CN109748597A - 一种前驱体互胶凝制备莫来石多孔陶瓷的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种莫来石多孔陶瓷的制备方法，属于无机非金属材料领域。本发明的莫来石前驱体是由ρ‑Al₂O₃和SiO₂溶胶组成。本发明是将20.5至33.9wt%的ρ‑Al₂O₃粉体加入到66.1至79.5wt%，浓度为10至20wt%SiO₂溶胶中搅拌均匀，再将搅拌后的浆料倒入模具中，利用ρ‑Al₂O₃与二氧化硅溶胶中的水生成勃姆石和SiO₂溶胶失水聚合实现浆料的高强度固化成型。两种陶瓷前驱体自身都是胶黏剂，有协同的胶凝效应。将成型后的陶瓷生坯经过特定的热处理工艺得到莫来石多孔陶瓷。本方明和现有技术相比，不需要另外使用胶黏剂和造孔剂，绿色环保，生坯强度高（高于2 MPa），烧成后莫来石多孔陶瓷线性收缩率低（低于0.5%）。本发明的莫来石多孔陶瓷可应用于柴油机颗粒捕集器和氧化物燃料电池等方面。

Description

一种前驱体互胶凝制备莫来石多孔陶瓷的方法

技术领域

本发明属于新材料制备技术领域，具体涉及无机非金属材料中多孔陶瓷制备技术。

背景技

凝胶注模成型制备陶瓷的方法最早由美国橡树岭国家实验室开发成功，凝胶注模成型工艺是将陶瓷粉料与有机聚合物单体混合制成陶瓷浆料，再向浆料中加入固化剂固化成型，将成型后的陶瓷坯体置于高温炉中经过排胶和烧结后得到陶瓷材料。该方法与模压成型制备陶瓷材料的方法相比的显著优点是可以自由成型，制备复杂形状的陶瓷材料。凝胶注模制备陶瓷材料一开始被用来制备致密陶瓷材料，后来随着多孔陶瓷材料的发展，开始被用来制备多孔陶瓷材料。凝胶注模工艺制备陶瓷材料由于大量使用高分子聚合物，需要缓慢的排胶过程，高能耗且排除的气体对环境有害。申请号为201210486457.9的中国专利使用高达30%的淀粉作为粘结剂来制备多孔莫来石陶瓷；申请号为201010031386.4中国专利使用聚乙二醇和淀粉水溶液作为胶凝剂制备莫来石多孔陶瓷；申请号为200710099829.1的中国专利公开了一种使用水硬性氧化铝和铝酸钙水泥制备含氧化铝陶瓷材料的方法。但是铝酸钙水泥的使用很容易和氧化铝、二氧化硅等形成玻璃相，烧结时样品容易变形，并且会降低陶瓷材料的强度。

多孔莫来石陶瓷一般采用含氧化铝和二氧化硅的前驱体通过添加造孔剂模压后反应烧结得到，本发明采用本身就是胶凝材料的SiO₂溶胶和ρ- Al₂O₃作为莫来石前驱体通过莫来石陶瓷前驱体自身相互胶凝的特性成型，然后利用方石英转变和莫来石化转变的两次体积膨胀增加陶瓷的孔隙率。本发明不使用任何有机高分子材料，不用造孔剂，利用莫来石多孔陶瓷前驱体相互胶凝成型，利用方石英转变，莫来石化转变过程中的体积膨胀提高制品的的孔隙率降低收缩率。本发明绿色环保，简单易行。

