CN112920683B - 一种环保自清洁的高性能陶瓷粉末材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种环保自清洁的高性能陶瓷粉末材料及其制备方法，本陶瓷粉末材料由以下各物质组成：陶瓷微粉、纳米二氧化钛、二氧化硅、硅烷偶联剂、环氧树脂、氯化橡胶、碳纤维粉、空心玻璃微珠、钨铜合金粉、硅藻土。本制备方法针对上述陶瓷粉末材料进行。本陶瓷粉末材料能够分解氧化空气中的污染物，从而达到净化空气的目的；同时，具体良好的吸附性，实现杀菌除臭功能，此外，引入多种高性能组分，大大提升了了本陶瓷粉末材料的综合性能。本发明所公开的制备方式，是针对本陶瓷粉末材料进行的，其可可行性强，能够制备出高品质的环保自清洁的高性能陶瓷粉末材料。

Description

一种环保自清洁的高性能陶瓷粉末材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种陶瓷粉末材料及方法，尤其涉及一种环保自清洁的高性能陶瓷粉末材料及其制备方法。
背景技术
陶瓷粉末材料作为高性能结构材料，在建筑装饰装修工程已得到广泛的应用。随着空气净化工程的不断发展，室内空气环境的改善也逐渐受到人们的重视，特别是手术室、无菌病房、无菌生物实验室、食品药品生产车间等洁净空间，对室内环境的要求更加严苛。然而，现有的陶瓷粉末材料虽具有良好的成膜性及耐温耐腐性，但缺乏自清洁功能，随着使用时间的加长，难以对室内环境的清洁性做出贡献；并且，陶瓷粉末材料由于本身固有的脆形，作结构材料使用时缺乏足够的可靠性，容易出现墙面龟裂的现象发生，且耐磨、防腐、防蚀性能逐渐弱化，影响陶瓷粉末材料的使用寿命。
发明内容
为了解决上述技术所存在的不足之处，本发明提供了一种环保自清洁的高性能陶瓷粉末材料及其制备方法。
为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种环保自清洁的高性能陶瓷粉末材料，它由以下重量份的各物质组成：
Figure BDA0002948661290000011
Figure BDA0002948661290000021
进一步地，陶瓷微粉为超细陶瓷微粉，其粒径小于5微米。
进一步地，硅烷偶联剂为以甲基丙烯酰氧基为官能团。如KH-570硅烷偶联剂。
进一步地，钨铜合金粉由质量比为3：1的钨金粉、铜粉复配而成。
进一步地，环保自清洁的高性能陶瓷粉末材料由以下重量份的各物质组成：
Figure BDA0002948661290000022
进一步地，环保自清洁的高性能陶瓷粉末材料由以下重量份的各物质组成：
Figure BDA0002948661290000023
一种环保自清洁的高性能陶瓷粉末材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、将二氧化硅溶于纯净水中，制备硅酸钠水溶液；
步骤二、将二氧化钛等质量分成两半，选取一半纳米二氧化钛溶于纯净水中，制备二氧化钛悬浮液；向乳化的二氧化钛悬浮液中滴加硅酸钠水溶液，滴加完成后进行熟化处理，充分搅拌后过滤，得到过滤物A，对过滤物A进行预处理后，烧结过滤物A，得到二氧化硅包覆的纳米二氧化钛粉体；
步骤三、继续将二氧化硅包覆的纳米二氧化钛粉体溶于纯净水中，制备包覆体悬浮液，向乳化的包覆体悬浮液中加入硅烷偶联剂，恒温条件下持续反应，然后抽提分离固体，分离固体干燥，研磨得到经硅烷偶联剂改性的二氧化硅包覆的纳米二氧化钛粉体；
步骤四、改性后的纳米二氧化钛粉体与环氧树脂熔融混合，挤出粒状混合体，粒状混合体经超细研磨，获得粉状混合物B；
步骤五、选取剩余一半的二氧化钛，加入乳化剂，高速分散二氧化钛溶液，冷却后得到粘稠状的二氧化钛浆料；
步骤六、向二氧化钛浆料中加入研磨成粉状的氯化橡胶、碳纤维粉、改性后的硅藻土细粉，在搅拌过程中，逐渐加入粉状混合物B，得到粘稠状的混合物C；
步骤七、将陶瓷微粉溶于纯净水中，制备陶瓷微粉悬浮液，向乳化的陶瓷微粉悬浮液中加入空心玻璃微珠、稠状的混合物C，充分搅拌，再加入钨铜合金粉，继续充分搅拌；
