CN107324808A - 无机非金属材料的增强方法及用于增强碳化硅陶瓷的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于材料学技术领域，具体涉及一种无机非金属材料的增强方法及用于增强碳化硅陶瓷的方法，该增强方法包括以下步骤：1)制备聚合反应预混料，所述聚合反应预混料包括有机单体以及有机单体发生聚合反应所需的助剂；2)将聚合反应预混料填充入无机非金属材料坯体的孔隙内；3)调控参数条件使无机非金属材料坯体的孔隙内填充的聚合反应预混料发生聚合反应生成有机高分子材料。本发明采用了将高分子材料的小分子有机单体填充在无机非金属材料坯体的孔隙内，然后以孔隙作为反应位点，控制条件使有机单体发生原位聚合反应生成高分子聚合物，从而起到了材料原位增强的作用。

Description

无机非金属材料的增强方法及用于增强碳化硅陶瓷的方法

技术领域

本发明属于材料学技术领域，具体涉及一种无机非金属材料的增强方法及用于增强碳化硅陶瓷的方法。

背景技术

无机非金属材料是与有机高分子材料和金属材料并列的三大材料之一，主要是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材料。水泥是一种应用最为广泛，也最为常见的无机非金属材料。传统意义上的水泥一般指的是由硅酸盐、铝酸盐或者磷酸盐等组分构成的一类粉状水硬性无机胶凝材料，主要应用于土木建筑、水利、国防等工程建设领域中。除了水硬性的传统水泥以外，还有氯氧镁水泥、硫氧镁水泥、磷氧镁水泥等。其中使用较多的是以氧化镁为胶结剂、氯化镁作为调和剂的镁水泥，它是一种气硬性无机胶凝材料，主要用于制作景观类、装饰类建筑材料或者用于生产工艺品、包装材料、交通设施等。由于材料自身特性以及生产工艺条件的限制，以水泥为代表的无机非金属材料在加工成型后通常存在一定的孔隙度，在常规的使用环境下不会对使用性能带来过多影响，但是当应用在较为恶劣的气候环境中时，材料内部的高孔隙度将带来难以忽视的负面影响。例如，在气候较为湿润的地区，采用镁水泥制作的装饰类墙砖、地砖以及旅游景区内的人造景观等设施通常会出现水分通过表面孔隙向内部渗透的现象，而当温差变化较大时，渗透入材料内部的水分会因结冰而发生体积膨胀，久而久之，便会导致材料强度下降，严重的还会出现局部裂纹甚至整体破碎失效。

发明内容

本发明目的是提供一种无机非金属材料的增强方法及用于增强碳化硅陶瓷的方法，解决了现有的无机非金属材料因孔隙度较高而导致强度性能下降的技术问题。

本发明的技术解决方案是：一种无机非金属材料的增强方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)制备聚合反应预混料，所述聚合反应预混料包括有机单体以及能够促进单体发生聚合反应所需的助剂；

2)将聚合反应预混料填充入无机非金属材料坯体的孔隙内；

3)调控参数条件使无机非金属材料坯体的孔隙内填充的聚合反应预混料发生聚合反应生成有机高分子材料。

进一步地，步骤2)的实现方式是：在无机非金属材料坯体的表面喷涂聚合反应预混料。

进一步地，步骤2)的实现方式是：先在负压条件下除去无机非金属材料坯体孔隙内的气体；再将聚合反应预混料加压浸入无机非金属材料坯体孔隙中。

进一步地，步骤1)中所述的助剂包括引发剂、表面活性剂和催化剂。

进一步地，步骤1)中所述的助剂还包括树脂。

进一步地，步骤1)中所述的有机单体为烯烃类(如苯乙烯)、不饱和羧酸类(如丙烯酸)和丙烯酸酯类(如丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯)材料中的一种或多种的混合。

本发明还提供一种用于增强碳化硅陶瓷的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)制备聚合反应预混料