发明内容

本发明的目的是针对凝胶注模方法制备莫来石多孔陶瓷技术上的缺点与不足，提供一种绿色环保简单易行的制备莫来石多孔陶瓷的方法。本发明的技术创新思路主要包括如下几点：

1.利用陶瓷前驱体ρ- Al₂O₃和SiO₂溶胶互相胶凝，且协同胶粘的特点，不使用任何有机胶凝剂，使陶瓷生坯成型，并具有高的生坯强度，生坯的抗压强度高于2MPa。而已有的制备莫来石多孔陶瓷的专利一般使用有机胶凝材料，或使用含氧化钙的水泥作为胶凝材料，氧化钙与氧化铝氧化硅很容易形成玻璃。本发明使用的莫来石前驱体ρ- Al₂O₃和SiO₂溶胶都具有胶凝特性且具有很强的协同互胶凝特性，即利用ρ- Al₂O₃遇水硬化和SiO₂溶胶失水聚合的协同互胶凝效应实现浆料的固化成型，使陶瓷生坯具有很高的机械强度，抗压强度大于2MPa。

2.本发明利用石英相变过程中的体积膨胀和产生很多缺陷，创新性的采用特殊的热处理过程，在莫来石化开始温度（1450℃）之下，长时间保温使石英完全转化为方石英，再结合莫来石化过程中的体积膨胀，实现提高制品孔隙率，减小收缩率的效果。

本发明的方法，将ρ- Al₂O₃粉体加入到浓度为10至20wt%SiO₂溶胶中，ρ- Al₂O₃和SiO₂的摩尔比控制在3:2，ρ- Al₂O₃和SiO₂总的固含量为28.4至47.2wt%。然后将搅拌均匀后的浆料至于真空脱泡机中脱除气泡。将脱除气泡后的浆料倒入模具中在室温下养护1至7天固化成型得到多孔陶瓷生坯，然后将多孔陶瓷生坯脱膜后至于干燥箱中于70℃烘干24h，再将烘干后的陶瓷生坯于空气气氛中以1至3℃/min升温到300℃保温1h,然后继续升温到1410至1440℃保温6h使二氧化硅完全转变成方石英相，再继续升温到1500至1650℃保温2至5h得到莫来石多孔陶瓷。

附图说明

图1，样品1410℃保温6h后的XRD图，由图可知，莫来石化还未开始，方石英转化完成。

图2，样品1500℃保温5h后的XRD图，由图可见莫来石化已经完成，全部晶相都为莫来石相。

具体实施方式

实施例1

将51.4克ρ- Al₂O₃粉体加入到200克浓度为10wt% SiO₂溶胶中，ρ- Al₂O₃和SiO₂的摩尔比为3:2，浆料中ρ- Al₂O₃和SiO₂总的固含量为28.4wt%。然后将搅拌均匀后的浆料至于真空脱泡机中脱除气泡。将脱除气泡后的浆料倒入模具中在室温下养护7天固化成型得到多孔陶瓷生坯，然后将多孔陶瓷生坯脱膜后至于干燥箱中于70℃烘干24h，再将烘干后的陶瓷生坯于空气气氛中以1℃/min升温到300℃保温1h,然后继续升温到1410℃保温6h使二氧化硅完全转变成方石英相，再继续升温到1500℃保温5h得到莫来石多孔陶瓷。所制得的莫来石多孔陶瓷的平均孔径为2.7微米，显气孔率为87%，烧结后的线性收缩率为0.4%，三点抗弯强度为7 MPa。陶瓷生坯的抗压强度为2MPa

实施例2

将102.8克ρ- Al₂O₃粉体加入到200克浓度为20wt% SiO₂溶胶中，ρ- Al₂O₃和SiO₂的摩尔比为3:2，浆料中ρ- Al₂O₃和二氧化硅总的固含量为47.2wt%。然后将搅拌均匀后的浆料至于真空脱泡机中脱除气泡。将脱除气泡后的浆料倒入模具中在室温下养护1天固化成型得到多孔陶瓷生坯，然后将多孔陶瓷生坯脱膜后至于干燥箱中于70℃烘干24h，再将烘干后的陶瓷生坯于空气气氛中以3℃/min升温到300℃保温1h,然后继续升温到1440℃保温6h使二氧化硅完全转变成方石英相，再继续升温到1650℃保温2h得到莫来石多孔陶瓷。所制得的莫来石多孔陶瓷的平均孔径为0.8微米，显气孔率为64%，烧结后的线性收缩率为0.1%，三点抗弯强度为26MPa。陶瓷生坯的抗压强度为3.2 MPa.