步骤八、搅拌完成后进行熟化处理，熟化处理后过滤，得到过滤物D，对过滤物D进行洗涤，洗涤后进行蒸馏去除水分，对去除水分后的过滤物D进行烧结，得到固体物E；
步骤九、固体物E经超细研磨，即获得本环保自清洁的高性能陶瓷粉末材料。
进一步地，将硅藻土研磨成细粉状，研磨后过筛并浸没在酸性溶液中并磁力搅拌2小时，酸性溶液置于60～65℃的水浴中，然后在37℃的条件下老化 30min，再经超声分散后水洗、过滤处理，得到改性硅藻土细粉。
本发明公开了一种环保自清洁的高性能陶瓷粉末材料及其制备方法，本陶瓷粉末材料利用纳米二氧化钛的氧化还原能力，分解氧化空气中的污染物，从而达到净化空气的目的；同时，还对部分纳米二氧化钛进行改性，提升陶瓷粉末材料的结构强度、防水性能及稳定性；由改性后的纳米二氧化钛复合环氧树脂，增强本陶瓷粉末材料的韧性，降低龟裂情况发生。此外，引入多种高性能组分，大大提升了了本陶瓷粉末材料的综合性能。本发明所公开的制备方式，是针对本陶瓷粉末材料进行的，其可可行性强，能够制备出高品质的环保自清洁的高性能陶瓷粉末材料。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
一种环保自清洁的高性能陶瓷粉末材料，它由以下重量份的各物质组成：
Figure BDA0002948661290000041
其中，陶瓷微粉为超细陶瓷微粉，其粒径小于5微米；陶瓷微粉是一种轻质非金属多功能材料，坚硬的微球状粉末，硬度高，有效增强陶瓷粉末材料的耐磨性、耐侯、耐久性、及耐高温性，改善漆膜的机械性能，增加透明度。
纳米二氧化钛吸收光能量后能产生氢氧自由基与负氧离子。氢氧自由基与负氧离子具有很强的氧化还原能力，能分解氧化空气中的污染物，从而达到净化空气的目的。尤其是10纳米以下的纳米二氧化钛方具有特别优异的光催化性能，因此，在本发明的陶瓷粉末材料中添加纳米二氧化钛，既能够提高环保性能，还具有自清洁功能。
同时，利用二氧化硅和硅烷偶联剂对部分的纳米二氧化钛进行改性，改性后的纳米二氧化钛周围的电子云密度增加，稳定更好，疏水性增强，降低灰尘的附着能力，使得本陶瓷粉末材料的性能得到有效提升。并且，利用酸性溶液对硅藻土也进行改性，改性后的硅藻土吸附能力更强，提高了陶瓷材料的除臭和杀菌能力，与改性的纳米二氧化钛配合，更进一步地提升了本陶瓷粉末材料的自清洁能力。
硅烷偶联剂采用以甲基丙烯酰氧基为官能团的偶联剂，如KH-570硅烷偶联剂，能够与二氧化硅发生反应。先利用二氧化硅对纳米二氧化钛进行无机表面处理，然后再利用硅烷偶联剂对纳米二氧化钛进行有机表面改性，二氧化硅包覆在纳米二氧化钛的表面，使得纳米二氧化钛表面形成大量的Si-O-H；硅烷偶联剂中含有甲基丙烯酰氧基(-Si(OCH3)3)，硅烷偶联剂在水中使得-Si(OCH3)3水解生成-Si(OH)3,-Si(OH)3再与纳米二氧化钛表面的Si-O-H发生反应，形成 Si-O-Si键，Si的电负性小于H的，使得O和Si周围的电子云密度增加，电子云密度的增加，使得改性后的二氧化钛更加稳定且有利于吸引亲电基团，从而能够与陶瓷微粉更好的结合。同时，改性后的纳米二氧化钛的团聚现象更加明显，疏水性能提升，在一定程度上改善了本陶瓷粉末材料的防水性能。
从而，纳米二氧化钛一部分作为催化剂，分解氧化空气中的污染物；另一部分经过改性处理，有效提升了本陶瓷纳米材料的稳定性、防水性；并且，改性后的纳米二氧化钛粉体与环氧树脂熔融混合，环氧树脂具有优异的耐腐蚀、耐磨性，纳米二氧化钛粉体填充到环氧树脂中，纳米二氧化钛粉体含有不饱和键，能够与环氧树脂交联，最终形成的复合材料不仅兼具耐腐蚀、耐磨的优异性能，且韧性及抗裂性能也均有所提升；将复合材料引入到本陶瓷粉末材料中，有效提升了本陶瓷粉末材料的性能。
引入氯化橡胶后，可以改进韧性、黏结性、耐溶剂性、耐酸碱性、耐水性、耐盐雾性、耐磨性等，并提高本陶瓷粉末材料的干率和减少尘土附着；并且，氯化橡胶具有优良的成膜性、粘附性、抗腐蚀性、阻燃性和绝缘性，明显提升本陶瓷粉末材料的性能，使其具有优异的耐腐、耐蚀、耐磨的特性。