将有机单体以及有机单体发生聚合反应所需的助剂混合均匀后形成聚合反应预混料；

2)碳化硅陶瓷预处理

将制作碳化硅陶瓷的生坯在保护性气氛下进行预烧，烧制得到碳化硅陶瓷熟坯；

3)浸液

将聚合反应预混料填充浸满碳化硅陶瓷熟坯的孔隙；

4)调控参数条件使碳化硅陶瓷熟坯的孔隙内填充的聚合反应预混料发生聚合反应生成有机高分子聚合物，把碳化硅陶瓷熟坯制成碳化硅陶瓷素坯。

5)烧制碳化硅陶瓷

将碳化硅陶瓷素坯与硅粉一起在保护性气氛下进行高温烧制得到碳化硅陶瓷制品。

进一步地，步骤2)中的预烧温度高于500℃。

进一步地，步骤2)中的预烧温度高于1700℃。

进一步地，步骤3)包括以下步骤：

3.1)将烧制的碳化硅陶瓷熟坯放置在浸液腔内，使用真空设备使浸液腔内形成负压环境，排除浸液腔内及碳化硅陶瓷熟坯孔隙里的气体；

3.2)向浸液腔内注入聚合反应预混料，使聚合反应预混料全部淹没碳化硅陶瓷熟坯；

3.3)加压使聚合反应预混料浸入并且浸满碳化硅陶瓷熟坯的孔隙。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明通过将小分子的单体和有关助剂组成的聚合反应预混料填充至无机非金属材料坯体的孔隙内，在调控温度、压力等参数条件后，使孔隙内的聚合反应预混料发生聚合反应生成有机高分子材料，有效地降低了无机非金属材料坯体内的孔隙度，提高了材料强度，降低了材料使用过程中出现局部裂纹甚至整体断裂失效的风险。

(2)高分子材料本身分子量较大，因此无法填充无机非金属材料坯体的小尺寸空隙。本发明采用了将高分子材料的小分子有机单体填充在无机非金属材料坯体的孔隙内，然后以孔隙作为反应位点，控制条件使有机单体发生原位聚合反应生成高分子聚合物，从而起到了材料原位增强的作用。

(3)本发明利用有机高分子材料的均匀填充作用提高了无机非金属材料表面的光洁度和美观度。

(4)本发明利用有机高分子材料对无机非金属材料内的游离态小分子单元产生锚固作用，防止其游离析出，因而保证了稳定的材料性能。

具体实施方式

实施例一

本实施例为针对镁水泥的材料增强方法：

1、配制聚合反应预混料

取重量为W的有机单体甲基丙烯酸甲酯；

取重量为1.5％W的助剂偶氮二异丁腈；

将二者混合均匀后形成聚合反应预混料。

2、浸液工序

将镁水泥材料制成的坯体放置在喷涂腔内；

将聚合反应预混料喷涂在镁水泥材料制成的坯体表面；静置一段时间后，镁水泥材料坯体通过表面孔隙将聚合反应预混料吸附入坯体内部，然后再次喷涂。如此逐层反复喷涂多次后完成浸液工序。

3、升温制成产品

将浸好聚合反应预混料液的镁水泥材料坯体放置入成型腔内；

向成型腔内注入保护气体排出氧气；

将成型腔内的温度缓慢升温到85℃至95℃之间，并保温2小时；使镁水泥材料坯体内吸附的甲基丙烯酸甲酯完全发生本体聚合反应，生成聚甲基丙烯酸甲酯。

将温度降至常温，取出制品，再进行表面处理后完成制作。

采用该方法制得的制品，可以避免因材料吸水和环境温差变化而导致的材料碎裂，因而有效提高了镁水泥材料制品的强度和使用寿命。另外聚甲基丙烯酸甲酯的渗入可以提高镁水泥材料制品的表面光洁度，提高了其作为装饰景观类材料的美观性。

