按质量比计算，将4％的十二烷基苯磺酸钠(SDBS)粉体、10％的2μm氧化锆和86％的100μm碳化硅粉体均匀混合。加入混合粉体质量1％的质量浓度为10％的聚乙烯醇(PVA)水溶液拌充分混合均匀，然后将混合好的粉料采用挤压法制备出管状的多孔碳化硅支撑体坯体。将压好的支撑体素坯放在60℃的烘箱中干燥60min，然后将其放入高温电炉中以1℃/min升温到100℃，保温1h，再以2℃/min升温到500℃并保温1h，然后再以2℃/min升温到900℃，接着以1℃/min升温到1150℃，并保温4h，之后自然降温。
测试结果是：制得的多孔碳化硅支撑体孔隙率是27.7％，抗弯强度为13.6MPa。
实施例2
按质量比计算，将8％的SDBS粉体、10％的20μm活性炭粉、10％的4μm氧化锆和72％的100μm碳化硅粉体均匀混合。加入混合粉体质量3％的质量浓度为8％的PVA水溶液拌充分混合均匀，然后将混合好的粉料采用挤压法制备出管状的多孔碳化硅支撑体坯体。将压好的支撑体素坯放在90℃的烘箱中干燥70min，然后将其放入高温电炉中以1℃/min升温到100℃，保温2h，再以2℃/min升温到500℃并保温2h，然后再以2℃/min升温到900℃，接着以1℃/min升温到1150℃，并保温5h，之后自然降温。
测试结果是：制得的多孔碳化硅支撑体孔隙率是40.7％，抗弯强度为27.57MPa。
实施例3
按质量比计算，将8％的SDBS粉体、15％的10μm活性炭粉、5％的5μm氧化锆和72％的50μm碳化硅粉体均匀混合。加入3％的质量分数为8％的PVA水溶液拌充分混合均匀，然后将混合好的粉料采用挤压法制备出平板状的多孔碳化硅支撑体坯体。将压好的支撑体素坯放在90℃的烘箱中干燥80min，然后将其放入高温电炉中以1℃/min升温到100℃，保温2h，再以3℃/min升温到500℃并保温3h，然后再以3℃/min升温到900℃，接着以1℃/min升温到1150℃，并保温5h，之后自然降温。
测试结果是：制得的多孔碳化硅支撑体孔隙率是43.7％，抗弯强度为21.3MPa。
实施例4
按质量比计算，将8％的SDBS粉体、20％的10μm活性炭粉、10％的5μm氧化锆和62％的100μm碳化硅粉体均匀混合。加入混合粉体质量3％的质量分数为8％的PVA水溶液拌充分混合均匀，然后将混合好的粉料采用挤压法制备出平板状的多孔碳化硅支撑体坯体。将压好的支撑体素坯放在70℃的烘箱中干燥90min，然后将其放入高温电炉中以1℃/min升温到100℃，保温2h，再以3℃/min升温到500℃并保温3h，然后再以3℃/min升温到900℃，接着以1℃/min升温到1100℃，并保温6h，之后自然降温。
测试结果是：制得的多孔碳化硅支撑体孔隙率是46.2％，抗弯强度为11.9MPa。
实施例5
按质量比计算，将8％的SDBS粉体、20％的20μm活性炭粉、10％的5μm氧化锆和62％的100μm碳化硅粉体均匀混合。加入混合粉体质量4％的质量分数为5％的PVA水溶液拌充分混合均匀，然后将混合好的粉料采用挤压法制备出管状的多孔碳化硅支撑体坯体。将压好的支撑体素坯放在90℃的烘箱中干燥80min，然后将其放入高温电炉中以1℃/min升温到100℃，保温2h，再以2℃/min升温到300℃，然后以1℃/min升温到500℃，并保温3h，然后再以1℃/min直接升温到1150℃，并保温5h，之后自然降温。
测试结果是：制得的多孔碳化硅支撑体孔隙率是46.1％，抗弯强度为15.1MPa。
对比例1
不添加十二烷基苯磺酸钠的性能比较。
按照实施例5的方法制备不含十二烷基苯磺酸钠的多孔碳化硅支撑体。在对比例中，不添加十二烷基苯磺酸钠，其在1150℃的烧结温度下不成型，制得的样品标记为对比样品1。将烧结温度提高至1550℃，制得的样品标记为对比样品2。实施例5与对比例制备所得两种样品的表征结果如下：
表1 实施例5与对比例样品表征结果对比
表1结果表明，不含SDBS的样品烧结温度需要达到1550℃，而且含SDBS的样品抗弯强度大于不含SDBS的样品。由此可见，在支撑体粉料中添加SDBS，不仅可以降低其烧结温度，而且可以增加陶瓷的强度。
由图2可知，(A)为未加十二烷基苯磺酸钠的对比例样品1，(B)为加入8％十二烷基苯磺酸钠的实施例5样品。不添加十二烷基苯磺酸钠时制备的支撑体材料，粉料颗粒之间无法在较低温度下发生反应形成连接，从而导致陶瓷不成型。添加了8％十二烷基苯磺酸钠制备的陶瓷材料，粉料颗粒之间可以发生反应形成牢固的颈部连接，从而使得陶瓷具有较高的强度。
Claims (8)
1.一种低温制备多孔碳化硅支撑体的方法，其特征在于，制备步骤如下：
(1)按一定比例配制混合粉体a，混合粉体a包括：碳化硅骨料、烧结助剂、造孔剂，并将其均匀混合；
(2)在混合粉体a中加入用于颗粒粘结的高分子聚合物造粒，使用干压法制备出一定形状尺寸的陶瓷坯体，烘干，得到干燥后的坯体b；
(3)将坯体b放入高温电炉中，按照一定的升温程序进行烧结，得到多孔碳化硅支撑体。
2.根据权利要求1所述的低温制备多孔碳化硅支撑体的方法，其特征在于，步骤(1)所述混合粉体a中烧结助剂为十二烷基苯磺酸钠和氧化锆，造孔剂为活性炭粉，步骤(2)所述用于颗粒粘结的高分子聚合物为聚乙烯醇溶液。
3.根据权利要求2所述的低温制备多孔碳化硅支撑体的方法，其特征在于，步骤(1)所述的混合粉体a按各成分的质量配比为：氧化锆5-10％，活性炭粉为0-20％，十二烷基苯磺酸钠为4-8％，剩余的为碳化硅粉料。
4.根据权利要求3所述的低温制备多孔碳化硅支撑体的方法，其特征在于，所述碳化硅粉料的平均粒径为50-100μm，氧化锆粉体的平均粒径为2-5μm，活性炭粉的平均粒径为10-20μm。
5.根据权利要求2所述的低温制备多孔碳化硅支撑体的方法，其特征在于，步骤(2)所述的聚乙烯醇溶液添加量为混合粉体质量的1-4％，所述的聚乙烯醇溶液的质量浓度为5-10％。
6.根据权利要求1所述的低温制备多孔碳化硅支撑体的方法，其特征在于，步骤(2)所述的烘干温度为60-90℃，烘干时间为60-90min。
7.根据权利要求1所述的低温制备多孔碳化硅支撑体的方法，其特征在于，步骤(3)所述的升温程序为0-100℃时，以1℃/min升温至100℃，保温1-2h，然后以2-3℃/min升温至500℃，保温1-3h，然后以2-3℃/min升温至900℃，从900℃开始，以1℃/min的速率升温至1100-1150℃，保温4-6h，之后自然降温。
8.根据权利要求1所述的低温制备多孔碳化硅支撑体的方法，其特征在于，所述的压制支撑体坯体b有平板状或管状。
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