碳纤维粉是由磨碎的高强高模碳纤维经特殊技术表面处理、研磨、显微甄别、筛选、高温烘干后而获得的等长圆柱形微粒，它保留了碳纤维的众多优良性能，碳纤维粉的强度极高，使得本陶瓷粉末材料的强度及耐磨性均大大提升。并且，碳纤维粉形状细小、表面纯净、比表面积大，易于被树脂润湿均匀分散，是性能优良的复合材料填料。
空心玻璃微珠是一种微小，中空的圆球状粉末，其粒径在微米级别，具有抗压强度高、熔点高、电阻率高、热导系数和热收缩系数小等特点，空心玻璃微珠具有明显的减轻重量和隔音保温效果，使得整个陶瓷粉末材料具有很好的抗龟裂性能和再加工性能，耐磨性、抗裂性均得到有效提升。
钨铜合金粉由质量比为3：1的钨金粉、铜粉复配而成，钨铜合金粉为金属粉末，具有良好的散热性能，且微观组织均匀、耐高温、强度高；在陶瓷粉末材料中引入少量的金属材料，在不影响陶瓷粉末材料比重的前提下，更进一步优化陶瓷粉末材料的综合性能。
对于本发明所公开的环保自清洁的高性能陶瓷粉末材料，还由以下重量份的各物质组成：
Figure BDA0002948661290000061
以及以下重量份的各物质组成：
Figure BDA0002948661290000062
本发明还公开了本环保自清洁的高性能陶瓷粉末材料的制备方法，具有包括以下步骤：
步骤一、将二氧化硅溶于纯净水中，制备硅酸钠水溶液；
步骤二、将二氧化钛等质量分成两半，一半二氧化钛直接加入到陶瓷粉末材料，用于分解氧化空气中的污染物；另一半用于改性处理；即：选取一半纳米二氧化钛溶于纯净水中，制备二氧化钛悬浮液，二氧化钛悬浮液与硅酸钠水溶液保持相同体积；加入乳化剂，高速分散二氧化钛悬浮液并滴加硅酸钠水溶液，滴加完成后进行熟化处理，充分搅拌后过滤，得到过滤物A，对过滤物A进行洗涤，洗涤后进行蒸馏去除水分，对去除水分后的过滤物A进行烧结，得到二氧化硅包覆的纳米二氧化钛粉体；
通常，利用乳化机高速分散二氧化钛悬浮液，在高速分散过程中滴加硅酸钠水溶液，维持反应温度85℃，PH＝8～8.5，硅酸钠水溶液滴加完成后，熟化处理30min，调节ph至6.5～7.0，继续搅拌30min，过滤得到过滤物，使用纯净水洗涤去除可溶性盐，然后利用正丁醇对过滤物进行共沸蒸馏，去除其中的水分；最后，进行高温烧结，得到表面包覆着二氧化硅的纳米二氧化钛粉体；
步骤三、继续将二氧化硅包覆的纳米二氧化钛粉体溶于纯净水中，制备包覆体悬浮液，高速分散包覆体悬浮液并加入硅烷偶联剂，70～75℃的恒温条件下持续反应，快速搅拌加快反应进程，然后过滤、洗涤，利用无水乙醇抽提分离固体，分离固体干燥，研磨得到经硅烷偶联剂改性的二氧化硅包覆的纳米二氧化钛粉体；
步骤四、改性后的纳米二氧化钛粉体与环氧树脂熔融混合，经双螺杆挤出机挤出粒状混合体，粒状混合体经超细研磨，获得粉状混合物B；
步骤五、选取剩余一半的二氧化钛，加入乳化剂，高速分散二氧化钛溶液，冷却后得到粘稠状的二氧化钛浆料；
步骤六、向二氧化钛浆料中加入研磨成粉状的氯化橡胶、碳纤维粉、改性后的硅藻土细粉，充分搅拌1小时，在搅拌过程中，逐渐加入粉状混合物B，得到粘稠状的混合物C；其中，硅藻土的改性过程为：将硅藻土研磨成细粉状，研磨后过筛并浸没在酸性溶液中并磁力搅拌2小时，酸性溶液置于60～65℃的水浴中，然后在37℃的条件下老化30min，再经超声分散后水洗、过滤处理，得到改性硅藻土细粉。
步骤七、将陶瓷微粉溶于纯净水中，制备陶瓷微粉悬浮液，加入乳化剂，高速分散陶瓷微粉悬浮液，同时，加入空心玻璃微珠、稠状的混合物C，充分搅拌1小时，再加入钨铜合金粉，继续充分搅拌30min；
步骤八、搅拌完成后进行熟化处理，熟化处理后过滤，得到过滤物D，对过滤物D进行洗涤，洗涤后进行蒸馏去除水分，对去除水分后的过滤物D进行烧结，得到固体物E；
步骤九、固体物E经超细研磨，即获得本环保自清洁的高性能陶瓷粉末材料。
下面结合具体的实施例对本发明所公开的环保自清洁高性能陶瓷粉末材料做进一步详细的说明。
【实施例一】
本实施例公开了一种环保自清洁高性能陶瓷粉末材料，由以下各重量份的各物质组成：
Figure BDA0002948661290000081
【实施例二】
本实施例公开了一种环保自清洁高性能陶瓷粉末材料，由以下各重量份的各物质组成：