实施例二

本实施例为针对碳化硅陶瓷的材料增强方法：

1、配制聚合反应预混料

取重量为Q的单体苯乙烯和重量为W的单体甲基丙烯酸甲酯；

取苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯二者之和重量的1％～2％的助剂偶氮二异丁腈；

将三者混合均匀后形成聚合反应预混料。

2、碳化硅陶瓷预处理

将制作碳化硅陶瓷的生坯放置入烧结炉内，在保护气体的保护下将烧结炉内升温至500℃以上预烧，使生坯里的有机物全部碳化，烧制成碳化硅陶瓷熟坯。

3、浸液工序

将烧制的碳化硅陶瓷熟坯放置在浸液腔内；使用真空设备使浸液腔内形成负压环境，排除浸液腔内及碳化硅陶瓷熟坯孔隙里的气体；

关闭真空设备连接阀门，打开聚合反应预混料注入阀门，注入聚合反应预混料，使聚合反应预混料全部淹没碳化硅陶瓷熟坯，关闭聚合反应预混料注入阀门，加压使聚合反应预混料浸入并且浸满碳化硅陶瓷熟坯的孔隙。

4、升温制成待烧素坯

将浸好聚合反应预混料液的碳化硅陶瓷熟坯放置到素坯腔内；

将保护气体注入素坯腔内排出氧气；

将素坯腔内的温度缓慢升温到85℃至95℃之间，并保温2小时；使碳化硅陶瓷熟坯内吸附的苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯完全发生共聚反应生成甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯共聚物，把碳化硅陶瓷熟坯制成碳化硅陶瓷素坯。

5、烧制碳化硅陶瓷

将碳化硅陶瓷素坯放置入烧结炉内，同时放入的还有工业硅粉，在保护气体的保护下将烧结炉内升温至1700℃以上，将碳化硅陶瓷素坯烧制成碳化硅陶瓷制品。

本实施例在最后将碳化硅陶瓷素坯烧制成碳化硅陶瓷制品的升温过程中，首先将甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯共聚物碳化，同时排出分解出的气体。此时，原先由甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯共聚物充填满的碳化硅陶瓷素坯上的每一个孔隙都将有一部分重新被打开，当烧结炉内升温至1450℃以上时，烧结炉内的工业硅粉熔化，随着温度的升高，熔化的硅液逐步浸入进碳化硅陶瓷素坯上重新打开的孔隙里，并与孔隙里的碳反应生成碳化硅。因此极大地降低了游离硅的比例，提高了产品的性能，延长了制品的使用寿命。

实施例三

本实施例为针对碳化硅陶瓷的另一种材料增强方法：

1、配制聚合反应预混料

取重量为T的单体苯乙烯；

取苯乙烯重量的1％～2％的助剂偶氮二异丁腈；

将二者混合均匀后形成聚合反应预混料。

2、碳化硅陶瓷预处理

将制作碳化硅陶瓷的生坯放置入烧结炉内，在保护气体的保护下将烧结炉内升温至1700℃以上预烧，烧制成带有孔隙的碳化硅陶瓷熟坯。

3、浸液工序

将烧制的碳化硅陶瓷熟坯放置在浸液腔内；使用真空设备使浸液腔内形成负压环境，排除浸液腔内及碳化硅陶瓷熟坯孔隙里的气体；

关闭真空设备连接阀门，打开聚合反应预混料注入阀门，注入聚合反应预混料，使聚合反应预混料全部淹没碳化硅陶瓷熟坯，关闭聚合反应预混料注入阀门，加压使聚合反应预混料浸入并且浸满碳化硅陶瓷熟坯的孔隙。