实施例3

将77.1克ρ- Al₂O₃粉体加入到200克浓度为15wt% SiO₂溶胶中，ρ- Al₂O₃和二氧化硅的摩尔比为3:2，浆料中ρ- Al₂O₃和二氧化硅总的固含量为38.7wt%。然后将搅拌均匀后的浆料至于真空脱泡机中脱除气泡。将脱除气泡后的浆料倒入模具中在室温下养护3天固化成型得到多孔陶瓷生坯，然后将多孔陶瓷生坯脱膜后至于干燥箱中于70℃烘干24h，再将烘干后的陶瓷生坯于空气气氛中以2℃/min升温到300℃保温1h,然后继续升温到1420℃保温6h使二氧化硅完全转变成方石英相，再继续升温到1600℃保温2h得到莫来石多孔陶瓷。所制得的莫来石多孔陶瓷的平均孔径为1.6微米，显气孔率为74%，烧结后的线性收缩率为0.2%，三点抗弯强度为20MPa。陶瓷生坯的抗压强度为2.5 MPa

实施例4

将61.7克ρ- Al₂O₃粉体加入到200克浓度为12wt% SiO₂溶胶中，ρ- Al₂O₃和二氧化硅的摩尔比为3:2，浆料中ρ- Al₂O₃和二氧化硅总的固含量为32.7wt%。然后将搅拌均匀后的浆料至于真空脱泡机中脱除气泡。将脱除气泡后的浆料倒入模具中在室温下养护5天固化成型得到多孔陶瓷生坯，然后将多孔陶瓷生坯脱膜后至于干燥箱中于70℃烘干24h，再将烘干后的陶瓷生坯于空气气氛中以1℃/min升温到300℃保温1h,然后继续升温到1430℃保温6h使二氧化硅完全转变成方石英相，再继续升温到1550℃保温4h得到莫来石多孔陶瓷。所制得的莫来石多孔陶瓷的平均孔径为1.9微米，显气孔率为79%，烧结后的线性收缩率为0.3%，三点抗弯强度为17MPa。陶瓷生坯的抗压强度为2.8 MPa。

Claims (5)

1.一种前驱体互胶凝制备莫来石多孔陶瓷的方法，其特征包括下述步骤：

将20.5至33.9wt%ρ- Al₂O₃粉体加入到66.1至79.5wt%浓度为10至20wt% SiO₂溶胶中，ρ- Al₂O₃和SiO₂的摩尔比控制在3:2，ρ- Al₂O₃和二氧化硅总的固含量为28.4至47.2wt%，然后将搅拌均匀后的浆料置于真空脱泡机中脱除气泡，将脱除气泡后的浆料倒入模具中在室温下养护1至7天固化成型得到多孔陶瓷生坯，然后将多孔陶瓷生坯脱膜后置于干燥箱中于70℃经24h烘干，再将烘干后的陶瓷生坯于空气气氛中以3℃/min升温到300℃保温1h,然后继续升温到1410至1440℃保温6h使SiO₂完全转变成方石英相，再继续升温到1500至1650℃保温2至5h得到莫来石多孔陶瓷。

2.按权利要求1所述制备莫来石多孔陶瓷，其特征在于多孔陶瓷生坯具有高的机械强度，抗压强度高于2 MPa，莫来石多孔陶瓷的孔径大小为0.8至2.7μm，显气孔率为64%至87%，烧结后线性收缩率为0.1%至0.4%。

3.按权利要求2所述的莫来石多孔陶瓷，其特征在于主晶相为莫来石相。

4.按权利要求2或3所述的莫来石多孔陶瓷，其特征在于莫来石多孔陶瓷的三点抗弯强度为7至26MPa。

5.按权利要求2或3或4所述的莫来石多孔陶瓷用于柴油机颗粒捕集器和氧化物燃料电池等方面。