Figure BDA0002948661290000082
Figure BDA0002948661290000091
【实施例三】
本实施例公开了一种环保自清洁高性能陶瓷粉末材料，由以下各重量份的各物质组成：
Figure BDA0002948661290000092
【实施例四】
本实施例公开了一种环保自清洁高性能陶瓷粉末材料，由以下各重量份的各物质组成：
Figure BDA0002948661290000093
【实施例五】
本实施例公开了一种环保自清洁高性能陶瓷粉末材料，由以下各重量份的各物质组成：
Figure BDA0002948661290000094
【实施例五】
本实施例公开了一种环保自清洁高性能陶瓷粉末材料，由以下各重量份的各物质组成：
Figure BDA0002948661290000101
上述实施方式并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种环保自清洁的高性能陶瓷粉末材料，其特征在于：它由以下重量份的各物质组成：
Figure FDA0003316606730000011
环保自清洁的高性能陶瓷粉末材料的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将二氧化硅溶于纯净水中，制备硅酸钠水溶液；
步骤二、将二氧化钛等质量分成两半，选取一半纳米二氧化钛溶于纯净水中，制备二氧化钛悬浮液；向乳化的二氧化钛悬浮液中滴加硅酸钠水溶液，滴加完成后进行熟化处理，充分搅拌后过滤，得到过滤物A，对过滤物A进行预处理后，烧结过滤物A，得到二氧化硅包覆的纳米二氧化钛粉体；
步骤三、继续将二氧化硅包覆的纳米二氧化钛粉体溶于纯净水中，制备包覆体悬浮液，向乳化的包覆体悬浮液中加入硅烷偶联剂，恒温条件下持续反应，然后抽提分离固体，分离固体干燥，研磨得到经硅烷偶联剂改性的二氧化硅包覆的纳米二氧化钛粉体；
步骤四、改性后的纳米二氧化钛粉体与环氧树脂熔融混合，挤出粒状混合体，粒状混合体经超细研磨，获得粉状混合物B；
步骤五、选取剩余一半的二氧化钛，加入乳化剂，高速分散二氧化钛溶液，冷却后得到粘稠状的二氧化钛浆料；
步骤六、将硅藻土研磨成细粉状，研磨后过筛并浸没在酸性溶液中并磁力搅拌2小时，酸性溶液置于60～65℃的水浴中，然后在37℃的条件下老化30min，再经超声分散后水洗、过滤处理，得到改性硅藻土细粉；
向二氧化钛浆料中加入研磨成粉状的氯化橡胶、碳纤维粉、改性后的硅藻土细粉，在搅拌过程中，逐渐加入粉状混合物B，得到粘稠状的混合物C；
步骤七、将陶瓷微粉溶于纯净水中，制备陶瓷微粉悬浮液，向乳化的陶瓷微粉悬浮液中加入空心玻璃微珠、稠状的混合物C，充分搅拌，再加入钨铜合金粉，继续充分搅拌；
步骤八、搅拌完成后进行熟化处理，熟化处理后过滤，得到过滤物D，对过滤物D进行洗涤，洗涤后进行蒸馏去除水分，对去除水分后的过滤物D进行烧结，得到固体物E；
步骤九、固体物E经超细研磨，即获得环保自清洁的高性能陶瓷粉末材料。
2.根据权利要求1所述的环保自清洁的高性能陶瓷粉末材料，其特征在于：所述陶瓷微粉为超细陶瓷微粉，其粒径小于5微米。
3.根据权利要求1所述的环保自清洁的高性能陶瓷粉末材料，其特征在于：所述硅烷偶联剂为以甲基丙烯酰氧基为官能团。
4.根据权利要求1所述的环保自清洁的高性能陶瓷粉末材料，其特征在于：所述钨铜合金粉由质量比为3：1的钨金粉、铜粉复配而成。
5.根据权利要求1所述的环保自清洁的高性能陶瓷粉末材料，其特征在于：所述环保自清洁的高性能陶瓷粉末材料由以下重量份的各物质组成：
Figure FDA0003316606730000021
6.根据权利要求5所述的环保自清洁的高性能陶瓷粉末材料，其特征在于：所述环保自清洁的高性能陶瓷粉末材料由以下重量份的各物质组成：
Figure FDA0003316606730000022
Figure FDA0003316606730000031
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