4、升温制成待烧素坯

将浸好聚合反应预混料液的碳化硅陶瓷熟坯放置到素坯腔内；

将保护气体注入素坯腔内排出氧气；

将素坯腔内的温度缓慢升温到85℃至95℃之间，并保温2小时；使碳化硅陶瓷熟坯内吸附的苯乙烯完全发生本体聚合反应，把碳化硅陶瓷熟坯制成碳化硅陶瓷素坯。

5、烧制碳化硅陶瓷

将碳化硅陶瓷素坯放置入烧结炉内，同时放入的还有工业硅粉，在保护气体的保护下将烧结炉内升温至1700℃以上，将碳化硅陶瓷素坯烧制成碳化硅陶瓷制品。

本实施例在碳化硅陶瓷预处理时直接升温到1700℃，增加了碳化硅陶瓷内原有的有机物残碳与碳化硅颗粒之间的反应机会，增强了性能。再渗入有机单体，二次烧结后得到的碳化硅陶瓷性能极优，同时将游离硅的含量降低至5％甚至3％以下。

Claims (10)

1.一种无机非金属材料的增强方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)制备聚合反应预混料，所述聚合反应预混料包括有机单体以及有机单体发生聚合反应所需的助剂；

2)将聚合反应预混料填充入无机非金属材料坯体的孔隙内；

3)调控参数条件使无机非金属材料坯体的孔隙内填充的聚合反应预混料发生聚合反应生成有机高分子材料。

2.根据权利要求1所述的无机非金属材料的增强方法，其特征在于，步骤2)的实现方式是：在无机非金属材料坯体的表面喷涂聚合反应预混料。

3.根据权利要求1所述的无机非金属材料的增强方法，其特征在于，步骤2)的实现方式是：先在负压条件下除去无机非金属材料坯体孔隙内的气体；再将聚合反应预混料加压浸入无机非金属材料坯体孔隙中。

4.根据权利要求1-3中任一所述的无机非金属材料的增强方法，其特征在于：步骤1)中所述的助剂包括引发剂、表面活性剂和催化剂。

5.根据权利要求4所述的无机非金属材料的增强方法，其特征在于：步骤1)中所述的助剂还包括树脂。

6.根据权利要求5所述的无机非金属材料的增强方法，其特征在于：步骤1)中所述的有机单体为烯烃、不饱和羧酸和丙烯酸酯中的一种或多种的混合。

7.一种用于增强碳化硅陶瓷的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)制备聚合反应预混料

将有机单体以及有机单体发生聚合反应所需的助剂混合均匀后形成聚合反应预混料；

2)碳化硅陶瓷预处理

将制作碳化硅陶瓷的生坯在保护性气氛下进行预烧，烧制得到碳化硅陶瓷熟坯；

3)浸液

将聚合反应预混料填充浸满碳化硅陶瓷熟坯的孔隙；

4)调控参数条件使碳化硅陶瓷熟坯的孔隙内填充的聚合反应预混料发生聚合反应生成有机高分子聚合物，把碳化硅陶瓷熟坯制成碳化硅陶瓷素坯；

5)烧制碳化硅陶瓷

将碳化硅陶瓷素坯与硅粉一起在保护性气氛下进行高温烧制得到碳化硅陶瓷制品。

8.根据权利要求7所述的碳化硅陶瓷的增强方法，其特征在于：步骤2)中的预烧温度高于500℃。

9.根据权利要求8所述的碳化硅陶瓷的增强方法，其特征在于：步骤2)中的预烧温度高于1700℃。

10.根据权利要求7-9中任一所述的碳化硅陶瓷的增强方法，其特征在于，步骤3)包括以下步骤：

3.1)将烧制的碳化硅陶瓷熟坯放置在浸液腔内，使用真空设备使浸液腔内形成负压环境，排除浸液腔内及碳化硅陶瓷熟坯孔隙里的气体；

3.2)向浸液腔内注入聚合反应预混料，使聚合反应预混料全部淹没碳化硅陶瓷熟坯；

3.3)加压使聚合反应预混料浸入并且浸满碳化硅陶瓷熟坯的孔隙。